超臨界鍋爐冷水壁采用耐熱合金鋼，主體材料為15CrMoC、12Cr1MoVG、SA213-T23、7CrMoVIB10-10。連接方法采用埋弧焊，焊后存在較大殘余應(yīng)力。行業(yè)通常采用熱處理消除合金鋼管排的焊接殘余應(yīng)力。但熱處理工藝耗能大、污染大、周期長(zhǎng)、工藝變形大、且受爐膛尺寸限制等影響，因此需要其他方法進(jìn)行消除應(yīng)力。

本文采用振動(dòng)時(shí)效技術(shù)消除殘余應(yīng)力，對(duì)振動(dòng)時(shí)效前后和熱時(shí)效后分別測(cè)量焊接殘余應(yīng)力，通過(guò)與熱時(shí)效效果對(duì)比全面評(píng)估振動(dòng)時(shí)效工藝實(shí)用性。

振動(dòng)時(shí)效工藝及效果評(píng)定

試件介紹

選擇超臨界鍋爐水冷壁側(cè)墻灰斗螺旋管屏進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效試驗(yàn)，試驗(yàn)在3塊管屏上進(jìn)行，管屏編號(hào)分別為1、2和3號(hào)，管屏均由48根管子組成，管子節(jié)距為54mm，管屏材料由管子和扁鋼組成，管子材料為15CrMoG，規(guī)格Φ38.1mm*7.2mm，扁鋼材料為SA387-Gr12CL，規(guī)格Φ16.4mm*15.9mm。

振動(dòng)時(shí)效工藝

對(duì)3塊水冷壁管屏分別進(jìn)行了不同方案的振動(dòng)時(shí)效工藝：1號(hào)管屏支撐點(diǎn)4個(gè)，激振器安裝在水冷壁端部；2號(hào)管屏支撐點(diǎn)4個(gè)，激振器安裝在水冷壁中部；3號(hào)管屏支撐點(diǎn)7個(gè)，激振器安裝在水冷壁中部和端部，振動(dòng)2次。

振動(dòng)時(shí)效效果分析

從1號(hào)水冷壁管屏振動(dòng)時(shí)效前后的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)可以看出，振動(dòng)時(shí)效可以明顯的降低*大主應(yīng)力，增加最小主應(yīng)力。因此，1號(hào)水冷壁管屏采用的振動(dòng)時(shí)效工藝是可行的。

從2號(hào)水冷壁管屏振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)振動(dòng)時(shí)效，水冷壁中部的2-1號(hào)——2-4號(hào)4個(gè)點(diǎn)的*大主應(yīng)力降低，最小主應(yīng)力增加，振動(dòng)效果明顯；但水冷壁端部的2-5號(hào)——2-7號(hào)3個(gè)點(diǎn)的*大和最小主應(yīng)力都增加，振動(dòng)效果不佳。主要是因?yàn)?號(hào)水冷壁管屏較長(zhǎng)，采用4個(gè)橡膠墊支撐，整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛性較差。靠近激振器較近的中部，施加振動(dòng)后，動(dòng)應(yīng)力能夠很好的與殘余應(yīng)力進(jìn)行疊加，從而降低殘余應(yīng)力。但是離激振器較遠(yuǎn)的端部，由于剛性差，施加的動(dòng)應(yīng)力容易傳遞走，從而造成振動(dòng)效果差。

針對(duì)2號(hào)水冷壁管屏的振動(dòng)時(shí)效效果，進(jìn)行3號(hào)水冷壁管屏振動(dòng)時(shí)效時(shí)，采用7個(gè)支撐點(diǎn)，激振器安裝在水冷壁中部和端部，振動(dòng)2次。從3號(hào)水冷壁管屏振動(dòng)時(shí)效前后殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)可以看出，振動(dòng)時(shí)效可以明顯地降低*大主應(yīng)力，增加最小主應(yīng)力。因此，對(duì)于較長(zhǎng)的水冷壁，采用3號(hào)水冷壁管屏的振動(dòng)時(shí)效方案是可行。

