激光熔焊技術(shù)在海洋鉆井平臺齒輪修理上的應(yīng)用研究

黎劍波

(中海油田服務(wù)股份有限公司， 河北 廊坊 065201)

0 前言

第一代海洋鉆井平臺至今大多營運超過30年，在惡劣的海洋環(huán)境條件下，處于長期使用中的升降裝置，其零部件存在不同程度的磨損。如齒輪箱中的齒輪磨損、爬升齒輪與樁腿齒輪的磨損等損傷。圖1為典型的升降裝置齒輪損傷示意圖。

圖1 典型的升降裝置齒輪損傷示意圖

平臺升降傳動裝置是平臺的核心裝備［1］，也是大型成套裝備，1個平臺少則安裝36臺套，多則48或54臺套，造價昂貴，維修成本也高。傳統(tǒng)的焊接修補齒輪、齒條、軸座等由于焊接溫度的影響，使得被修理的部位出現(xiàn)各種性能退化，從而影響其使用功能。

激光再制造工程技術(shù)居當(dāng)代高新技術(shù)的前沿領(lǐng)域，利用激光熔敷金屬對鉆井平臺升降裝置齒輪、軸與軸座進(jìn)行修復(fù)是為突破傳統(tǒng)修理工藝遇到的技術(shù)難題而進(jìn)行的大膽嘗試，在國內(nèi)甚至國際上都是第一次。激光熔焊技術(shù)如果能解決當(dāng)前齒輪裂紋修理、齒輪齒面修復(fù)、齒輪軸損傷修復(fù)等目前鉆井平臺結(jié)構(gòu)和設(shè)備維護(hù)上的難點，將具有非常良好的經(jīng)濟(jì)效益。雖然激光熔焊技術(shù)在解決鉆井平臺結(jié)構(gòu)和設(shè)備的維護(hù)難題上具有廣闊的前景，但在實際工程應(yīng)用上并無成熟經(jīng)驗，因此以科學(xué)的態(tài)度、謹(jǐn)慎的工作逐步開展激光熔焊技術(shù)在海上鉆井平臺的修理應(yīng)用研究是十分必要的。

1 激光熔焊修理齒輪的理論基礎(chǔ)及檢測試驗方法［2－3］

激光熔焊技術(shù)是利用大功率激光發(fā)生器發(fā)射高能量激光束，利用激光束聚焦能量極高的特點瞬間將被加工零件表面微熔，同時使零件表面預(yù)置或與激光束同步自動送置的合金粉末和合金絲及板材完全熔化。激光束掃過后快速凝固，獲得與零件形成冶金結(jié)合的致密覆層，達(dá)到零件表面恢復(fù)幾何尺寸和表面強化等特點。激光熔焊技術(shù)解決了電弧焊、振動焊、氬弧焊等焊接方式及噴涂、鍍層等傳統(tǒng)修理方法無法解決的材料和工藝方法選用的局限性，比如工藝過程熱應(yīng)力、熱變形、熱疲勞損傷，產(chǎn)生裂紋、夾雜、孔洞等缺陷，又如材料晶體組織粗大、覆層與基體材料結(jié)合強度難以保證的難點。但是激光熔焊技術(shù)本身也有明顯的弱勢，比如，每個焊層的厚度都有限，隨著熔焊層厚度的增加，需要采取多層焊數(shù)量過大，這樣熔焊部分的各種性能就越來越難以保證，會出現(xiàn)未融合、分層的明顯缺陷。

由于海洋鉆井平臺齒輪的使用環(huán)境比較惡劣，其齒輪本身的力學(xué)性能和接觸應(yīng)力要求比較高，為保證修復(fù)后的齒輪具有不弱于原始齒輪的性能，需要對激光熔焊修理的部分進(jìn)行全套性能測試，檢驗激光熔焊技術(shù)在修理過程中的可靠性。同時，由于需要修復(fù)的齒輪有些部位磨損得比較深，最大甚至超過十幾毫米，已經(jīng)遠(yuǎn)超當(dāng)前成熟激光熔焊技術(shù)能達(dá)到的最大厚度 (約3～5 mm)，因此也需要通過深入的技術(shù)研究才能解決。

通過對需求和當(dāng)前技術(shù)現(xiàn)狀的分析，定下理論工藝準(zhǔn)備、原始性能測試、工廠試驗、試驗室性能檢測、第三方認(rèn)可、現(xiàn)場應(yīng)用相結(jié)合的研究路線，以便能對焊接手段和焊接技術(shù)進(jìn)行全面的試驗和檢測。

