振动时效及X射线衍射法应力测试在新疆尼勒克水电站的应用

摘要：保证岔管正常工作，降低焊后残余应力，设计文件提出了消应的要求。针对水电站高强钢岔管采用了振动时效技术和X射线衍射法应力测试技术，并按照标准对残余应力消除率的评定。取得了良好的效果，改善水电站高强钢岔管的使用性能。

关键词：焊接残余应力钢岔管振动时效 X射线衍射法法消除率

中图分类号：TV731 文献标识码：A 文章编号：

1. 前言

尼勒克一级水电站位于新疆伊犁哈萨克自治州尼勒克县境内，是新疆伊犁喀什河规划中的梯级电站之一，位于喀什河中游尼勒克盆地。水电站装机容量240MW（4×60MW），共有四台机组组成，采用一管四机的布置方式，主管和支管之间通过3个岔管连接，电站发电水头187.97m。其中1#岔管（φ5600mm渐变至φ3900mm，壁厚38mm）母材材质为WH80QD，2#、3#岔管（由φ3900mm渐变至φ2700mm，壁厚34mm）母材材质为WDB620D，以上三个岔管的部分环缝及月牙肋板的组合焊缝在安装现场完成焊接（在钢管制造厂已组装成大节）。

水电站钢岔管焊接时，由于局部加热而造成焊件上温度分布不均匀，不可避免的导致焊件在焊后产生残余应力，残余应力的存在将直接影响到钢岔管的质量及使用性能。根据试验及在焊件上进行的实际残余应力测试结果来看，其焊接残余应力最大值基本都接近或达到材料的屈服极限。残余应力的存在对钢岔管的性能会产生不利的影响。工程上常用的消应方法有整体或局部高温回火、振动时效、整体水压试验等等。由于岔管体积较大，高温回火很难进行。整体水压试验是通过对岔管施加一定的水压静载荷，通常是正常工作压力的1.25倍，使岔管工作应力与残余应力叠加，超过屈服强度的部分由于钢材的屈服而松弛，从而达到削减焊接残余应力峰值的目的。振动时效是利用激振器的振动引起钢岔管的共振，振动产生的动应力与残余应力相叠加超过某种位垒，使得材料中发生大量的位错滑移，产生微区塑性变形，使较高的残余应力得以释放。采用振动时效不但可以消减峰值残余应力，还可使残余应力分布均化，这种方法处理时间短，适用范围广，能源消耗少，经济成本较低，故在水工金属结构消应方面应用越来越广泛。

2. 项目内容

振动时效消应项目包含以下2个主要内容：

（1）对岔管进行振动时效处理，依据标准对振动时效的效果做出定性的评价。

（2）振动时效前后分别进行残余应力测试，通过对振动时效前后残余应力状况的分析对比，对岔管的残余应力水平进行定量的评价。

定性评价和定量评价采用的标准：

（1）JB/T5926-2005《振动时效工艺参数选择及技术要求》

（2）JB/T10375-2002《焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求》

（3）DL5017-2007《压力钢管制造安装及验收规范》

（4）GB/T7704-2008《无损检测 X射线应力测定方法》

3. 振动时效消除残余应力的原理及优点

振动时效，它是指夹持在工件上的激振器产生周期性激振力，在其作用下，使构件达到共振状态，松弛工件的残余应力，保持工件尺寸稳定的方法。振动消除应力实际上就是用周期的动应力与残余应力叠加，使构件局部产生塑性变形而释放应力。残余应力是作为平均应力提高周期动应力水平而起作用。振动处理是对构件施加一交变应力，如果交变应力幅与构件上某些点所存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时，这些点将产生塑性变形。如果这种循环应力使某些点产生晶格滑移，尽管宏观上没有达到材料的屈服极限，也同样会产生微观的塑性变形，况且这些塑性变形往往是首先发生在残余应力最大的点上，因此，使这些点受约束的变形得以释放从而降低了残余应力。这就是采用振动时效消除残余应力的机理。

