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摘要：石油机械中许多设备、构件及零部件在生产和投入使用过程中，长期处于高温高压或阴凉潮湿并带有腐蚀原料、放射性物质等复杂恶劣的环境下，容易引起机械部件局部的应力变化、变形以及裂纹，尤其在遭受疲劳、外力冲击等工作状况下极易出现该问题，因此在制造过程中，需要经常采用时效技术释放冷、热加工所产生的残余应力。。针对制造过程的需求，本文引出了振动时效技术，并与传统的热时效和自然时效工艺进行对比，突出了振动时效工艺经济性、实用性强等优点，重点介绍该技术应用于石油机械制造领域的注意事项，对石油机械制造具有重大意义。
关键词：振动时效；残余应力；构件；石油机械
0 前言
残余应力是工件在焊接、铸造、挤压、机加工等制造加工过程中物体内部残留的分布不均匀应力，其存在易降低机械物理性能和工件尺寸的稳定性，从而使工件产生变形或裂痕。常用的残余应力消除技术有热时效和自然时效，随着振动理论、测试技术和激振设备的迅速发展，发现在工件的共振频率下进行振动，可以消除应力和稳定尺寸精度，因而引起了各国的关注[1]。
早在二十世纪五六十年代，美国就已开始应用振动时效技术对零部件残余应力进行处理，直到目前为止，美国有700多厂家投入使用，英国、德国等欧洲国家有300多个厂家应用振动时效[2]。我国对振动时效技术的研究虽起步较晚，但这些年发展较快并已迅速应用于生产实践中，但在石油机械制造中的应用较少。
1 振动时效技术机理
振动时效技术是一种通过机械振动来降低或消除残余应力的工艺，俗称“振动消除应力法”。其实质是激振器施加动应力至构件上，使其产生周期性振动，并经过数分钟至数十分钟的振动处理，从而改善构件的变形能力，提高尺寸精度的稳定性[3]。该机理可从宏观和微观两角度详细说明。
振动时效技术宏观上是指在动应力加载下，当工件本身的残余应力与外界应力之和超过工件自身的屈服极限即，其内部将会产生塑性变形，残余应力不断弱化，实验证明一般可降低，经过长时间的振动最终内部应力均匀分布，工件变形变得逐渐稳定。
（2）振动时效技术在微观上是指金属结晶体内部在外施周期性动应力情况下受到振动能量发生线缺陷或面缺陷，从而加快了畸变晶格恢复原位的速度，引起位错密度的增加，位错移动受阻，从而强化了基体，降低了构件的微观残余应力，提高了工件的抗变形能力及尺寸稳定性。
2 振动时效特点
为了达到去除残余应力的效果，常用的时效方法有自然时效、热处理时效和振动时效。自然时效通过自然界外力降低残余应力，但处理周期过长，一般至少几个月甚至一年，且处理效果很难达到预期效果，使用面积大，适宜小型批量工件。热处理时效需要采取诸多设备进行，成本太高，能量消耗大，处理不佳易导致工件过热而烧损，且对环境有污染大。目前振动时效之所以能逐渐的替代传统的处理方法，主要是由于其优越性，具体如下[4-5]：
（1）节能环保
随着人们的环保意识不断加强，国家已颁布了禁止燃烧炉窑、化工等大型污染厂运营的政策。而振动时效技术低电能消耗，有效数据显示功率不到1KW的激振器对150t吨以下的工件进行振动处理时，较热时效处理可节省能源的90%以上，且不对环境造成污染，符合国家节能减排的标准。
（2）效率效果好
该技术从开始到实施结束只需数十分钟，最多半天时间，防止了因加热控制不当而引起新变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷的问题发生，且相比传统时效技术可使工件的抗静载变形能力提高30%以上，抗动载变形能力提高1～3倍。
（3）适用性强
机械式激振设备质轻体积小、易于携带，不会因场地因素而无法使用，可以对不同大小、材质的构件进行振动时效处理，尤其适合大型、体重的构件；若在机械制造生产线上安装有该技术机械设备，不仅可提高生产效率，而且能达到残余应力消除的效果。
（4）造价低
采用传统的应力消除方法需要建造大型退火炉，对船舶、石油机械的大型焊接、铸造件时效处理则对设备投资要求也就越高，从而大大增加了造价成本，且耗费人力物力。振动时效技术可节省大量的费用，发展空间巨大。
3 振动时效原则
