振动处理技术在汽轮机生产中的应用
庄同信 王梅英 张小伍 李兴东 张远
 
(哈尔滨汽汽轮机厂有限责任公司设计研究中心研发室 黑龙江 哈尔滨 150046)
 
摘 要:振动消除残余应力是用机械方法调整残余应力的一种工艺,该工艺的主要特点是成本低,效率高,低能耗,生产周期短,清洁生产,低噪音,适用范围广而被广泛采用。本文介绍了该技术在汽轮机等部件中的应用情况。
 
关键词:振动时效技术 汽轮机部件 应用
 
1 前 言
    振动处理技术自70年代在我国引进以来,它不仅为越来越多的人们所接受,而且在机床、重型机械、工程机械、航空、冶金、化工等部门取得了可喜的成绩,为机械行业的发展起了越来越大的作用。振动处理技术不仅由于它的成本低、能耗低、效率高,而且更由于它的工艺简单、生产周期短、无污染的清洁生产,克服了某些热处理工艺所无法摆脱的表面氧化、脱碳等问题,从而祢补了自然时效和热时效的不足,因此,振动处理技术在国内外得到了广泛的应用。
    振动处理技术经过大量试验证明,可以使焊接残余应力,特别是分布极不均匀的焊接结构的尺寸,从而提高了构件精度的保持性,特别是对于铸件的处理效果较为明显。
    振动处理技术的原理,是以机械振动的方式将其动应力施加于构件上,当这种附加应力与构件内部的残余应力相叠加时,其总的应力达到或超过一定数值后,这时,在构件应力集中的地方,由于应力超过了材料的屈服强度而发生了微观和宏观的塑性变形,使残余应力的峰值降低,调整了构件残余应力的分布,从而达到了残余应力均化的目的。
    振动处理技术的机理,国内外学者从宏观的、微观的、力学的、材料的等不同的角度,用位错理论、弹性变形理论、塑性变形理论、内耗理论等等理论进行了大量的研究和试验表明,振动处理技术的实质是一个保存在材料中的弹性应变能通过局部的或微观的塑性变形逐渐加以释放的过程;若从微观结构来看,则与位错的亚结构及其组态的变化有关,通过增加晶格原子的振动能量,而使发生位错的晶格原子回到低位错状态,这和热处理是通过增加晶格原子的热动能,而使发生位错的晶格原子回到位能较低的少位错状态的机理十分相似;由振动时效技术引起的构件中残余应力的松弛,是构件内部微区塑变整体调整的结果;由于残余应力的存在表现为整体平衡的特点,当局部的残余应力峰值发生变化时,必将引起构件内部的残余应力的重新分布(均化);残余应力的降低与所加应力幅值有关,在合适的动应力
下时效,可以达到次载锻炼的目的,且不会造成疲劳损伤。
    总之,对振动处理技术这一客观事实的认识尽管有一定的局限和分歧,但从50年代起在国外工业发达国家的航天、航空工业、军工、汽车、机械工业中已经获得了广泛的应用。国内自从引进振动处理技术以来,不仅在各个领域中得到了广泛的应用,许多学者和科技工作者,在实际构件上对消除残余残余应力的能力,尺寸的稳定性、疲劳寿命等效果进行了大量的试验工作,都证明了这项工艺的可行性。振动时效也被誉为时效工艺的一次革命。
 
2 振动处理技术应用实例
 
    ⑴ 动平衡试验机真空室
    七十年代末从国外引进了当时亚洲最大的动平衡试验机,真空室在国内加工,真空室为长13米、直径 7米为分段卷制的焊接结构筒体,按工艺要求焊接后进行了振动处理,使用至今,仍然保持尺寸精度。
 
    ⑵ 电子束焊机真空室
    2001年从国外引进了大型电子束焊机,真空室在国内加工,该真空室为焊接结构,长7米、高6.3米、宽5米,重达110多吨,分为三部分即前、后室和大门进行振动处理,在主焊缝附近,采用西安交大和哈汽共同研制的磁应力分布测试仪测试了振动处理前后的残余应力,其中两条焊缝的测试结果见下表:
 
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A焊缝 测试位置 振动处理前的残余应力(Mpa)振动处理后的残余应力(Mpa)
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          1 (近焊缝处)   61.99                        -10.68
          2                59.82                        - 6.08
          3                33.84                        -15.52
          4                17.10                        - 8.93
          5                12.07                        - 2.42
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B焊缝 测试位置 振动处理前的残余应力(Mpa)振动处理后的残余应力(Mpa)
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          1 (近焊缝处)   70.20                         36.57
          2                53.27                         30.40
          3                24.85                         24.70
          4                17.14                          1.17
          5                 3.53                        - 9.04
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残余应力的消除率达50%以上。该真空室已经投产运行三年。
    ⑶ 环式隔板
    环式隔板是汽轮机本体的一个重要部件,它是用来固定导叶的部件,热能在导叶组成的汽道中被转换成动能,使汽轮机工作。环式隔板采用的是焊接结构,焊缝总长达几十米,为了消除焊接时产生的残余应力,一般要采用回火热处理的方式消除应力,与此同时还要进行喷砂工序清除回火带来的氧化皮。其次,隔板的本体和外环与其焊接其中的叶片是不同材料,因此,在热时效过程中由于两种材料不同,热膨胀系数也不同,会产生新的热应力。若采用振动处理技术代替热时效,不仅缩短了生产周期,减少了喷砂工序,降低了生产成本,还克服了热时效给构件带来的不良影响。
    按照对环式隔板热时效的检查标准,检查了30付环式隔板在实施振动时效工艺前后,内外环端面距的最大变化量为+3.1mm~-2.5mm之间,平均变化量为0.35mm。外环直径的式隔板最大变化量为±3mm,平均变化量为0.7mm,均未超过标准且优于热时效。
    此外,采用X射线应力仪检测了环式隔板焊缝附近的振动时效前后的应力变化,采用磁应力分布测试仪检测了内外焊缝附近环式隔板振动时效前后的应力分布变化,测试结果表明,振动时效后产生了明显的应力均化效果。
    目前,环式隔板的振动时效工艺已取代了热时效工艺工序处理了数百付环式隔板,节约生产成本数百万元。
 
