振動時效設備 振動時效儀在壓力容器上的應用
【關鍵詞】壓力容器,振動時效,應用,可行性
【論文摘要】介紹了振動時效調整殘余應力的機理、在國內外的發展狀況及振動法在壓力容器上的試驗與應用,并對振動法在壓力容器上應用的可行性與前景進行了論述。
在壓力容器制造過程中會產生殘余應力(主要是焊接應力), 這些殘余應力的存在將影響壓力容器的疲勞壽命,增加產生脆性破壞的可能性,使抗應力腐蝕的能力減小。為了消除這些不利的影響,進行焊后熱處理,是壓力容器制造過程中質量控制的重要環節之一。因此,根據不同材質、板厚及壓力容器盛裝介質的使用性能要求,對焊后熱處理作了具體規定。振動處理技術(Vibratory Stress Relief Method, 簡稱VSR)是近20多年來出現的一種可代替熱處理的技術,屬于機械作用法。 使用該方法可降低或均化金屬構件內的殘余應力,提高構件使用強度,減少變形, 防止或減少由于熱處理和焊接產生的微觀裂紋。
1 振動時效設備 振動時效儀消除應力機理
振動消除應力實際上就是用周期的動應力疊加, 使局部產生塑性變形而釋放應力。振動處理時,通過激振器對被處理金屬構件施加一交變應力,如果交變應力幅與被處理的金屬構件上某些點所存在的殘余應力之和達到材料的屈服極限時, 這些點將產生晶格滑移,盡管宏觀上沒有達到屈服極限,但同樣會產生微觀塑性變形, 而且這種塑性變形往往首先發生在殘余應力最大點上, 使這些點受約束的變形得以釋放，從而降低了殘余應力。亦即當σ動 + σ殘 ＞σs時，就會降低或均化構件內的殘余應力。式中σ動為施加在被處理件上的周期動應力,σ殘為被處理件中的殘余應力,σs為被處理件材料的屈服極限,單位均為MPa。 根據上述機理和大量實踐,表明振動時效的一個突出特點是:高應力降低的比例大,特別是在應力集中處,殘余應力降低較快［1］。
2 振動時效設備 振動時效儀發展狀況
用振動法消除金屬構件的殘余應力技術,1900年在美國就取得了專利。60 年代由于能源危機,美國、英國、日本及前聯邦德國等又開始研究VSR的機理和應用工藝。據統計,目前世界上正在使用的VSR系統已超過1萬臺,美國有700多個公司采用VSR工藝,前蘇聯和東歐一些國家也大量使用。許多國家已將VSR定為某些機械構件必須采用的標準工藝。除在一些大型機械的鑄造及焊接構件上應用VSR外,美、英等國在其它工業部門也大量采用該方法,如造紙機械廠、船舶軸承廠、激光焊機廠、 齒輪箱制造廠、紡織機械廠、軋鋼設備廠、印刷機械廠、泵制造廠、采油設備廠、發電廠和鍋爐廠等［1］。
我國在振動時效技術機理、工藝參數及設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月該項技術得到機電部的肯定并予以推廣, 同時制定了機械行業標準JB/T 5926-91《機械振動時效技術參數》。1991年該項技術被新技術辦公室批準為國家重點推廣項目。1993年被國家科委列為"國家級科技成果重點推廣計劃"項目。
3 試驗與應用
3.1 振動時效設備 振動時效儀在壓力容器上的應用
大連理工大學的研究結果表明，振動時效對金屬焊縫及熱影響區材料的力學性能基本沒有影響, 但因殘余應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時效要優于熱處理［2～4］。 國內的研究結果還證明，由于采用振動時效降低和均化了焊接應力,因此提高了構件的抗應力腐蝕能力［5］。
早在五六十年代, 國內一些廠家在壓力容器制造中就已采用機械法消除殘余應力。如對多層高壓容器的厚壁筒節環焊縫進行焊接時,焊接工藝規定，每焊完一遍均要用風把對焊縫進行振動敲擊,以調整殘余應力。在焊接工藝中,為了減少焊接裂紋,往往增加敲擊的內容，這些都是用機械法調整焊接殘余應力的實例。
哈爾濱焊接研究所和沈陽蒸壓釜制造廠對生產的壓力容器蒸壓釜部件及整體采用振動時效處理,消除焊縫區應力40%以上［6］。 濟南第一機床廠為山東齊魯石化公司儲運廠生產的2 500 m3液堿罐, 做了振動時效處理,消除應力30%左右,達到了設計要求［7］。湖北省1臺200 m3液化石油氣球罐,安裝組焊后,采用振動法消除焊接應力 10%～29%,平均約為15%［8］。
3.2 振動時效設備 振動時效儀在壓力容器上的應用試驗
雖然國內一些單位對壓力容器已有用振動時效代替熱處理的實例, 但是由于壓力容器是有爆炸危險的特種設備, 國內外壓力容器制造法規和標準中均有要進行熱處理的明確規定。筆者認為,振動時效作為一項新技術,要在壓力容器制造中代替成熟的熱處理工藝,必須通過試驗獲取大量的測試數據,充分地證實其可行性,并通過技術鑒定,且經逐步推廣和使用實踐,最后才能形成用于壓力容器的標準。基于上述考慮,大連鍋爐壓力容器檢驗研究所與大連理工大學早在1992 年就共同研制開發振動時效在壓力容器上的應用,并于1993年初,首次對金州重型機器廠設計生產的3臺殘液罐進行了2種消除焊接應力方法的對比試驗和測試。殘液罐技術參數：V=5 m3,p設=1.8 MPa,主體材質為16MnR,Di= 1 500 mm,δ=12 mm,圖樣要求焊后進行消除應力熱處理。
試驗中用"盲孔法"測量了3臺殘液罐在處理前后的殘余應力，見表1。在對接焊縫的縱向和環向焊縫的焊趾處各選5個測點,其中1、3、5、7、9為應力消除前測點,2、4、6、8、10為應力消除后測點(圖1)。也測試了一塊與容器一起進行振動時效處理的焊接試板在處理前后的殘余應力。 采用振動時效消除應力處理的殘液罐,按照JB 4708-92《鋼制壓力容器焊接工藝評定》要求做了焊接工藝評定, 評定試板在振動前后均進行磁粉探傷,未見異常，評定結果合格。
表1 3臺殘液罐消除應力情況
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產品編號 |
處理方法 |
處理工藝 |
殘余應力平均值/MPa |
殘余應力降 |
|
|
處理前處理后 |
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218-25-1 |
振動時效 |
一階頻率(t=20 min) |
214.0 |
123.3 |
42.0 |
|
218-25-2 |
振動時效 |
一階,二階頻率 |
211.0 |
117.2 |
45.0 |
|
焊接試板 218-25-2 |
振動時效 |
|
210.0 |
116.0 |
45.0 |
|
218-25-3 |
熱處理 |
θ=650 ℃，保溫 1 h |
212.0 |
119.8 |
43.5 |