毛爾蓋水電站岔管振動時效消應技術的應用

楊小軍 ，李忠富

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

1 前 言

毛爾蓋水電站位于四川阿壩藏族羌族自治州黑水縣境內黑水河中游紅巖鄉至俄石壩河段，是黑水河流域水電規劃二庫五級方案開發的第3梯級電站。該電站為大(2)型引水式單一發電工程。廠內安裝3臺混流式發電機組，單機引用流量72.90m3/s，單機容量140MW，總裝機容量420MW。

壓力鋼管材料為B610CF高強鋼。壓力鋼管由上平段、斜井段、下平段和岔支段組成，主管內徑7.0m，長約386m，支管內徑4.0m，長約156m。主管上平段長 72.3m，斜井段長(含上、下彎段)212.8m，與水平面呈55°夾角，下平段長99.5m，鋼管總重3 389t。

壓力鋼管岔管有2個，為1號岔管和2號岔管。1號岔管鋼板板厚60mm，肋板板厚120mm，進口接厚56mm主管，出口分別接岔支管和3號支管，岔管分叉角60°，公切球半徑362cm，重量約為180t;2號岔管鋼板板厚52mm，肋板板厚100mm，進口接岔支管，出口分別接1號支管和2號支管，岔管分叉角60°，公切球半徑327cm，重量約為130t。1號岔管和2號岔管分別由3個基本錐(A錐、B錐、C錐)和一個月牙肋組成。為了方便運輸以及安裝，岔管在制作場組焊接成5塊單元運輸到現場進行安裝，而A錐和B錐各預留一條環縫在現場進行焊接。

2 岔管振動時效消應

岔管在焊接過程中，由于受熱、冷、機械變形作用，在岔管內部將產生殘余應力，致使岔管處于不平穩狀態，降低岔管的尺寸穩定性和機械物理性能，使岔管在使用過程中產生應力變形和失效，尺寸精度得不到保證，因此岔管焊接完成后必須消除其內部的殘余應力。消除岔管殘余應力的方式主要有水壓試驗、熱時效、自然時效和振動時效。熱時效因岔管體積大施工現場不具備處理條件;自然時效的周期較長，一般需要半年或更長時間，而毛爾蓋壓力鋼管安裝完成后距投入使用僅兩個多月，采取自然時效時間無法保證;水壓試驗措施相對比較復雜，需要設計安裝悶頭、采取臨時鋼管加固措施且存在較大風險;振動時效處理具有周期短、效率高、無污染等特點。為此，毛爾蓋水電站消除岔管殘余應力最后采用振動時效的方式。

振動消除應力簡稱VSR(Vibratory Stress Relief)，它是利用一受控振動能量對金屬岔管進行處理，達到消除岔管殘余應力的目的。

振動時效消應的實質就是通過振動的形式施于岔管一個動應力，當振動應力與岔管內部的殘余應力疊加后，應力集中嚴重的部位達到材料的屈服極限時，便會使岔管產生宏觀或微觀的彈性塑性變形，從而使造成殘余應力的歪曲晶格被漸漸地恢復平衡狀態，晶粒內部的位錯逐漸滑移并重新纏繞釘扎，使得殘余應力得以消除和均化，以增加岔管的使用壽命。零件在振動處理后殘余應力通常可降低20%～30%，有時可達50% ～60%，同時也可使峰值應力降低，使應力分布均化。

2.1 振動時效系統

振動時效系統主要由主機、激振器、拾振器等組成(見圖1)。

圖1 振動時效系統工藝原理

各設備功能如下:

主機:控制激振器電機，識別、處理、顯示、打印參數;

激振器:強迫岔管振動并反饋給主機電機轉速或激振頻率;

拾振器:把振動響應如加速度等反饋到主機;

卡具:把激振器固定在岔管上;

膠墊:隔振、降噪。

2.2 振動時效方案

岔管振動時效處理設備選用的是濟南西格馬科技有限公司生產的SSIN80A先哲型真彩液晶振動時效系統。

在時效處理時，必須將岔管與支撐可靠隔離，使岔管保持自由狀態，防止振動能量傳入地面或洞壁。本電站采用的是將舊橡膠輪胎放置在岔管與支撐之間(見圖2)。

根據岔管的形態結構，估算其固有頻率，初步將岔管的激振點放置在月牙肋上，拾振點放置在焊縫上，支撐點、激振點、拾振點的布置見圖3。拾振點視其顯示波形及數據再作相應調整。

圖2 岔管支撐示意

圖3 岔管振動時效處理示意

2.3 振動時效消應的主要步驟

首先分析判斷出岔管在激振頻率范圍內的振型，選擇振動時效裝置;再進行岔管支撐、激振器和拾振器、應變片安裝布置;最后進行岔管的試振、主振，記錄振幅頻率曲線，分析振后效果。

2.3.1 振動時效消應前的準備工作

(1)先分析判斷岔管在激振頻率范圍內的振型，選擇振動時效裝置。裝置的最大激振頻率應大于岔管的最低固有頻率;裝置的激振力應能使岔管內產生的最大動應力為工作應力的1/3～2/3;裝置應具備自動掃頻、自動記錄掃頻曲線、指示振動加速度值和電機電流值的功能，穩速精度應達到±1 r/min。

