再生器焊缝振动时效消除均化残余应力的应用
摘要 重油催化装置再生器器壁焊缝附近多处出现贯穿性裂纹，其成因为应力腐蚀开裂。通过振动时效处理以降低焊缝残余应力，可避免应力腐蚀开裂的产生。因容器质大体高，采用4点振动，加大主振力，减小附振力，延长振动时间的处理工艺。测试表明，新焊缝无论在垂直方向还是在平行方向的残余应力均降低了50%以上。大型工件采用振动时效处理降低焊缝残余应力效果显著，并可大大缩短检修工期。一年多以来设备运行正常。
主题词 振动时效 再生器 焊缝 残余应力
大庆石油化工总厂炼油厂重油催化装置再生器经过5年多的运行，容器器壁焊缝附近多处出现贯穿性裂纹。经分析和论证其成因为应力腐蚀开裂。在应力腐蚀开裂产生的3个因素即操作介质、操作温度和应力中，只要控制其中一个，就不会产生应力腐蚀裂纹。根据再生器运行情况，采用降低焊接残余应力方法来避免应力腐蚀开裂的产生。若采用常规电加热热处理方法，热处理温度很难控制在工艺要求范围内，同时又受工期限制。为此对再生器焊缝裂纹采取先挖补焊接消除其原有裂纹，然后再进行振动时效处理，便可降低焊缝残余应力。采用这种方法可降低或均化焊件内部的残余应力，减少焊件变形，防止或减少由于热处理和焊接产生的微观裂纹，效果显著。
振动时效机理
振动消除应力实际上是利用周期性的动应力叠加，使局部产生塑性变形而释放应力。振动时效处理时，通过激振器对被处理金属工件施加一个交变应力，如果交变应力幅与被处理金属工件上某些点存在的残余应力之和达到材料的屈服极限时，这些点将产生晶格滑移。尽管宏观上没有达到屈服极限，但同样会产生微观塑性变形，而且这种塑性变形往往首先发生在残余应力最大点上，使这些点受约束的变形得以释放，从而降低残余应力。根据上述机理和大量实践表明，振动时效的一个突出特点是：高应力降低的比例大，特别是在应力集中处，残余应力降低较快［1］。
国内研究表明，采用振动时效降低和均化了焊接残余应力，因而提高了构件的抗应力腐蚀能力［2］。
振动时效处理工艺
该重油催化再生器质量达800t以上，由于是现场检修，整个塔身固定在地基上，而且设备高达50m，最大直径达8m(不包括外侧平台)，最小直径也有5.2m，如图1所示(图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为时效振动仪振动块的位置)。这是目前我国振动时效处理的最大设备，所以不能采用常规的振动时效处理方法——用减震橡胶垫将工件与地面分开，以减少振动能量损失，而是采用多点(共分4点)振动(见图1)，加大主振激振力，减小附振激振力，以及延长振动时间的方法，对其进行振动处理。
图1 再生器结构及激振点位置示意图 1.激振点的选择
本次振动时效选用TR—C智能型振动时效仪，激振点选择在工件易起振部位。对于长形工件，一般选择中间或两端；对于小直径的筒体工件来说，只需在中间选一点。但该再生器最小直径为5.2m，故选择对称三点，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ点；选择Ⅳ点是为了保证更好地消除附近焊缝的残余应力，但在实际操作过程中选择Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ点已能满足振动时效要求。所以，只在第Ⅳ点附近振动了20min。
2.振动频率n振的选择
振动时效以主振n主为主，附振n附为辅。固有频率n固振幅峰值的1/3～2/3处对应的频率为振动频率。实际操作时，选n振=n固-100。
3.工艺参数的选择
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三点的固有频率接近，所以超声波时效均采用相同的参数，见表1。Ⅳ点的振动参数见表2。
表1 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ点振动工艺参数
| 主振 | 主振频率(r/min) | 激振力(%) | 振动时间(min) | | 3540 | 70 | 10 | | 附振 | 附振频率(r/min) | 激振力(%) | 振动时间(min) | | 5170 | 50 | 20 |
表2 Ⅳ点振动工艺参数 | 附振频率(r/min) | 激振力(%) | 振动时间(min) | | 5280 | 50 | 20 |
[table][/table]焊缝残余应力测试
用振动时效法处理再生器修复焊缝后，再采用探头式智能型残余应力测试仪对修复部位的新焊缝进行测试。应力测试分别在新焊缝振动前、超声冲击振动后进行，振动前与振动后各取3组数据，并分别对其进行归纳，得出振前后应力变化曲线。两组曲线对比后，得出新焊缝残余应力在振动前后的应力变化。超声冲击测试结果如图2所示，图中σx、σy分别为新焊缝横向残余应力和纵向残余应力。
图2 新焊缝振动前和振动后测试曲线
测试结果表明，超声冲击新焊缝无论是在垂直于焊缝方向还是在平行于焊缝方向的残余应力在振后都有减小，两个方向上的残余应力减小范围均在50%以上。
结论
(1)振动时效处理降低了再生器焊缝残余应力，其减小范围在50%以上，效果比较理想。
(2)对于大型工件采用振动时效方法降低焊缝残余应力效果显著，并大大缩短了检修工期，该方法对于石油化工领域豪克能焊接应力消除设备现场维修具有普遍意义。
(3)一年多来，设备运行正常，各项技术指标均达到设计要求。
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发表于 2011-5-20 18:33:18
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