某電站閘門為單閥式高壓平面滑動(dòng)閘門，門葉整體尺寸為4800mm*4950mm*980mm，總重36t。為便于安裝及運(yùn)輸，閘門在設(shè)計(jì)時(shí)分2節(jié)制造，最大單節(jié)尺寸為4800*2630mm*980mm，為提高閘門在高水壓負(fù)荷下的強(qiáng)度及防止閘門焊后應(yīng)力分布不均勻而影響閘門尺寸穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)要求閘門在拼裝焊接完成后進(jìn)行消除應(yīng)力處理。本文以某水電站閘門消除應(yīng)力方法為例，探討局部退火與振動(dòng)時(shí)效復(fù)合消除應(yīng)力方法在閘門整體消應(yīng)力中的應(yīng)用。
閘門消除應(yīng)力處理
以往常用的消除應(yīng)力方法是退火消應(yīng)力方法，但由于閘門外形尺寸大，難于進(jìn)行整體退火，只有對(duì)閘門主要受力的Ⅰ、Ⅱ類焊縫進(jìn)行局部退火處理。對(duì)閘門進(jìn)行局部退火前，先仔細(xì)分析閘門哪些部位焊接量大，且產(chǎn)生的應(yīng)力將對(duì)閘門產(chǎn)生較大的影響，對(duì)于這些部位要作為局部退火的重點(diǎn)。如果條件允許，盡可能先將這部位單獨(dú)拼裝焊接成一個(gè)零部件，消除應(yīng)力并校正變形后再與閘門進(jìn)行整體拼裝，這樣能最大程度地減少焊接應(yīng)力在閘門內(nèi)的聚集。
閘門共有6根長(zhǎng)4392mm的T字形主梁，主梁后翼緣為48mm厚鋼板，前翼緣直接與面板焊接，T字形主梁腹板與后翼緣的焊接量約占閘門整體焊接量的18%，并且這些焊縫主要集中在閘門的背水面，若在閘門拼裝完成后再進(jìn)行整體焊接，這部分應(yīng)力將全部聚集在閘門內(nèi)難以釋放，故閘門制造時(shí)先將T字形主梁焊接成單個(gè)構(gòu)件，消除應(yīng)力并校正變形后再與閘門進(jìn)行整體拼裝，從而達(dá)到減少閘門內(nèi)部焊接應(yīng)力總量的目的。
閘門局部退火消應(yīng)力主要采用履帶式電加熱板，將其緊緊固定在要進(jìn)行退火的焊縫上，同時(shí)合理布置溫度探頭位置，連接溫度控制設(shè)備后按退火工藝進(jìn)行退火。由于閘門為箱型結(jié)構(gòu)，止水面與背水面兩側(cè)都有大量焊縫需要退火處理。閘門在平放狀態(tài)下，難以將履帶式電加熱板同時(shí)固定在止水面與背水面兩側(cè)，只能采取先止水面后背水面的順序進(jìn)行局部退火。局部退火雖然能一次性消除焊縫內(nèi)80%-100%的應(yīng)力，使閘門的鋼材在“回復(fù)”階段物理性能得以恢復(fù)，但同時(shí)局部退火區(qū)域的顯微組織不可避免地發(fā)生再結(jié)晶、晶粒持續(xù)長(zhǎng)大等現(xiàn)象。這就導(dǎo)致鋼材局部退火區(qū)域的強(qiáng)度、塑性、晶粒大小與整體不一致，從而在閘門局部退火區(qū)域的四周產(chǎn)生新的二次應(yīng)力。由于這種二次應(yīng)力不會(huì)在焊縫內(nèi)聚集，且其遠(yuǎn)小于焊接應(yīng)力，因此不會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，但是，如果這種應(yīng)力大量集中在閘門的某個(gè)區(qū)域或單側(cè)將影響到閘門尺寸穩(wěn)定性。
