振動時效設(shè)備 振動時效儀在壓力容器上的應(yīng)用
【關(guān)鍵詞】壓力容器,振動時效,應(yīng)用,可行性
【論文摘要】介紹了振動時效調(diào)整殘余應(yīng)力的機理、在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r及振動法在壓力容器上的試驗與應(yīng)用,并對振動法在壓力容器上應(yīng)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(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,對焊后熱處理作了具體規(guī)定。振動處理技術(shù)(Vibratory Stress Relief Method, 簡稱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 振動時效設(shè)備 振動時效儀消除應(yīng)力機理
振動消除應(yīng)力實際上就是用周期的動應(yīng)力疊加, 使局部產(chǎn)生塑性變形而釋放應(yīng)力。振動處理時,通過激振器對被處理金屬構(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)件上某些點所存在的殘余應(yīng)力之和達(dá)到材料的屈服極限時, 這些點將產(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)力最大點上, 使這些點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 + σ殘 ＞σs時，就會降低或均化構(gòu)件內(nèi)的殘余應(yīng)力。式中σ動為施加在被處理件上的周期動應(yīng)力,σ殘為被處理件中的殘余應(yīng)力,σs為被處理件材料的屈服極限,單位均為MPa。 根據(jù)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(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 振動時效設(shè)備 振動時效儀發(fā)展?fàn)顩r
用振動法消除金屬構(gòu)件的殘余應(yīng)力技術(shù),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(lián)邦德國等又開始研究VSR的機理和應(yīng)用工藝。據(jù)統(tǒng)計,目前世界上正在使用的VSR系統(tǒng)已超過1萬臺,美國有700多個公司采用VSR工藝,前蘇聯(lián)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(gòu)件必須采用的標(biāo)準(zhǔn)工藝。除在一些大型機械的鑄造及焊接構(gòu)件上應(yīng)用VSR外,美、英等國在其它工業(yè)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(shè)備廠、印刷機械廠、泵制造廠、采油設(shè)備廠、發(fā)電廠和鍋爐廠等［1］。
我國在振動時效技術(shù)機理、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月該項技術(shù)得到機電部的肯定并予以推廣, 同時制定了機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 5926-91《機械振動時效技術(shù)參數(shù)》。1991年該項技術(shù)被新技術(shù)辦公室批準(zhǔn)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(yīng)用
3.1 振動時效設(shè)備 振動時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，振動時效對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時效要優(yōu)于熱處理［2～4］。 國內(nèi)的研究結(jié)果還證明，由于采用振動時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, 國內(nèi)一些廠家在壓力容器制造中就已采用機械法消除殘余應(yīng)力。如對多層高壓容器的厚壁筒節(jié)環(huán)焊縫進行焊接時,焊接工藝規(guī)定，每焊完一遍均要用風(fēng)把對焊縫進行振動敲擊,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，這些都是用機械法調(diào)整焊接殘余應(yīng)力的實例。
哈爾濱焊接研究所和沈陽蒸壓釜制造廠對生產(chǎn)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(qū)應(yīng)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(chǎn)的2 500 m3液堿罐, 做了振動時效處理,消除應(yīng)力30%左右,達(dá)到了設(shè)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(yīng)力 10%～29%,平均約為15%［8］。
3.2 振動時效設(shè)備 振動時效儀在壓力容器上的應(yīng)用試驗
雖然國內(nèi)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(shè)備, 國內(nèi)外壓力容器制造法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)中均有要進行熱處理的明確規(guī)定。筆者認(rèn)為,振動時效作為一項新技術(shù),要在壓力容器制造中代替成熟的熱處理工藝,必須通過試驗獲取大量的測試數(shù)據(jù),充分地證實其可行性,并通過技術(shù)鑒定,且經(jīng)逐步推廣和使用實踐,最后才能形成用于壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)�；谏鲜隹紤],大連鍋爐壓力容器檢驗研究所與大連理工大學(xué)早在1992 年就共同研制開發(fā)振動時效在壓力容器上的應(yīng)用,并于1993年初,首次對金州重型機器廠設(shè)計生產(chǎn)的3臺殘液罐進行了2種消除焊接應(yīng)力方法的對比試驗和測試。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,Di= 1 500 mm,δ=12 mm,圖樣要求焊后進行消除應(yīng)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(yīng)力，見表1。在對接焊縫的縱向和環(huán)向焊縫的焊趾處各選5個測點,其中1、3、5、7、9為應(yīng)力消除前測點,2、4、6、8、10為應(yīng)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(yīng)力。 采用振動時效消除應(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(jié)果合格。
表1 3臺殘液罐消除應(yīng)力情況
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產(chǎn)品編號 |
處理方法 |
處理工藝 |
殘余應(yīng)力平均值/MPa |
殘余應(yīng)力降 |
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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 |
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218-25-2 |
振動時效 |
一階,二階頻率 |
211.0 |
117.2 |
45.0 |
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焊接試板 218-25-2 |
振動時效 |
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210.0 |
116.0 |
45.0 |
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218-25-3 |
熱處理 |
θ=650 ℃，保溫 1 h |
212.0 |
119.8 |
43.5 |