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振動(dòng)時(shí)效設(shè)備 振動(dòng)時(shí)效儀在壓力容器上的應(yīng)用

【關(guān)鍵詞】壓力容器,振動(dòng)時(shí)效,應(yīng)用,可行性

【論文摘要】介紹了振動(dòng)時(shí)效調(diào)整殘余應(yīng)力的機(jī)理、在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r及振動(dòng)法在壓力容器上的試驗(yàn)與應(yīng)用,并對(duì)振動(dòng)法在壓力容器上應(yīng)用的可行性與前景進(jìn)行了論述。

  在壓力容器制造過程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力(主要是焊接應(yīng)力), 這些殘余應(yīng)力的存在將影響壓力容器的疲勞壽命,增加產(chǎn)生脆性破壞的可能性,使抗應(yīng)力腐蝕的能力減小。為了消除這些不利的影響,進(jìn)行焊后熱處理,是壓力容器制造過程中質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)之一。因此,根據(jù)不同材質(zhì)、板厚及壓力容器盛裝介質(zhì)的使用性能要求,對(duì)焊后熱處理作了具體規(guī)定。振動(dòng)處理技術(shù)(Vibratory Stress Relief Method, 簡(jiǎn)稱VSR)是近20多年來出現(xiàn)的一種可代替熱處理的技術(shù),屬于機(jī)械作用法。 使用該方法可降低或均化金屬構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力,提高構(gòu)件使用強(qiáng)度,減少變形, 防止或減少由于熱處理和焊接產(chǎn)生的微觀裂紋。

1 振動(dòng)時(shí)效設(shè)備 振動(dòng)時(shí)效儀消除應(yīng)力機(jī)理

  振動(dòng)消除應(yīng)力實(shí)際上就是用周期的動(dòng)應(yīng)力疊加, 使局部產(chǎn)生塑性變形而釋放應(yīng)力。振動(dòng)處理時(shí),通過激振器對(duì)被處理金屬構(gòu)件施加一交變應(yīng)力,如果交變應(yīng)力幅與被處理的金屬構(gòu)件上某些點(diǎn)所存在的殘余應(yīng)力之和達(dá)到材料的屈服極限時(shí), 這些點(diǎn)將產(chǎn)生晶格滑移,盡管宏觀上沒有達(dá)到屈服極限,但同樣會(huì)產(chǎn)生微觀塑性變形, 而且這種塑性變形往往首先發(fā)生在殘余應(yīng)力最大點(diǎn)上, 使這些點(diǎn)受約束的變形得以釋放，從而降低了殘余應(yīng)力。亦即當(dāng)σ_動(dòng) + σ_殘 ＞σ_s時(shí)，就會(huì)降低或均化構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力。式中σ_動(dòng)為施加在被處理件上的周期動(dòng)應(yīng)力,σ_殘為被處理件中的殘余應(yīng)力,σ_s為被處理件材料的屈服極限,單位均為MPa。 根據(jù)上述機(jī)理和大量實(shí)踐,表明振動(dòng)時(shí)效的一個(gè)突出特點(diǎn)是:高應(yīng)力降低的比例大,特別是在應(yīng)力集中處,殘余應(yīng)力降低較快^［1］。

2 振動(dòng)時(shí)效設(shè)備 振動(dòng)時(shí)效儀發(fā)展?fàn)顩r

  用振動(dòng)法消除金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力技術(shù),1900年在美國(guó)就取得了專利。60 年代由于能源危機(jī),美國(guó)、英國(guó)、日本及前聯(lián)邦德國(guó)等又開始研究VSR的機(jī)理和應(yīng)用工藝。據(jù)統(tǒng)計(jì),目前世界上正在使用的VSR系統(tǒng)已超過1萬臺(tái),美國(guó)有700多個(gè)公司采用VSR工藝,前蘇聯(lián)和東歐一些國(guó)家也大量使用。許多國(guó)家已將VSR定為某些機(jī)械構(gòu)件必須采用的標(biāo)準(zhǔn)工藝。除在一些大型機(jī)械的鑄造及焊接構(gòu)件上應(yīng)用VSR外,美、英等國(guó)在其它工業(yè)部門也大量采用該方法,如造紙機(jī)械廠、船舶軸承廠、激光焊機(jī)廠、 齒輪箱制造廠、紡織機(jī)械廠、軋鋼設(shè)備廠、印刷機(jī)械廠、泵制造廠、采油設(shè)備廠、發(fā)電廠和鍋爐廠等^［1］。
  我國(guó)在振動(dòng)時(shí)效技術(shù)機(jī)理、工藝參數(shù)及設(shè)備等方面的研究均做了大量的工作, 取得了許多突破性的成果。1991年11月該項(xiàng)技術(shù)得到機(jī)電部的肯定并予以推廣, 同時(shí)制定了機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5926-91《機(jī)械振動(dòng)時(shí)效技術(shù)參數(shù)》。1991年該項(xiàng)技術(shù)被新技術(shù)辦公室批準(zhǔn)為國(guó)家重點(diǎn)推廣項(xiàng)目。1993年被國(guó)家科委列為"國(guó)家級(jí)科技成果重點(diǎn)推廣計(jì)劃"項(xiàng)目。

