基于振动时效的岔管焊接应力消除技术应用.pdf

DOI:1016617/jcnki11-5543/TK20240305基于振动时效的岔管焊接应力消除技术应用王梓任 乔桂鑫 陈 乐(北京金河水务建设集团有限公司,北京 102206)【摘 要】钢岔管大型构件焊接会产生较大的残余应力,从而影响钢构件的使用寿命。文章以南水北调大兴支线工程钢岔管为试验构件,采用 VSR-80 型多功能便携式振动消应系统对岔管进行了振动时效处理。结果表明,该技术操作简便,具有节能高效、环保便捷的特点,岔管振动时效处理后残余应力平均降低率达 35 7%。该技术为水利工程中大型钢结构焊接残余应力消除提供了重要的技术指导,有助于提高工程结构的安全性和可靠性。【关键词】大型构件;振动时效;残余应力;应力消除中图分类号:TV547 6 文献标识码:B 文章编号:1673-8241(2024)03-021-05Application of Branch Pipe Welding Stress Relief Technology Based onVibratory AgingWANG Ziren,QIAO Guixin,CHEN Le(Beijing Jinhe Water Construction Group Co,Ltd,Beijing 102206,China)收稿日期:2024-01-15作者简介:王梓任(1985),男,本科,高级工程师,从事水利施工工作。Abstract:Welding of large steel branch pipe components can generate significant residual stress,affecting the service lifeof steel components.This paper takes the steel branch pipe of the Daxing Branch of the South-to-North Water DiversionProject as the experimental component and uses the VSR-80 type multifunctional portable vibration stress relief system forvibratory aging treatment of the branch pipe.The results show that this technology is simple to operate and features energyefficiency,environmental friendliness,and convenience.After vibratory aging treatment,the average reduction rate ofresidual stress in the branch pipe reached 35 7%.This technology provides important technical guidance for theelimination of welding residual stress in large steel structures in water conservancy projects,contributing to the improvementof the safety and reliability of engineering structures.Key words:large components;vibratory aging;residual stress;elimination of stress 大型钢管作为水利工程的主要建筑构件,被广泛应用在南水北调、东水西调等重大专项项目中1。但是由于该类大结构钢管一般采用焊接作为主要加工方法,热源集中在焊缝处加热,因而造成焊件上温度分布不均匀,最终导致在焊接结构内部产生了焊接变形与焊接应力2-4。应力的存在直接影响着整个焊接结12构的质量。尤其是当残余应力的数值达到上限时,钢材会发生变形或者断裂5-6。因此,如何降低或消除因焊接产生的残余应力是水利工程要解决的一个重要问题。为解决上述问题,本文以南水北调大兴支线工程钢岔管为试验构件,分别进行两次激振处理,基于VSR-80 型多功能便携式振动消应系统开发岔管焊接应力消除技术,对振动时效后的构件进行残余应力消除,从而延长钢岔管的使用寿命,避免因残余应力的存在而产生较大的结构变形。1 工程概况南水北调配套大兴支线供水工程,紧邻北京大兴机场,建设目的是为北京新机场水厂提供双水源通道,增加一条南水北调中线水源进京通道。