锅炉冷水壁振动时效工艺应用

超临界锅炉冷水壁采用耐热合金钢，主体材料为15CrMoC、12Cr1MoVG、SA213-T23、7CrMoVIB10-10。连接方法采用埋弧焊，焊后存在较大残余应力。行业通常采用热处理消除合金钢管排的焊接残余应力。但热处理工艺耗能大、污染大、周期长、工艺变形大、且受炉膛尺寸限制等影响，因此需要其他方法进行消除应力。

本文采用振动时效技术消除残余应力，对振动时效前后和热时效后分别测量焊接残余应力，通过与热时效效果对比全面评估振动时效工艺实用性。

振动时效工艺及效果评定

试件介绍

选择超临界锅炉水冷壁侧墙灰斗螺旋管屏进行振动时效试验，试验在3块管屏上进行，管屏编号分别为1、2和3号，管屏均由48根管子组成，管子节距为54mm，管屏材料由管子和扁钢组成，管子材料为15CrMoG，规格Φ38.1mm*7.2mm，扁钢材料为SA387-Gr12CL，规格Φ16.4mm*15.9mm。

振动时效工艺

对3块水冷壁管屏分别进行了不同方案的振动时效工艺：1号管屏支撑点4个，激振器安装在水冷壁端部；2号管屏支撑点4个，激振器安装在水冷壁中部；3号管屏支撑点7个，激振器安装在水冷壁中部和端部，振动2次。

振动时效效果分析

从1号水冷壁管屏振动时效前后的残余应力数据可以看出，振动时效可以明显的降低*大主应力，增加最小主应力。因此，1号水冷壁管屏采用的振动时效工艺是可行的。

从2号水冷壁管屏振动时效前后残余应力数据可以看出，通过振动时效，水冷壁中部的2-1号——2-4号4个点的*大主应力降低，最小主应力增加，振动效果明显；但水冷壁端部的2-5号——2-7号3个点的*大和最小主应力都增加，振动效果不佳。主要是因为2号水冷壁管屏较长，采用4个橡胶垫支撑，整个结构的刚性较差。靠近激振器较近的中部，施加振动后，动应力能够很好的与残余应力进行叠加，从而降低残余应力。但是离激振器较远的端部，由于刚性差，施加的动应力容易传递走，从而造成振动效果差。

针对2号水冷壁管屏的振动时效效果，进行3号水冷壁管屏振动时效时，采用7个支撑点，激振器安装在水冷壁中部和端部，振动2次。从3号水冷壁管屏振动时效前后残余应力数据可以看出，振动时效可以明显地降低*大主应力，增加最小主应力。因此，对于较长的水冷壁，采用3号水冷壁管屏的振动时效方案是可行。

振动时效工艺与热时效消除率对比

对1号水冷壁管屏，同时进行了热处理，热处理工艺参数为（660-700）℃*1h；比较焊态、振动时效及热处理3种情况下的焊接残余应力。从3种状态下的焊接残余应力比较可以看出，采用振动时效和热处理都可以明显的降低*大主应力。

综合力学性能试验

为了评估振动时效的可行性，比较了焊态、振动时效和热处理三种状态下焊接接头的侧弯性能、微观组织、显微硬度和拉伸性能。

侧弯试验

从3种状态下焊接接头的侧弯性能的比较可以看出，3种状态下的侧弯性能都是合格的，即使弯曲角度达到180°，侧弯性能也合格。因此，振动时效后，焊接接头的侧弯性能满足要求。

拉伸试验

试样应按照GB/T228加工成板状拉伸试样，并在试验机上进行拉伸试验。从试验结果可以看出，所有试样的断裂位置都是在母材上。从3种状态下的力学性能比较可以看出，热处理和振动时效技术对材料的抗拉强度没有影响，但对屈服强度和断后伸长率有影响，振动时效稍微地增加了材料的屈服强度和断后伸长率，热处理可以显著地提高材料的屈服强度和断后伸长率。

显微硬度试验

焊缝和热影响区的组织都是索氏体，从3种状态下的显微硬度比较可以看出，3种状态下的最高显微硬度出现在焊接热影响区，焊态条件下显微硬度最高，达到260HV。热处理状态的显微硬度最低，在210HV以内。而振动时效可以降低焊接接头的显微硬度，最高值为246HV，最低值为195HV。振动时效工艺满足焊接接头硬度的要求。

结论

1. 采用振动时效工艺消除焊接水冷壁的焊接残余应力，可以明显地降低*大主应力，增加最小主应力，减小了结构的剪切应力，使焊接残余应力分布更加均匀，结构更加安全；可考虑采用振动时效工艺代替热时效消除1Cr-0.5Mo水冷壁管屏残余应力；

2. 对于较短水冷壁的振动时效工艺，可以按照1号水冷壁管屏的振动时效工艺进行，对于较长水冷壁的振动时效工艺，可以按照3号水冷壁管屏的振动时效工艺进行；

3. 15CrMoG水冷壁管屏采用振动时效工艺，焊接接头综合力学性能和显微硬度均满足焊接工艺评定的要求。振动时效工艺可以提高材料的屈服强度和断后伸长率，而对抗拉强度没有影响；但是热处理除了可以提高材料的屈服强度外，还对提高断后伸长率尤为显著。

4. 振动时效使被处理的工件产生亚共振，因此振动时效时的噪声较大，需要进行适当防护。