3 試驗(yàn)與應(yīng)用

3.1 振動(dòng)時(shí)效設(shè)備 振動(dòng)時(shí)效儀在壓力容器上的應(yīng)用

  大連理工大學(xué)的研究結(jié)果表明，振動(dòng)時(shí)效對(duì)金屬焊縫及熱影響區(qū)材料的力學(xué)性能基本沒有影響, 但因殘余應(yīng)力的降低和均化卻使焊縫材料的斷裂韌度和疲勞極限明顯提高。在疲勞極限的提高上振動(dòng)時(shí)效要優(yōu)于熱處理^［2～4］。 國(guó)內(nèi)的研究結(jié)果還證明，由于采用振動(dòng)時(shí)效降低和均化了焊接應(yīng)力,因此提高了構(gòu)件的抗應(yīng)力腐蝕能力^［5］。
  早在五六十年代, 國(guó)內(nèi)一些廠家在壓力容器制造中就已采用機(jī)械法消除殘余應(yīng)力。如對(duì)多層高壓容器的厚壁筒節(jié)環(huán)焊縫進(jìn)行焊接時(shí),焊接工藝規(guī)定，每焊完一遍均要用風(fēng)把對(duì)焊縫進(jìn)行振動(dòng)敲擊,以調(diào)整殘余應(yīng)力。在焊接工藝中,為了減少焊接裂紋,往往增加敲擊的內(nèi)容，這些都是用機(jī)械法調(diào)整焊接殘余應(yīng)力的實(shí)例。
  哈爾濱焊接研究所和沈陽蒸壓釜制造廠對(duì)生產(chǎn)的壓力容器蒸壓釜部件及整體采用振動(dòng)時(shí)效處理,消除焊縫區(qū)應(yīng)力40%以上^［6］。 濟(jì)南第一機(jī)床廠為山東齊魯石化公司儲(chǔ)運(yùn)廠生產(chǎn)的2 500 m³液堿罐, 做了振動(dòng)時(shí)效處理,消除應(yīng)力30%左右,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求^［7］。湖北省1臺(tái)200 m³液化石油氣球罐,安裝組焊后,采用振動(dòng)法消除焊接應(yīng)力 10%～29%,平均約為15%^［8］。

3.2 振動(dòng)時(shí)效設(shè)備 振動(dòng)時(shí)效儀在壓力容器上的應(yīng)用試驗(yàn)

  雖然國(guó)內(nèi)一些單位對(duì)壓力容器已有用振動(dòng)時(shí)效代替熱處理的實(shí)例, 但是由于壓力容器是有爆炸危險(xiǎn)的特種設(shè)備, 國(guó)內(nèi)外壓力容器制造法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)中均有要進(jìn)行熱處理的明確規(guī)定。筆者認(rèn)為,振動(dòng)時(shí)效作為一項(xiàng)新技術(shù),要在壓力容器制造中代替成熟的熱處理工藝,必須通過試驗(yàn)獲取大量的測(cè)試數(shù)據(jù),充分地證實(shí)其可行性,并通過技術(shù)鑒定,且經(jīng)逐步推廣和使用實(shí)踐,最后才能形成用于壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)�；�于上述考慮,大連鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究所與大連理工大學(xué)早在1992 年就共同研制開發(fā)振動(dòng)時(shí)效在壓力容器上的應(yīng)用,并于1993年初,首次對(duì)金州重型機(jī)器廠設(shè)計(jì)生產(chǎn)的3臺(tái)殘液罐進(jìn)行了2種消除焊接應(yīng)力方法的對(duì)比試驗(yàn)和測(cè)試。殘液罐技術(shù)參數(shù)：V=5 m³,p_設(shè)=1.8 MPa,主體材質(zhì)為16MnR,D_i= 1 500 mm,δ=12 mm,圖樣要求焊后進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。
  試驗(yàn)中用"盲孔法"測(cè)量了3臺(tái)殘液罐在處理前后的殘余應(yīng)力，見表1。在對(duì)接焊縫的縱向和環(huán)向焊縫的焊趾處各選5個(gè)測(cè)點(diǎn),其中1、3、5、7、9為應(yīng)力消除前測(cè)點(diǎn),2、4、6、8、10為應(yīng)力消除后測(cè)點(diǎn)(圖1)。也測(cè)試了一塊與容器一起進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理的焊接試板在處理前后的殘余應(yīng)力。 采用振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力處理的殘液罐,按照J(rèn)B 4708-92《鋼制壓力容器焊接工藝評(píng)定》要求做了焊接工藝評(píng)定, 評(píng)定試板在振動(dòng)前后均進(jìn)行磁粉探傷,未見異常，評(píng)定結(jié)果合格。

表1 3臺(tái)殘液罐消除應(yīng)力情況