石油钻机大型焊接件振动时效工艺研究

钻机制造过程中会有许多大型焊接件，如，井架片段、井架底座、机房底座等。由于工作环境条件恶劣，工件在工作过程中，多次出现基本尺寸发生变化、断裂裂纹等情况。开裂部位多发生在焊缝焊接处及热影响区，除材料本身特性及结构应力等原因外，我们认为工件基本尺寸发生变化，产生裂纹的主要原因是焊接应力产生的。为了消除焊接应力，就必须对这些工件进行时效处理。如果采用自然时效，需要数月甚至几年的时间才能完成，产品生产周期特别长；如果采用热时效，则建热时效炉投资巨大，并且要消耗大量能源。因此，决定采用振动时效方法对大型焊接件进行消除残余应力，本文主要对振动时效工艺参数进行了研究。

振动时效工艺研究

正确选择工艺参数才能获得良好的时效效果，下面针对公司生产的40LDb型石油钻机大型焊接件-井架下座的振动时效工艺参数进行研究。

支撑点、激振点、拾振点的选择

一般来说，支撑点、激振点、拾振点的位置应根据工件的几何形状选择，支撑点应选在波节处，激振点和拾振点应选在波峰处。

W型石油钻机井架下座长9265mm，宽2400mm，高1425mm，长与宽之比等于3.86大于3，长与高之比等于6.5大于5，即可认为该工件是梁型，其振动为弯曲振型。因此，橡胶垫四点应支撑在距两端2/9处，即2060mm处，激振器应用弓形卡栏固定于井架下座的中间一侧，加速度计用永磁铁固定在井架下座原理激振器的一个角上。

激振频率测定

激振频率应选择在共振峰的前沿，即接近共振峰的压共振区内，这样可以避免工件的硬化、软化和疲劳损坏，并且振动效果稳定。启动激振器，使它从起始转速自动升速，测绘振幅-频率特性曲线。从曲线上可以看出有两个共振频率，一个是3520转/分，加速度值为2.6g，另一个是5900转/分，加速度值为2.8g。因为两个共振频率的加速度幅值相差不大，我们根据噪音低，防止设备高负荷运转两个方面的原因，选择第一个共振频率，为了保证在亚共振区内进行激振，我们选择3515转/分为激振频率。

激振力的调整

改变激振力的大小，是通过改变激振器的偏心距来实现的。也就是说，通过改变激振器的偏心档位来实现。经过反复试验，我们发现将激振器的偏心档位设置在第四档井架下座能获得zui为理想的振动时效处理效果。

激振时间的确定

实际工作中，应根据被振工件的尺寸、形状、材质、重量，并且配合检查工件尺寸稳定性，通过多次试验才能找出zui佳振动时效处理时间。

在对井架下座振动时效处理的过程中，我们测绘了振幅-时间曲线，从图中我们可以看出，振动时效前5分钟残余应力变化zui快，15分钟以后趋于稳定。因此，我们确定对井架下座的处理时间为20分钟。

振动时效效果评定

曲线判断法

振动处理过程中，从振幅-时间曲线和振前、振后振幅-频率曲线变化来检测，凡出现下列情况之一时，即可判定为达到振动时效工艺效果。

A、振幅-时间曲线上升后变平；

B、振幅-时间曲线上升后下降然后变平；

C、振幅-频率曲线振后的比振前的峰值升高；

D、振幅-频率曲线振后的比振前的峰值点左移；

E、振幅-频率曲线振后的比振前的带宽变窄。

如图所示：振动时效过程中测出的振幅-频率曲线，比较振前、振后扫描的两条曲线，发现第一个共振峰幅值由原来的2.6g增大到3.3g，波峰由原来的3520转/分左移到3515转/分，因此可以判定井架下座达到了振动时效工艺效果。

工件尺寸稳定性测量

近年来，我们采用比较法来研究分析，即对井架下座的几项主要精度测试项目，经振动时效后存放一段时间对精度保持情况做了测试比较，证明了振动时效后，底座的尺寸精度保持情况良好。

总结

振动时效是一项高效节能、工艺简单，具有显著经济效益和社会效益的新技术，它节约能源，减少环境污染、生产周期短、效率高，在很大范围内可以代替热时效，尤其在大型焊接件中，效果尤为显著，为我国节能、低碳、环保做出了贡献。