(2)支撐岔管、裝卡激振器和拾振器。為了使岔管處于自由狀態，先在岔管底部澆筑6個混凝土支墩，然后把與岔管連接的支管、岔支管的支撐用點焊割開，再用6個30t千斤頂在混凝土基礎上支撐起岔管，最后用舊橡膠輪胎將岔管與鋼支撐隔開，形成6個彈性的鞍形支撐岔管。支撐位置盡量選在主振頻率的節線處或附近;激振器應剛性地固定在岔管的剛度較強或振幅較大處，固定處應平整;由于鋼岔管屬于特大岔管，在其振動響應薄弱的部位應進行補振。拾振器固裝在遠離激振器且振幅較大處。

岔管焊接殘余應力一般在C型節的環縫、月牙肋焊縫及A型節、B型節的環縫上。由于1號岔管是主岔管，管徑大、管壁厚，作為振動時效的重點對象，選擇了2個激振點。2號岔管由于相對較小，只選擇了1個激振點。

振動位置分別選取兩處激振點和兩處拾振點。第一種是激振點位于岔管內月牙肋下部，拾振點位于左側錐管左腰下位置;第二種是激振點位于岔管內主管位置，通過焊接上一個板凳狀裝置，將激振器固定于其上，拾振器位于右側錐管右腰下位置。

測點布置:根據標準要求，每個岔管的測點數不得少于5個，測點位置根據經驗選取，盡量選擇焊接應力可能較高的部位(如月牙肋組合焊縫、C型節的環縫、A型節的環縫和B型節的環縫)。

(3)應變片的布置。按照經驗，岔管應力較大的位置應在焊縫集中的部位，故分別在主管環縫、錐管環縫、支管環縫、正腰梁、斜腰梁、U形梁等部位各選擇一個點，進行打磨，貼上應變片，最后進行鉆孔。盲孔法鉆孔設備為ZDL－1型鉆孔儀，應變片為BE120－2CA－K型三向應變花，應變儀為YC－Ⅲ型應力測量儀，鉆孔直徑1.5mm，孔深2.0mm。

2.3.2 振動時效消應前的檢測

為判斷振動時效處理的效果，需要在振動前后分別進行探傷、應力測試、位置測試。

振動時效消應前首先對岔管進行了超聲波及TOFD無損檢測，焊縫沒有超過標準規定的縮孔、夾渣、裂紋及虛焊等缺陷，一次合格率達98%。再對岔管的殘余應力進行了測試，1號、2號岔管測試結果分別見表1、2。其中ε1表示沿焊縫方向的應變，ε3表示垂直于焊縫方向的應變，ε2表示與ε1、ε3成45°夾角方向的應變，σ1、σ2為最大、最小主應力，θ為主應力σ1與焊縫中心線逆時針方向的夾角。

表1 1號岔管振動時效前殘余應力測試數據

表2 2號岔管振動時效前殘余應力測試數據

2.3.3 振動時效消應的實施

2.3.3.1 岔管的試振

岔管存在縮孔、夾渣、裂紋、虛焊等嚴重缺陷的不允許試振。選擇激振器偏心檔位，應滿足使岔管產生較大振幅和裝置不過載的要求，必要時先用手動旋鈕尋找合適的偏心檔位。第一次掃頻，記錄岔管的振幅頻率曲線，測出各階共振頻率值、節線位置、波峰位置。必要時通過調整支撐點、激振點和拾振點的位置來激起較多的振型。測定1～3個共振峰大的頻率在共振時的動應力峰值的大小。選擇動應力大、頻率低的共振頻率作為主振頻率。

按主振頻率的振型調整支撐、拾振位置。

2.3.3.2 岔管的主振

在亞共振區內選擇與主振峰峰值的1/3～2/3所對應的頻率主振岔管。主振時裝置的偏心檔位應使岔管的動應力峰值達到工作應力的1/3～2/3，并使裝置的輸出功率不超過額定功率的80%。進行振前掃頻，記錄振前的振幅頻率曲線。

主振岔管，記錄振幅時間曲線。

起振后振幅時間曲線上的振幅上升，然后變平或上升后下降然后再變平，從變平開始穩定3～5min為振動截止時間，一般累計振動時間不超過40min。進行振后掃頻，記錄振幅頻率曲線。

可視岔管具體情況，適當調整支撐點、拾振點位置。

2.3.4 振動時效消應后的檢測

振動時效消應后，再次對岔管進行超聲波及TOFD無損檢測，對殘余應力進行測試。1號、2號岔管測試結果分別見表3、4。

表3 1號岔管振動時效后殘余應力測試數據

表4 2號岔管振動時效后殘余應力測試數據

2.3.5 消應結果及分析處理

從1號、2號岔管振動時效消應前后的無損檢測來看，未發現焊縫內部缺陷的擴散和表面裂紋。從岔管振動時效前后的應力對照來看(見表5)，應力降低點位最大為60.3%，最小的為－4.7%，1號、2號岔管應力降低平均值分別為35%、31.5%。

表5 岔管振動時效前后的應力對照及降低率 MPa

3 結 語

從岔管振動前后的焊縫外觀及內部質量的無損檢測和殘余應力降低率來看，1號岔管平均應力消除效果達到35%，2號岔管平均應力消除效果達到31.5%，均滿足JB/T5926－91《振動時效工藝參數選擇及技術要求》、JB/T10375－2002《焊接構件振動時效工藝參數選擇及技術要求》規范的相關要求(大于30%)。從水電站運行情況來看，目前首臺機組投運已穩定運行了近一年，壓力鋼管及岔管的運行情況正常良好，說明岔管振動消應取得了成功，為岔管的長期安全運行提供了可靠保證。