   ⑷ 汽缸
汽缸的作用是将蒸气包容在汽缸中膨胀做功,缸内装有喷咀、隔板、汽封等,它们统称为静子。汽缸要承受上述零件的自重和管道的安装拉力,工作时的缸内外压差等其它作用力。由于工作条件的不同,汽缸又分为高压、中压、低压汽缸。
汽缸采用振动时效工艺,目前仅限于低压缸和补焊缸,因为,低压缸多为焊接结构,而补焊缸,往往是在精加工时发现了缺陷时才施补焊的,采用热时效消除补焊应力,若产生了变形就无法修复,采用振动时效工艺是最佳的选择。
    下面是采用振动时效工艺处理的空冷机组低压缸中部下半尺寸稳定性的检测结果:
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 时 间                测量点的变化量(mm)                     汽    缸
 间 隔   A     B     C     D     E     F     G     H     I     移动位置
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 3      +5     -2   -4    -5    +5    -3    -5    -0     0     焊接平台
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 4      +4    -10   -4    +2    +2    -4    -4    -5    -5     备焊场地
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 3      +4    -10   -4    +2    +2    -5    -4    -8    -3   喷砂处理前
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 1      +8    -8    -3    +1    +2    -4    -3    -10   +6   喷砂处理后
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 1      +7    -10   -4    +2    +2    -4    -3    -5     0     备焊场地
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 3      +7    -12   -6    +7    +2    -4    -3    -5    +3     修补焊缝
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 3      +7    -10   -3    +2    +1    -3    -3    -5    +5     翻身修补
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 3      +4    -10   -4    +1    +1    -5    -4    -5    -1     按装拉筋
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 3      +4    -10   -5     0    +3    -9    -3    -8    -2   转下道工序
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 24     +5/+8 -2/-12-4/-6 -5/+7 +1/+5 -3/-9 -3/-5 -0/-10-0/+6
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    通过以上测试结果可见,振动时效后重达26吨的汽缸,经过近十道工序的移动,其主要尺寸变化在±12mm左右,而控制标准不大于30mm。它优于热时效,热时效需用大型的热处理炉,热源一般采用煤气,往往会因为炉膛温度不均匀使汽缸产生新的变形;由于强度的降低,汽缸移动时会产生更大的变形;能耗大,也不利于清洁生产;成本高,生产周期较长。
   
⑸ 凝汽器的水室
 
    在汽轮机组的热力系统中,凝汽器是为了满足汽轮机热工循环的辅助设备。其作用是提高循环热效率,使排汽转变为凝结水,以便在循环中使用。冷却水是由进水室经冷却管组后再经出水室流出的,为此,要求凝汽器要有较好的严密性和尺寸稳定性。
    水室和水室的端盖均为焊接结构,重量由几吨到几十吨,由于结构较为复杂,故时效方式采用了频谱时效加标准时效的双重时效方式。经过振动时效处理的水室,有的在电厂已经工作三年多了。
    一般水室的体积较大,热时效需要较大的热处理炉,处理成本每件都在万元以上,再加上运输,处理周期等生产成本较高。而振动时效可在原加工场地就地施振后转下道工序,不仅生产周期很短,而处理成本极低。
 
⑹ 其它
 
    粗加工后的轴承箱、划线平台、桡性板、弹簧支架、垫箱、消噪声室、导弹运输箱等等。其重量由几百公斤到几十吨,根据构件的要求和结构,分别采用亚共振时效、标准时效、频谱时效。
   
3 结 语
 
    总之,通过对构件施加动载荷来调整其残余应力,有许多优点是不容置疑的。其技术效益和经济效益是十分可观的,特别是一些无法估量的效益。由于振动时效对构件的残余应力的均化作用,使构件的机体产生了一定的硬化作用,因此,即均化了应力又增加了构件的抗变形能力和相对尺寸稳定性。特别是汽轮机组工作在3000转下,而频谱时效的时效频率大都在此范围左右,可以认为是一种次载荷锻练的目的,尚可发现一些潜在的缺陷,是一举两得的事。
 
                              参考文献
 
   [1] VIBRATION NACH DEM VSR-VERFAHREN ZUR VERMINDERUNG DES EIGENSPAN-       NUNGSVERZUGS Dipl.Ing.A.RAPPEN[X]
 
   [2] 张定铨.何家文.材料中残余应力的X射线衍射分析和作用[M].西安.西安交通大学出版社.1999.38-44.
 
   [3] 中华人民共和国机械行业标准.振动时效工艺参数选择及技术要求.JB/T592       6-91.
 
   [4] 中华人民共和国机械行业标准.焊接构件振动时效工艺参数选择及技术要求.JB/T10375-2002
 
   [5] 庄同信.等.磁法检测应力仪的研制及应用[J].现代仪器.2002.5:21-25
   
   [6] 庄同信.等.残余应力测试技术在汽轮机生产和质量控制中的应用[J].理化检验.物理分册.2003.10:515-518
   
   [7] 庄同信.等.振动时效技术在环式隔板上的应用[J]机械工程师.2005.8.126-127

 

 

(2005年中国机械工程学会年会--时效技术在机械制造业的应用研讨会)


 

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