石油机械中的大型器件及铸造、焊接构件等具有质重、结构复杂、残余应力分布不均等特点，往往会产生其疲劳损坏、变形等弊端；如：工艺复杂的石油机械设备会导致在机械制造中额定频率远远超过其固有频率；油田联动机底座不进行振动处理会增加残余应力的负载且尺寸精度偏低[6]。因此在遵循相关的基本原则下必须对激振力、激振频率、激振时间三个重要参数进行选择。
（1）激振力
激振力是振动时效技术的技术参数，相当于在工件上附加动应力场，激振力过低就会很难消除残余应力，过高则易损坏工件。激振力的选择一般根据工件所承受的动应力值来衡量，其大小应为工件的疲劳载荷应力的1/2，即。
（2）激振频率
由功率谱可知，当激振频率处于工件第一阶固有频率上，才能获得较大的动应力，但在共振状态时容易使激振器损坏，若在第一阶固有频率和第二阶固有频率合理分配时间振动，可以收到更好的处理效果，因此一般在幅频特性的亚共振区范围内确定激振频率，或结合第二阶固有频率，这样可获得有效的振动又避免振动不稳定现象。
（3）激振时间
振动时效的应用实际上是将工件内部的应力从不稳定状态转变为相对稳定状态的动态过程，这就要求具有一定的振动时间保障，振动时间的长短相当于外加动力的次数，由“二次扫描分析法得工件质量与振动时间的对应关系，如表3-1所示
4 结论
振動时效技术在石油机械制造中应用较少且缺乏认知，本文通过与传统时效处理技术对比突出了振动时效技术应用在石油机械制造工艺中的优越性，尤其对石油机械中的大型铸造件及焊接件的残余应力消除具有明显的效果，同时又介绍了在石油机械制造过程中对振动时效技术关键参数的选择，只有这样才能更好的防止变形和开裂，提高器件的机械性能，取得技术和经济效益，也为振动时效技术能更有效地应用在石油机械制造中提供指导意见。
参考文献：
[1]张广英. 浅谈焊接构件的振动时效处理技术[J]. 冶金设备，2016，（02）：101-102.
[2]刘爱敏，韩衍昭. 振动时效技术的应用与发展[J]. 铸造技术，2016，（04）：834-836.
[3]覃敬，闫普选，黄天环，韩飞雪. 振动时效技术的应用与研究[J]. 热加工工艺，2013，（22）：9-12.
[4]王志，胡芳友，刘浩东. 振动技术在焊接领域的应用[J]. 电焊机，2016，（01）：102-107.
[5]赵新，李斌. 振动时效技术在石油机械制造中的应用[J]. 西南石油大学学报，2007，（03）：111-114.
[6]陈得民. 大型工件振动时效应用及残余应力测试[J]. 预应力技术，2014，（05）：27-30.
关键词：振动时效；残余应力；构件；石油机械
0 前言
残余应力是工件在焊接、铸造、挤压、机加工等制造加工过程中物体内部残留的分布不均匀应力，其存在易降低机械物理性能和工件尺寸的稳定性，从而使工件产生变形或裂痕。常用的残余应力消除技术有热时效和自然时效，随着振动理论、测试技术和激振设备的迅速发展，发现在工件的共振频率下进行振动，可以消除应力和稳定尺寸精度，因而引起了各国的关注[1]。
早在二十世纪五六十年代，美国就已开始应用振动时效技术对零部件残余应力进行处理，直到目前为止，美国有700多厂家投入使用，英国、德国等欧洲国家有300多个厂家应用振动时效[2]。我国对振动时效技术的研究虽起步较晚，但这些年发展较快并已迅速应用于生产实践中，但在石油机械制造中的应用较少。
1 振动时效技术机理
振动时效技术是一种通过机械振动来降低或消除残余应力的工艺，俗称“振动消除应力法”。其实质是激振器施加动应力至构件上，使其产生周期性振动，并经过数分钟至数十分钟的振动处理，从而改善构件的变形能力，提高尺寸精度的稳定性[3]。该机理可从宏观和微观两角度详细说明。
振动时效技术宏观上是指在动应力加载下，当工件本身的残余应力与外界应力之和超过工件自身的屈服极限即，其内部将会产生塑性变形，残余应力不断弱化，实验证明一般可降低，经过长时间的振动最终内部应力均匀分布，工件变形变得逐渐稳定。
（2）振动时效技术在微观上是指金属结晶体内部在外施周期性动应力情况下受到振动能量发生线缺陷或面缺陷，从而加快了畸变晶格恢复原位的速度，引起位错密度的增加，位错移动受阻，从而强化了基体，降低了构件的微观残余应力，提高了工件的抗变形能力及尺寸稳定性。
