振动时效工艺在钢岔管上应用

焊接残余应力会影响水电站高强钢岔管性能，因此需要进行残余应力消除处理。本文采用振动时效工艺去除钢岔管残余应力，并在振动时效前后采用磁测法进行残余应力测试，定量判断振动时效效果。

钢岔管振动时效实施方案

根据振动时效工艺要求，工件应放置在弹性支撑上，支撑点位于工件受迫振动的节线处，在现场现有的条件下，对岔管安装过程中布置的支撑进行改造，将所有的支撑物与岔管之间加垫橡胶垫，确保岔管与原支撑脱离刚性连接并在振动时效过程中不再调整支撑位置。

岔管现有的支撑形式会对振动能量的传递产生一定的阻尼，为了消除这种不利影响，根据岔管薄壳结构形式，可以采用多点激振的方法，保证岔管各部分都能获得足够的振动能量。

在多点振动的同时，每个激振点还要采取逐级增大动应力的多次振动，在低档时消除高值残余应力，在高档时消除低值残余应力。这样不仅保证了残余应力的降低率符合标准要求，而且避免了动应力和残余应力叠加后超过材料的强度极限而造成强度破坏或原有缺陷的扩展。

同时，施振过程中，在岔管底部观察支撑受力变化情况，制定措施，确保岔管的安全。

振动时效前的准备工作

1. 整理现场。清理出地平，预留出放置仪器的场地和人员通道。

2.改造岔管支撑。拆除岔管安装的刚性支撑，将橡胶垫塞入支撑与岔管管壁之间，顶紧压实。加固薄弱支撑，将所有支撑与岔管管壁脱离。

3.振动时效前对岔管焊缝进行外观检测和表面磁粉检测。消除焊缝成型不良和表面裂纹的影响。

4.振动时效前对岔管焊缝内部质量进行超声波探伤检测。消除焊缝内部超标缺陷，并对记录缺陷进行跟踪。

5.振动时效前岔管进行残余应力测试。测试前选取与岔管模型相同的材料，按照同样的焊接工艺制定标定试样，标定应用悬臂梁逐级加载法，记录不同应力值标定灵敏度。钢岔管测试部位根据焊缝分布情况及应力分布情况确定，原则上每条焊缝不少于2处。确定位置后，用白色记号笔标记出测试部位并编号，所有被测部位不得有涂层、飞溅及污物，打磨后电解抛光。采用磁测法测试残余应力并记录测试结果。

6.振动时效前岔管管口进行位置检测。时效前在岔管上游管口处测量管口错边量并记录。

实施振动时效

1.确定激振点、拾振点位置。根据机械振动理论，分析判断构件可能的共振频率及构件在激振频率范围内可能出现的振型，在此基础上，选择激振设备的频率范围，确定支撑点、激振点、拾振点等位置。支撑点选择在波节处或附近，激振点选择在被振工件的波峰处或附近，拾振器应固定在远离激振器且能反映主振频率振型最大振幅处或附近，其方向应与振动方向一致。经计算分析，岔管的谐振频率估计在3500-4500r/min左右，振型为弯扭振型，节点在岔管横截面时钟位置5点、7点附近，波峰在岔管顶部。根据以上分析，选用2000-8000r/min的激振设备应能激起工件的谐振响应。激振点选择在岔管顶面加劲环上以便于安装，容易引起谐振响应，初步确定在岔管最大直径处周围的3个加劲环上各设一个激振点，并根据时效效果对激振点有所增减或变更位置；拾振器放在岔管顶部距激振点约2-3m处。

2.安装激振器及拾振器。将激振器底座与钢岔管顶部加劲环刚性连接，并用专用卡具紧固，接触面良好，然后将偏心调到2档，连接好激振器与控制器之间的4芯线。拾振器放在岔管顶部距激振点约2-3m并有明显振感的地方，连接好加速度信号线。

3.试振。根据估计的谐振频率，将最高转速设为6000r/min，偏心档暂选定在2档，时效时间设为2-3min。开始试振时激振器由2000r/min开始扫频，看1阶、2阶、3阶谐振频率及位移幅各为多少，当设备自动选择电流和加速度值最大时，相对应的谐振频率为主振频率。在以主振频率激振时，工件会发出较大的嗡嗡声。此时，往岔管上撒一些沙子，沙子会剧烈的跳动，沙子聚拢外为波节，反之为波峰。也可通过变化拾振器的位置来检测波峰、波节位置，根据试振情况对激振点和拾振点的位置加以调整，使之更为合理。

4.正式振动。在试振的基础上确定正式振动时的时效参数，如主振频率、时效阶数、最高转速、时效时间和偏心档位等。主振频率可从试振时的扫频曲线得知；时效阶数一般选1阶和2阶，如果2阶谐振时的振幅较小，则只选1阶谐振；最高转速应高于谐振频率100-300r/min；时效时间不宜过长，因为在以主振频率开始振动后的3-5min内，时间-振幅曲线变化明显，然后逐渐变平。一般情况下，时间-振幅曲线变平后的5-10min内应结束振动，因此，每次振动时间以不超过15min为宜。正式振动时，应记录相关参数并打印出测试曲线及数据。

振动时效后的检测

1.时效后超声波探伤检测复查。在所有激振点的各次振动全部完成后，对岔管进行振后的超声波探伤检测复查，并对原记录缺陷进行振动前后的对比分析。

2.振动时效后进行残余应力测试。在所有激振点的各次振动全部完成后，对岔管进行振后应力测试，并对振动前后应力进行对比分析。

3.振动时效后进行位置测试。在所有激振点的各次振动全部完成后，对岔管进行振后位置测试，并对振动前后进行对比分析。

振动时效效果评定

判定时效振动效果依据标准，通过两种方法进行评定，采用参数曲线观测法进行定性评定和采用残余应力测试进行定量评定。

岔管各激振点振动时效前后的扫频曲线发生了变化，加速度转速曲线（a-n曲线）左移，振幅升高，说明固有频率下降，阻尼减少；加速度时间曲线（a-t曲线）也发生了变化，加速度幅值升高或降低后趋于平稳；根据GB/T25713-2010标准判定岔管振动时效取得效果。

残余应力测试结果评定

岔管焊缝各测区峰值残余应力振动消应效果对比曲线

岔管焊接残余应力消除效果评定。岔管共选择29个测区，其中单向峰值残余应力大于600MPa的有4个测区，单向峰值残余应力处于500-600MPa之间的有24个测区，单向峰值残余应力小于500MPa的有1个测区。振前测点平均应力573MPa，振后测点平均应力380MPa。经过振动时效后，应力平均值降低率为33.6%。振前最大应力625MPa，振后最大应力418MPa，振前最小应力459MPa，振后最小应力317MPa。

结论

根据上述试验可验证振动时效可有效地提高工作效率，改善水电站高强钢岔管的使用性能。