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邱姑言

再生器焊縫振動(dòng)時(shí)效消除均化殘余應(yīng)力的應(yīng)用

摘要　重油催化裝置再生器器壁焊縫附近多處出現(xiàn)貫穿性裂紋，其成因?yàn)閼?yīng)力腐蝕開(kāi)裂。通過(guò)振動(dòng)時(shí)效處理以降低焊縫殘余應(yīng)力，可避免應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的產(chǎn)生。因容器質(zhì)大體高，采用4點(diǎn)振動(dòng)，加大主振力，減小附振力，延長(zhǎng)振動(dòng)時(shí)間的處理工藝。測(cè)試表明，新焊縫無(wú)論在垂直方向還是在平行方向的殘余應(yīng)力均降低了50%以上。大型工件采用振動(dòng)時(shí)效處理降低焊縫殘余應(yīng)力效果顯著，并可大大縮短檢修工期。一年多以來(lái)設(shè)備運(yùn)行正常。
　　主題詞　振動(dòng)時(shí)效　再生器　焊縫　殘余應(yīng)力　
　大慶石油化工總廠煉油廠重油催化裝置再生器經(jīng)過(guò)5年多的運(yùn)行，容器器壁焊縫附近多處出現(xiàn)貫穿性裂紋。經(jīng)分析和論證其成因?yàn)閼?yīng)力腐蝕開(kāi)裂。在應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂產(chǎn)生的3個(gè)因素即操作介質(zhì)、操作溫度和應(yīng)力中，只要控制其中一個(gè)，就不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋。根據(jù)再生器運(yùn)行情況，采用降低焊接殘余應(yīng)力方法來(lái)避免應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的產(chǎn)生。若采用常規(guī)電加熱熱處理方法，熱處理溫度很難控制在工藝要求范圍內(nèi)，同時(shí)又受工期限制。為此對(duì)再生器焊縫裂紋采取先挖補(bǔ)焊接消除其原有裂紋，然后再進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，便可降低焊縫殘余應(yīng)力。采用這種方法可降低或均化焊件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，減少焊件變形，防止或減少由于熱處理和焊接產(chǎn)生的微觀裂紋，效果顯著。
振動(dòng)時(shí)效機(jī)理
　　振動(dòng)消除應(yīng)力實(shí)際上是利用周期性的動(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)時(shí)效處理時(shí)，通過(guò)激振器對(duì)被處理金屬工件施加一個(gè)交變應(yīng)力，如果交變應(yīng)力幅與被處理金屬工件上某些點(diǎn)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(méi)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，從而降低殘余應(yīng)力。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］。
　　國(guó)內(nèi)研究表明，采用振動(dòng)時(shí)效降低和均化了焊接殘余應(yīng)力，因而提高了構(gòu)件的抗應(yīng)力腐蝕能力［2］。
振動(dòng)時(shí)效處理工藝
　　該重油催化再生器質(zhì)量達(dá)800t以上，由于是現(xiàn)場(chǎng)檢修，整個(gè)塔身固定在地基上，而且設(shè)備高達(dá)50m，最大直徑達(dá)8m(不包括外側(cè)平臺(tái))，最小直徑也有5.2m，如圖1所示(圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為時(shí)效振動(dòng)儀振動(dòng)塊的位置)。這是目前我國(guó)振動(dòng)時(shí)效處理的最大設(shè)備，所以不能采用常規(guī)的振動(dòng)時(shí)效處理方法——用減震橡膠墊將工件與地面分開(kāi)，以減少振動(dòng)能量損失，而是采用多點(diǎn)(共分4點(diǎn))振動(dòng)(見(jiàn)圖1)，加大主振激振力，減小附振激振力，以及延長(zhǎng)振動(dòng)時(shí)間的方法，對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)處理。

圖1　再生器結(jié)構(gòu)及激振點(diǎn)位置示意圖

　　1.激振點(diǎn)的選擇
　　本次振動(dòng)時(shí)效選用TR—C智能型振動(dòng)時(shí)效儀，激振點(diǎn)選擇在工件易起振部位。對(duì)于長(zhǎng)形工件，一般選擇中間或兩端；對(duì)于小直徑的筒體工件來(lái)說(shuō)，只需在中間選一點(diǎn)。但該再生器最小直徑為5.2m，故選擇對(duì)稱三點(diǎn)，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ點(diǎn)；選擇Ⅳ點(diǎn)是為了保證更好地消除附近焊縫的殘余應(yīng)力，但在實(shí)際操作過(guò)程中選擇Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ點(diǎn)已能滿足振動(dòng)時(shí)效要求。所以，只在第Ⅳ點(diǎn)附近振動(dòng)了20min。
　　2.振動(dòng)頻率n振的選擇
　　振動(dòng)時(shí)效以主振n主為主，附振n附為輔。固有頻率n固振幅峰值的1/3～2/3處對(duì)應(yīng)的頻率為振動(dòng)頻率。實(shí)際操作時(shí)，選n振=n固-100。
　　3.工藝參數(shù)的選擇
　　Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三點(diǎn)的固有頻率接近，所以超聲波時(shí)效均采用相同的參數(shù)，見(jiàn)表1。Ⅳ點(diǎn)的振動(dòng)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1　Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ點(diǎn)振動(dòng)工藝參數(shù)

主振	主振頻率(r/min)	激振力(%)	振動(dòng)時(shí)間(min)
	3540	70	10
附振	附振頻率(r/min)	激振力(%)	振動(dòng)時(shí)間(min)
	5170	50	20

表2　Ⅳ點(diǎn)振動(dòng)工藝參數(shù)

附振頻率(r/min)	激振力(%)	振動(dòng)時(shí)間(min)
5280	50	20

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焊縫殘余應(yīng)力測(cè)試
　　用振動(dòng)時(shí)效法處理再生器修復(fù)焊縫后，再采用探頭式智能型殘余應(yīng)力測(cè)試儀對(duì)修復(fù)部位的新焊縫進(jìn)行測(cè)試。應(yīng)力測(cè)試分別在新焊縫振動(dòng)前、超聲沖擊振動(dòng)后進(jìn)行，振動(dòng)前與振動(dòng)后各取3組數(shù)據(jù)，并分別對(duì)其進(jìn)行歸納，得出振前后應(yīng)力變化曲線。兩組曲線對(duì)比后，得出新焊縫殘余應(yīng)力在振動(dòng)前后的應(yīng)力變化。超聲沖擊測(cè)試結(jié)果如圖2所示，圖中σx、σy分別為新焊縫橫向殘余應(yīng)力和縱向殘余應(yīng)力。

圖2　新焊縫振動(dòng)前和振動(dòng)后測(cè)試曲線

　　測(cè)試結(jié)果表明，超聲沖擊新焊縫無(wú)論是在垂直于焊縫方向還是在平行于焊縫方向的殘余應(yīng)力在振后都有減小，兩個(gè)方向上的殘余應(yīng)力減小范圍均在50%以上。
結(jié)論
　　(1)振動(dòng)時(shí)效處理降低了再生器焊縫殘余應(yīng)力，其減小范圍在50%以上，效果比較理想。
　　(2)對(duì)于大型工件采用振動(dòng)時(shí)效方法降低焊縫殘余應(yīng)力效果顯著，并大大縮短了檢修工期，該方法對(duì)于石油化工領(lǐng)域豪克能焊接應(yīng)力消除設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)維修具有普遍意義。
　　(3)一年多來(lái)，設(shè)備運(yùn)行正常，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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還應(yīng)該設(shè)進(jìn)去獎(jiǎng)，不應(yīng)該只有排名獎(jiǎng)。

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