2 振动时效特点
为了达到去除残余应力的效果，常用的时效方法有自然时效、热处理时效和振动时效。自然时效通过自然界外力降低残余应力，但处理周期过长，一般至少几个月甚至一年，且处理效果很难达到预期效果，使用面积大，适宜小型批量工件。热处理时效需要采取诸多设备进行，成本太高，能量消耗大，处理不佳易导致工件过热而烧损，且对环境有污染大。目前振动时效之所以能逐渐的替代传统的处理方法，主要是由于其优越性，具体如下[4-5]：
（1）节能环保
随着人们的环保意识不断加强，国家已颁布了禁止燃烧炉窑、化工等大型污染厂运营的政策。而振动时效技术低电能消耗，有效数据显示功率不到1KW的激振器对150t吨以下的工件进行振动处理时，较热时效处理可节省能源的90%以上，且不对环境造成污染，符合国家节能减排的标准。
（2）效率效果好
该技术从开始到实施结束只需数十分钟，最多半天时间，防止了因加热控制不当而引起新变形、氧化、脱碳及硬度降低等缺陷的问题发生，且相比传统时效技术可使工件的抗静载变形能力提高30%以上，抗动载变形能力提高1～3倍。
（3）适用性强
机械式激振设备质轻体积小、易于携带，不会因场地因素而无法使用，可以对不同大小、材质的构件进行振动时效处理，尤其适合大型、体重的构件；若在机械制造生产线上安装有该技术机械设备，不仅可提高生产效率，而且能达到残余应力消除的效果。
（4）造价低
采用传统的应力消除方法需要建造大型退火炉，对船舶、石油机械的大型焊接、铸造件时效处理则对设备投资要求也就越高，从而大大增加了造价成本，且耗费人力物力。振动时效技术可节省大量的费用，发展空间巨大。
3 振动时效原则
石油机械中的大型器件及铸造、焊接构件等具有质重、结构复杂、残余应力分布不均等特点，往往会产生其疲劳损坏、变形等弊端；如：工艺复杂的石油机械设备会导致在机械制造中额定频率远远超过其固有频率；油田联动机底座不进行振动处理会增加残余应力的负载且尺寸精度偏低[6]。因此在遵循相关的基本原则下必须对激振力、激振频率、激振时间三个重要参数进行选择。
（1）激振力
激振力是振动时效技术的技术参数，相当于在工件上附加动应力场，激振力过低就会很难消除残余应力，过高则易损坏工件。激振力的选择一般根据工件所承受的动应力值来衡量，其大小应为工件的疲劳载荷应力的1/2，即。
（2）激振频率
由功率谱可知，当激振频率处于工件第一阶固有频率上，才能获得较大的动应力，但在共振状态时容易使激振器损坏，若在第一阶固有频率和第二阶固有频率合理分配时间振动，可以收到更好的处理效果，因此一般在幅频特性的亚共振区范围内确定激振频率，或结合第二阶固有频率，这样可获得有效的振动又避免振动不稳定现象。
（3）激振时间
振动时效的应用实际上是将工件内部的应力从不稳定状态转变为相对稳定状态的动态过程，这就要求具有一定的振动时间保障，振动时间的长短相当于外加动力的次数，由“二次扫描分析法得工件质量与振动时间的对应关系，如表3-1所示
4 结论
振動时效技术在石油机械制造中应用较少且缺乏认知，本文通过与传统时效处理技术对比突出了振动时效技术应用在石油机械制造工艺中的优越性，尤其对石油机械中的大型铸造件及焊接件的残余应力消除具有明显的效果，同时又介绍了在石油机械制造过程中对振动时效技术关键参数的选择，只有这样才能更好的防止变形和开裂，提高器件的机械性能，取得技术和经济效益，也为振动时效技术能更有效地应用在石油机械制造中提供指导意见。
参考文献：
[1]张广英. 浅谈焊接构件的振动时效处理技术[J]. 冶金设备，2016，（02）：101-102.
[2]刘爱敏，韩衍昭. 振动时效技术的应用与发展[J]. 铸造技术，2016，（04）：834-836.
[3]覃敬，闫普选，黄天环，韩飞雪. 振动时效技术的应用与研究[J]. 热加工工艺，2013，（22）：9-12.
[4]王志，胡芳友，刘浩东. 振动技术在焊接领域的应用[J]. 电焊机，2016，（01）：102-107.
[5]赵新，李斌. 振动时效技术在石油机械制造中的应用[J]. 西南石油大学学报，2007，（03）：111-114.
[6]陈得民. 大型工件振动时效应用及残余应力测试[J]. 预应力技术，2014，（05）：27-30.