對(duì)于這種二次應(yīng)力需要有一種既能將其消除或降低峰值但同時(shí)不改變閘門材料顯微結(jié)構(gòu)的方法。目前常用的消應(yīng)力方法主要有熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效、自然時(shí)效。其中振動(dòng)時(shí)效和自然時(shí)效不改變閘門材料的顯微結(jié)構(gòu)，但由于自然時(shí)效耗時(shí)長(zhǎng)，影響生產(chǎn)成本，不適合生產(chǎn)企業(yè)使用。振動(dòng)時(shí)效耗能少、時(shí)間短、并且不會(huì)改變閘門材料顯微結(jié)構(gòu)，符合消除閘門二次應(yīng)力又不改變材料顯微結(jié)構(gòu)的要求。
閘門振動(dòng)時(shí)效前，先根據(jù)閘門的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、整體尺寸等因素，初步確定振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅值、激振力大小、激振點(diǎn)、支撐點(diǎn)、拾振點(diǎn)等參數(shù)。振動(dòng)頻率的確定主要通過(guò)振動(dòng)時(shí)效設(shè)備的自動(dòng)掃頻功能，測(cè)出閘門在一定頻率范圍內(nèi)不同振型的數(shù)個(gè)共振頻率，在測(cè)出的共振頻率中選擇一個(gè)在設(shè)備最佳負(fù)載范圍內(nèi)的頻率作為主振頻率。選擇激振力首先要考慮激起的動(dòng)應(yīng)力方向應(yīng)與閘門主要二次應(yīng)力方向相同或相近，以便動(dòng)應(yīng)力σd與二次應(yīng)力σ疊加，且σd+σ≥σa（材料屈服強(qiáng)度極限），使閘門的二次應(yīng)力分布區(qū)域產(chǎn)生少量的塑性變形，從而降低應(yīng)力峰值及均化，考慮到閘門主要消除的是局部退火產(chǎn)生的二次應(yīng)力，由于這部分應(yīng)力相對(duì)較小，所以施加給閘門的最佳動(dòng)應(yīng)力不應(yīng)超過(guò)0.07KN/mm2。閘門主體結(jié)構(gòu)為箱形，整體剛度較大且不存在明顯強(qiáng)度降低的部位，因此，激振點(diǎn)設(shè)置在止水面上的主梁與縱梁相交處且相對(duì)正中的位置，可使閘門整體均勻且動(dòng)應(yīng)力與二次應(yīng)力方向相同。拾振點(diǎn)選在主振頻率的波峰位置并可能靠近閘門振幅衰減較大的邊緣處，為避免閘門在振動(dòng)時(shí)效過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)，應(yīng)將支撐點(diǎn)選在波節(jié)處。閘門在振動(dòng)時(shí)效消除應(yīng)力工藝過(guò)程中由于包辛格效應(yīng)，使得閘門在經(jīng)一定時(shí)間振動(dòng)時(shí)效循環(huán)后，閘門材料的當(dāng)量屈服強(qiáng)度開始上升，直到與所受的應(yīng)力相等，工件內(nèi)部不再產(chǎn)生新的塑性變形。此時(shí)，塑性變形變成彈性變形，工件的彈性性能得到強(qiáng)化，閘門的幾何尺寸趨于穩(wěn)定。
結(jié)語(yǔ)
電站閘門經(jīng)過(guò)了局部退火和振動(dòng)時(shí)效兩種消應(yīng)力方法的綜合處理，采用盲孔法對(duì)消除應(yīng)力部分閘門進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)，主要受力焊縫的應(yīng)力消除程度在80%-90%，二次應(yīng)力消除程度在40%-60%，達(dá)到與整體退火消應(yīng)力相等的效果。局部退火與振動(dòng)時(shí)效相結(jié)合的復(fù)合消應(yīng)力方法具有高效、節(jié)能、不改變閘門整體母材顯微結(jié)構(gòu)及物理性能等眾多優(yōu)點(diǎn)，具有很高的實(shí)用及推廣價(jià)值。
