电站闸门消除应力方法

某电站闸门为单阀式高压平面滑动闸门，门叶整体尺寸为4800mm*4950mm*980mm，总重36t。为便于安装及运输，闸门在设计时分2节制造，最大单节尺寸为4800*2630mm*980mm，为提高闸门在高水压负荷下的强度及防止闸门焊后应力分布不均匀而影响闸门尺寸稳定性，设计要求闸门在拼装焊接完成后进行消除应力处理。本文以某水电站闸门消除应力方法为例，探讨局部退火与振动时效复合消除应力方法在闸门整体消应力中的应用。

闸门消除应力处理

以往常用的消除应力方法是退火消应力方法，但由于闸门外形尺寸大，难于进行整体退火，只有对闸门主要受力的Ⅰ、Ⅱ类焊缝进行局部退火处理。对闸门进行局部退火前，先仔细分析闸门哪些部位焊接量大，且产生的应力将对闸门产生较大的影响，对于这些部位要作为局部退火的重点。如果条件允许，尽可能先将这部位单独拼装焊接成一个零部件，消除应力并校正变形后再与闸门进行整体拼装，这样能最大程度地减少焊接应力在闸门内的聚集。

闸门共有6根长4392mm的T字形主梁，主梁后翼缘为48mm厚钢板，前翼缘直接与面板焊接，T字形主梁腹板与后翼缘的焊接量约占闸门整体焊接量的18%，并且这些焊缝主要集中在闸门的背水面，若在闸门拼装完成后再进行整体焊接，这部分应力将全部聚集在闸门内难以释放，故闸门制造时先将T字形主梁焊接成单个构件，消除应力并校正变形后再与闸门进行整体拼装，从而达到减少闸门内部焊接应力总量的目的。

闸门局部退火消应力主要采用履带式电加热板，将其紧紧固定在要进行退火的焊缝上，同时合理布置温度探头位置，连接温度控制设备后按退火工艺进行退火。由于闸门为箱型结构，止水面与背水面两侧都有大量焊缝需要退火处理。闸门在平放状态下，难以将履带式电加热板同时固定在止水面与背水面两侧，只能采取先止水面后背水面的顺序进行局部退火。局部退火虽然能一次性消除焊缝内80%-100%的应力，使闸门的钢材在“回复”阶段物理性能得以恢复，但同时局部退火区域的显微组织不可避免地发生再结晶、晶粒持续长大等现象。这就导致钢材局部退火区域的强度、塑性、晶粒大小与整体不一致，从而在闸门局部退火区域的四周产生新的二次应力。由于这种二次应力不会在焊缝内聚集，且其远小于焊接应力，因此不会对钢结构的整体强度产生较大影响，但是，如果这种应力大量集中在闸门的某个区域或单侧将影响到闸门尺寸稳定性。

对于这种二次应力需要有一种既能将其消除或降低峰值但同时不改变闸门材料显微结构的方法。目前常用的消应力方法主要有热时效、振动时效、自然时效。其中振动时效和自然时效不改变闸门材料的显微结构，但由于自然时效耗时长，影响生产成本，不适合生产企业使用。振动时效耗能少、时间短、并且不会改变闸门材料显微结构，符合消除闸门二次应力又不改变材料显微结构的要求。

闸门振动时效前，先根据闸门的质量、结构特点、整体尺寸等因素，初步确定振动频率、振动幅值、激振力大小、激振点、支撑点、拾振点等参数。振动频率的确定主要通过振动时效设备的自动扫频功能，测出闸门在一定频率范围内不同振型的数个共振频率，在测出的共振频率中选择一个在设备最佳负载范围内的频率作为主振频率。选择激振力首先要考虑激起的动应力方向应与闸门主要二次应力方向相同或相近，以便动应力σ_d与二次应力σ叠加，且σ_d+σ≥σ_a（材料屈服强度极限），使闸门的二次应力分布区域产生少量的塑性变形，从而降低应力峰值及均化，考虑到闸门主要消除的是局部退火产生的二次应力，由于这部分应力相对较小，所以施加给闸门的最佳动应力不应超过0.07KN/mm²。闸门主体结构为箱形，整体刚度较大且不存在明显强度降低的部位，因此，激振点设置在止水面上的主梁与纵梁相交处且相对正中的位置，可使闸门整体均匀且动应力与二次应力方向相同。拾振点选在主振频率的波峰位置并可能靠近闸门振幅衰减较大的边缘处，为避免闸门在振动时效过程中产生过大的振动，应将支撑点选在波节处。闸门在振动时效消除应力工艺过程中由于包辛格效应，使得闸门在经一定时间振动时效循环后，闸门材料的当量屈服强度开始上升，直到与所受的应力相等，工件内部不再产生新的塑性变形。此时，塑性变形变成弹性变形，工件的弹性性能得到强化，闸门的几何尺寸趋于稳定。

结语

电站闸门经过了局部退火和振动时效两种消应力方法的综合处理，采用盲孔法对消除应力部分闸门进行残余应力检测，主要受力焊缝的应力消除程度在80%-90%，二次应力消除程度在40%-60%，达到与整体退火消应力相等的效果。局部退火与振动时效相结合的复合消应力方法具有高效、节能、不改变闸门整体母材显微结构及物理性能等众多优点，具有很高的实用及推广价值。