经过振动处理的构件其残余应力可以被消除30%以上，高应力区消除率比低应力区大。构件经过振动时效后，可以提高使用寿命，降低应力腐蚀；根据国内有关研究资料表明，振动时效处理的工件的抗静载荷变形能力提高35%以上，抗动载荷变形能力可提高1-3倍，因此，振动时效可以提高构件抗变形的能力，稳定构件的精度。振动时效它不受构件大小和材料的限制，从几十公斤到上百吨的构件都可使用振动时效技术。振动时效通常仅需很短的时间即可转入下道工序， 振动时效可节省时间、能源和费用。被广泛应用于冶金、机械行业焊接等金属构件的时效处理。

4. X射线衍射法应力测试原理及优点

X射线应力测定方法是利用X射线衍射测定试样中晶格应变求出工件表面应力的方法。随着技术进步，出现了便携式X射线应力测定仪，体积小、重量轻，操作简便。属于无损测试，振动时效前后可以原位复测，便于对比。由于测点比较小，测点分布可以比较密集，因而能够测定焊缝与热影响区残余应力分布曲线；而振动前后同一截面残余应力分布曲线的变化最能反映振动效果。由于这些优点，使X射线衍射法残余应力测试技术在工程现场应用越来越广泛。

5. 钢岔管振动时效方案及结果评定

尼勒克水电站岔管体型较大、1#的岔管重量达110吨，材料WH80QD高强钢。岔管的制作拼焊工作在安装现场完成。3个岔管各自独立分开，通过支撑物与岔管之间加垫橡胶垫，保证岔管与原支撑脱离刚性连接处于自由状态，从而达到振动时效要求（以1#岔管为例）。

1#岔管各激振点及相应拾振点位置示意图如下图所示：

说明：

①图中方框表示激振器位置（均为岔管下部管壁内侧），并用大写字母A、B、C、D、E表示激振点顺序号；

②图中实心黑点表示拾振点位置，并用小写字母a、b、c、d、e表示与激振点相对应的拾振点顺序号，例如a表示与激振点A相对应的拾振点。

以1号岔管A点为例本次振动偏心档设为2档，最高转速为6000rpm，时效时间为8min。扫频后，设备自动选在5520rpm处进行振动时效，对比时效前后a-n曲线可知，时效后a—n曲线振幅升高，a-t曲线最终变平，根据JB/T5926-2005《振动时效效果评定方法》的第5.1.2款之规定可定性判定该次振动时效取得了效果。

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，阻尼减小；加速度时间曲线（a-t曲线）也发生了变化，其加速度幅值升高或降低后最终趋于平稳；根据JB/T5926-2005《振动时效效果评定方法》的第5.1.2款之规定可定性判断1#岔管的振动时效均已取得效果。

6. 钢岔管残余应力测试方案及结果评定

根据钢岔管焊缝分布情况， 1号岔管7个测区，编号为：1-1测区~1-7测区，测区具置详见下图。

为评价消应效果，对于焊接残余应力较高的点在振后进行了复测，振动时效前后测试结果汇总见下表。

为对钢岔管振动时效前后焊接残余应力的变化情况进行分析，按照 JB/T5926-2005《振动时效效果 评定方法》要求，取各测区峰值应力测点的应力平均值作为评价依据。

对于1#岔管，取1-1、1-2、1-4、1-6测区振前残余应力峰值计算振前残余应力平均值，公式为：

振后残余应力平均值为：

则应力消除率为：

7. 结论

依据JB/T5926-2005《振动时效工艺参数选择及技术要求》、JB/T10375-2002《焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求》、DL5017-2007《压力钢管制造安装及验收规范》的规定，通过对振动时效前后的残余应力状况测试做出的定性和定量效果评价达到上述规范的要求，尼勒克电站钢岔管振动时效消应工作取得圆满成功。

作者简介：

李有道（19 -），男，河南三门峡人，中国水利水电第十一工程局有限公司 高级工程师，从事水工金属结构制作安装管理工作。