工程主要内容为顶管内穿钢管施工。施工线路长 2 2km,双线布置,沿线设置 4 座永久排气阀井,阀井间采用钢岔管将上下游钢管与排气阀连接。钢岔管为 T 形三通,单重 量 9 5t,长 度 3150mm,管 径 1800mm,壁 厚16mm;正腰梁及斜腰梁壁厚 36mm,腰梁连接柱直径120mm,岔管材质为 Q345R(见图 1、图 2)。图 1 钢岔管结构2 振动时效消应2 1 振动时效处理对金属构件的作用振动时效处理是对具有残余应力的金属构件进行图 2 钢岔管现场工装振动处理,使构件在共振频率下振动。当激振器产生的动应力与构件上各点的残余应力叠加后,应力大于等于材料的屈服极限,则在该点出现局部的塑性变形,因而应力得到释放。所以振动时效处理从原理上来说,就是降低构件内的残余应力。应力降低的水平与构件内的残余应力大小及激振器产生的动应力有关,动应力大则消除应力的效果高,动应力小,消除应力的效果低。振动时效处理既然可以降低应力,就必然可以消除或降低残余应力对构件的影响。其作用有如下几方面:一是降低和均化应力,消除应力集中,防止裂纹。因为振动过程中残余应力大的点首先屈服,所以高应力点下降的比例大,使应力均化程度高,从而降低应力集中而防止裂纹。二是减少或防止构件变形。构件的变形是由于残余应力特点造成的,因为残余应力的分布和量值具有很大的随机性,分布不均且量值差别太大,所以容易产生变化,即有可变性。残余应力的变化,必然使构件产生变形,因此在使用前或安装前,通过振动时效处理使应力降低和均化,能够防止或减少变形。三是提高焊接构件的疲劳寿命,增加使用周期。大量的实验和实践证明,振动时效处理可使焊件的疲劳寿命提高 50%以上,使用寿命提高0 5 1 倍。22施工技术Construction Technology2 2 仪器参数与安装2 2 1 仪器选型参数振动时效处理 VSR-80 型多功能便携式振动消应系统,单次消应最大构件 300t。VSR-80 型多功能便携式振动消应系统主要技术参数见表 1。表 1 主要技术参数型 号参 数VSR-80激振器转数范围/(r/min)2000 8000激振力调整范围/kN0 50电机额定功率/W2200电机额定电流/A12可处理工件参考重量/t0 300加速度量程0 250m/s2稳速精度/(r/min)1供电电源电压交流 220(110%)V,50(14%)Hz2 2 2 激振器安装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。激振点应选择在被振工件的波峰处(工件在自由振动时振幅最大处)或附近,根据本岔管结构形式,激振点选择在岔管正腰梁、斜腰梁位置处,以易于引起谐振响应。根据现场实际工况,本次岔管振动时效消应分别从 2 个部位分 2 次进行激振。这样可以使残余应力均化更加彻底,达到最佳时效效果。2 2 3 拾振器安装位置拾振器用来测试振动幅度,传感器由一个磁性吸盘进行安装,安装位置应在构件共振时振动幅度最大的位置上。为了判断是否整体振动,振动消应时拾振器应固定在远离激振点的管口位置(见图 3)。图 3 激振点及拾振点布置平面示意图2 3 振动时效残余应力消除2 3 1 激振器偏心设置激振器偏心挡位的选择应当满足保证构件产生合适振幅要求且装置输出载荷不超过额定载荷的 70%。便携式振动时效消应系统激振器共有 12 个挡位激振力可调,数字越大激振力也就越大。本次振动消应偏心挡位分别选择 1 3 挡激振力。2 3 2 激振频率及处理时间通过扫频由设备自动选择共振峰,处理时可由加速度幅值来控制。钢岔管振动累积时间为 20min。2 4 振动处理时效曲线与分析振消处理的钢岔管为使整体焊接构件进行充分时效处理,从钢岔管 2 个部位分 2 次进行振动,获得 2条时效曲线。通过分析时效曲线发现,时间振幅曲线随着时间变化而上升;幅频特性曲线振后峰值升高,峰线左移。观察对焊接构件岔管振动时效处理时获得的曲线,可以看出时效前后的数据变化情况(见表2)。两次过时效后加速度比时效前整体升高,可以判断出钢岔管经过 2 次累积 20min 的振动时效处理后焊接岔管已经达到了时效效果(JB/T 59262005 振动时效效果评定方法)。表 2 振动时效前后参数对比参 数时效前时效后时效对比转速 N/(r/min)加速度 g/(m/s2)转速 N/(r/min)加速度 g/(m/s2)转速差 N/(r/min)加速度差 g/(m/s2)时效时间t/min第 1 次时效643994 26430103 6-99 410第 2 次时效674147 0674657 05101032施工技术Construction Technology3 焊接残余应力测试3 1 残余应力测试点布置为了检测振动时效处理在消除应力方面的效果,在振动时效处理前后,分别在岔管焊接件主要焊缝热影响区上选择了 8 个测点进行残余应力的测试(见表3、图 4)。