振動(dòng)時(shí)效工藝與熱時(shí)效消除率對(duì)比

對(duì)1號(hào)水冷壁管屏，同時(shí)進(jìn)行了熱處理，熱處理工藝參數(shù)為（660-700）℃*1h；比較焊態(tài)、振動(dòng)時(shí)效及熱處理3種情況下的焊接殘余應(yīng)力。從3種狀態(tài)下的焊接殘余應(yīng)力比較可以看出，采用振動(dòng)時(shí)效和熱處理都可以明顯的降低*大主應(yīng)力。

綜合力學(xué)性能試驗(yàn)

為了評(píng)估振動(dòng)時(shí)效的可行性，比較了焊態(tài)、振動(dòng)時(shí)效和熱處理三種狀態(tài)下焊接接頭的側(cè)彎性能、微觀組織、顯微硬度和拉伸性能。

側(cè)彎試驗(yàn)

從3種狀態(tài)下焊接接頭的側(cè)彎性能的比較可以看出，3種狀態(tài)下的側(cè)彎性能都是合格的，即使彎曲角度達(dá)到180°，側(cè)彎性能也合格。因此，振動(dòng)時(shí)效后，焊接接頭的側(cè)彎性能滿足要求。

拉伸試驗(yàn)

試樣應(yīng)按照GB/T228加工成板狀拉伸試樣，并在試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，所有試樣的斷裂位置都是在母材上。從3種狀態(tài)下的力學(xué)性能比較可以看出，熱處理和振動(dòng)時(shí)效技術(shù)對(duì)材料的抗拉強(qiáng)度沒(méi)有影響，但對(duì)屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率有影響，振動(dòng)時(shí)效稍微地增加了材料的屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，熱處理可以顯著地提高材料的屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。

顯微硬度試驗(yàn)

焊縫和熱影響區(qū)的組織都是索氏體，從3種狀態(tài)下的顯微硬度比較可以看出，3種狀態(tài)下的*高顯微硬度出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)，焊態(tài)條件下顯微硬度*高，達(dá)到260HV。熱處理狀態(tài)的顯微硬度*低，在210HV以內(nèi)。而振動(dòng)時(shí)效可以降低焊接接頭的顯微硬度，*高值為246HV，*低值為195HV。振動(dòng)時(shí)效工藝滿足焊接接頭硬度的要求。

結(jié)論

1. 采用振動(dòng)時(shí)效工藝消除焊接水冷壁的焊接殘余應(yīng)力，可以明顯地降低*大主應(yīng)力，增加最小主應(yīng)力，減小了結(jié)構(gòu)的剪切應(yīng)力，使焊接殘余應(yīng)力分布更加均勻，結(jié)構(gòu)更加安全；可考慮采用振動(dòng)時(shí)效工藝代替熱時(shí)效消除1Cr-0.5Mo水冷壁管屏殘余應(yīng)力；

2. 對(duì)于較短水冷壁的振動(dòng)時(shí)效工藝，可以按照1號(hào)水冷壁管屏的振動(dòng)時(shí)效工藝進(jìn)行，對(duì)于較長(zhǎng)水冷壁的振動(dòng)時(shí)效工藝，可以按照3號(hào)水冷壁管屏的振動(dòng)時(shí)效工藝進(jìn)行；

3. 15CrMoG 水冷壁管屏采用振動(dòng)時(shí)效工藝，焊接接頭綜合力學(xué)性能和顯微硬度均滿足焊接工藝評(píng)定的要求。振動(dòng)時(shí)效工藝可以提高材料的屈服強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率，而對(duì)抗拉強(qiáng)度沒(méi)有影響；但是熱處理除了可以提高材料的屈服強(qiáng)度外，還對(duì)提高斷后伸長(zhǎng)率尤為顯著。

4. 振動(dòng)時(shí)效使被處理的工件產(chǎn)生亞共振，因此振動(dòng)時(shí)效時(shí)的噪聲較大，需要進(jìn)行適當(dāng)防護(hù)。