表 3 测点具体位置序号测点区域测 点 位 置1内壁下部正腰梁、斜腰梁 1 与环焊缝热影响区2内壁中部正腰梁与管壳焊缝热影响区3内壁上部正腰梁与管壳及上连接柱焊缝热影响区4内壁下部正腰梁、斜腰梁 2 与环焊缝热影响区5内壁中部斜腰梁 2 与管壳焊缝热影响区6内壁中部正腰梁管壳及上连接柱焊缝热影响区7内壁下部斜腰梁 1、斜腰梁 2 与环焊缝热影响区8内壁中部斜腰梁 1 与管壳焊缝热影响区3 2 焊接残余应力检测方法残余应力检测采用盲孔法。测试选用 BZ2205C型残余应力测试系统,配套使用电阻应变计。准备工图 4 岔管残余应力测点示意图作就绪后,使用合适的钻具,在要测试的材料表面上钻取一个孔深超过残余应力影响深度的小孔后,清洁孔口,确保孔口的表面干净,并去除可能对测试结果产生影响的杂质和污染物。再将测量探针安装到孔内,并确保其与孔壁之间没有松动或空隙。启动测试设备,在指定的测量范围和条件下进行应力测量。在测量过程中,计算机数据采集系统自动记录并整理测得应力数值和应力分布。通过计算等效应力,可以较好地描述材料的强度状态,从而更准确地评估材料的疲劳寿命,替代烦琐的残余应力计算(见表4、图5)。表 4 岔管振动前后应力变化及残余应力降低率对象点位编号时效前/MPa时效后/MPa最大主应力 1最小主应力 2等效应力 最大主应力 1最小主应力 2等效应力 等效应力差/MPa等效应力降低率/%岔管1102 9-28 8119 968 2-19 279 640 433 72202 4-5 3205 1124 1-3 6125 979 238 63164 4-28 8180 5105 9-18 6116 364 235 64125 587 9111 683 557 974 137 533 65298 253 3275 4202 837 3187 088 532 16231 092 2201 4158 062 6137 863 531 57314 391 7280 0190 456 3169 4110 539 58202 9-11 8209 1123 6-7 4127 481 739 1平均205 231 3197 9132 120 7127 270 735 73 3 残余应力消除结果分析从岔管振动前后应力变化趋势与应力降低率(见图 6)可知,在振动时效处理前最大等效应力为280 0MPa,最小等效应力为 111 6MPa,平均等效应力为 197 9MPa;振动时效处理后最大等效应力为187 0MPa,最小等效应力为 74 1MPa,平均等效应力为 127 2MPa;岔管振前和振后等效应力平均降低率为 35 7%。42施工技术Construction Technology图 5 岔管 1 8 点振动时效处理后焊接残余应力测试现场图 6 岔管振动前后应力变化趋势与应力降低率4 结 论对钢岔管焊接部位进行了振动时效处理,实现了残余应力的显著降低,平均残余应力的降低率达35 7%(JB/T 103752002 焊接构件振动时效工艺参数及技术要求)。证实了振动时效处理技术在工程应用中的可行性和有效性,对于改善焊接结构的内部应力状态,延长结构寿命具有实际价值。与现有的热处理和其他消应方法相比,振动时效处理技术在环保和能效方面表现更优,表明其作为一种非热处理的技术方案具有广泛适用性。研究结果为大型水利工程钢结构焊接残余应力的消除提供了技术参考。未来的研究可以进一步探索不同结构构件和材料对振动时效处理的响应,以及对长期结构行为和性能的影响,为振动时效处理技术的工程应用提供更多理论和实证支持。参考文献1 王晓敏,骆正山,赵乐新.腐蚀和残余应力对油气管道不规则区可靠性的影响分析J.表面技术,2020,49(4):278-283,314.2 马廷霞,轩恒,刘维洋,等.残余应力对含裂纹缺陷管道疲劳寿命的影响J.应用力学学报,2018,35(5):1103-1108,1189-1190.3 葛华,黄海滨,蒋毅,等.X80 管道环缝焊接残余应力数值模拟J.焊接,2021(12):17-23,64.4 郭保玲,邸鑫,孙德芝,等.城市燃气管道焊接残余应力检测技术J.煤气与热力,2022,42(7):37-39.5 刘震顺,张晟,毛庆,等.残余应力作用下的不锈钢管道环向穿壁裂纹闭合效应研究J.核动力工程,2023,44(2):152-158.6 梁晓龙.大口径供热管道焊接接头残余应力数值模拟J.焊接技术,2023,52(6):12-15.52施工技术Construction Technology