1.1 理論工藝準(zhǔn)備

由于齒輪是傳遞動力的機械零件，影響齒輪強度和壽命的因素有載荷因素 (載荷大小及作用時間的長短)、轉(zhuǎn)速、瞬時載荷和溫度、腐蝕、潤滑條件等。齒輪失效方式包括斷裂、齒面磨損、齒面點蝕、剝落和齒面塑性變形等。已經(jīng)損傷的升降齒輪樣件的損傷形貌顯示，齒面雙側(cè)均被損傷，磨損深度單側(cè)齒面約3～5 mm，在被磨損的齒面上殘留點蝕，齒根部殘留塑變痕跡，未被磨損部位齒面有腐蝕痕跡。根據(jù)升降齒輪受力狀態(tài)和失效形式，可以初步認(rèn)為屬于齒面疲勞損傷和齒面塑性變形損傷。產(chǎn)生的因素可分2種情況:①國外原件齒輪齒面硬度基本符合使用要求 (齒輪實物齒面硬度HRC38～41)，經(jīng)過長時間使用，受到海洋腐蝕影響，產(chǎn)生接觸疲勞點蝕，繼而在重載下不斷被磨損。當(dāng)表面硬化層被磨掉后，齒面產(chǎn)生壓迫塑性變形。②國產(chǎn)齒輪由于齒面表面硬度偏低而且不均勻(齒輪實物齒面硬度HRC22～38)，齒面耐磨性能不詳。在受到環(huán)境腐蝕和因齒條形被磨損造成間隙增大，轉(zhuǎn)動過程中受撞擊等因素，致使齒面早期被磨損。

依據(jù)上述分析，提高升降齒輪齒面耐接觸疲勞點蝕能力和耐磨損性能，是保障并提高齒輪使用壽命的關(guān)鍵因素。采用激光熔焊技術(shù)在失效齒輪齒面上增加一定厚度的耐磨損、耐腐蝕和優(yōu)于齒輪基體材質(zhì)強度的合金強化層，又在確保齒輪強度和齒面硬度的基礎(chǔ)上，顯著增強齒面抗接觸疲勞點蝕和耐磨損，防塑性變形能力，有效地提高齒輪周期使用壽命指標(biāo)。

1.2 測試方法和修理標(biāo)準(zhǔn)的確定

為了掌握原始齒輪的性能，從正在使用的升降裝置上選擇合適的齒輪，進(jìn)行了理化性能測試，獲得齒輪原始化學(xué)成分和機械性能，查閱國內(nèi)類似標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的性能要求作為修理檢驗的標(biāo)準(zhǔn)。針對升降齒輪失效的主要因素如斷齒、塑性變形、裂紋、疲勞點蝕等，試驗方案設(shè)計主要選擇更加接近實況模擬試驗的方法，加上常規(guī)拉伸、彎曲、沖擊試驗等方法，便能更準(zhǔn)確的反映齒輪修復(fù)后的效果。因此設(shè)計了7個試驗方案，包括:①圓柱形拉伸力學(xué)性能試驗;②結(jié)合力性能試驗;③硬度試驗;④彎曲試驗;⑤金相組織分析試驗;⑥沖擊試驗;⑦疲勞試驗。

1.3 試樣選擇

按照試驗方案設(shè)計思路，選擇原始齒輪材質(zhì)和經(jīng)激光熔焊修理后材質(zhì)2種材料試樣，進(jìn)行全面性能對比試驗。試樣的選取按中國船級社 (CCS)的《材料與焊接規(guī)范》［4］要求執(zhí)行。具體包括以下7個方面。

1)圓柱形拉伸力學(xué)性能試樣。原材質(zhì)和激光熔敷材料各3個，進(jìn)行激光熔焊與原材質(zhì)主要對比力學(xué)性能的變化。

2)結(jié)合力性能試樣。原材質(zhì)的拉伸試樣3件，從中間切斷，開坡口，使用激光熔敷技術(shù)焊接，焊接部位打磨至與原試樣直徑相同，在激光熔敷材料和原材料的邊界做上記號，不能在試樣上形成劃痕，做拉伸試驗。主要檢驗熔敷材料跟母材的結(jié)合以及熱影響區(qū)域的性能。

3)硬度檢測試驗。激光熔敷后材質(zhì)各3個，主要對比硬度的變化和金相組織分析，試件開坡口，作對接焊，測試原材料、熱影響區(qū)、熔焊材質(zhì)的硬度和金相，進(jìn)行對比。

4)彎曲試驗 (正彎和側(cè)彎)。原材質(zhì)和激光熔敷后材質(zhì)各3個，試件開坡口，作對接焊，主要檢驗熔敷材料與原材質(zhì)的結(jié)合強度。

5)金相組織分析試樣。原材質(zhì)和激光熔敷材質(zhì)各3個，激光熔敷材質(zhì)與母材結(jié)合部材質(zhì)3個，熔敷材質(zhì)厚度應(yīng)滿足齒輪最大缺陷處需求的厚度。

6)沖擊試驗。原材料和激光熔焊后材質(zhì)各3個，試件開坡口，作對接焊，沖擊試驗選取低溫沖擊溫度－40℃進(jìn)行試驗。

7)疲勞試驗 (接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力)。按齒輪的標(biāo)準(zhǔn)要求選取原材料和激光熔焊后材質(zhì)各3個，激光熔焊材質(zhì)厚度應(yīng)滿足齒輪最大缺陷處需求和厚度，一般按疲勞試件有效厚度的1/10～2/10進(jìn)行激光熔焊，疲勞試驗按接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力2種方法進(jìn)行試驗。

2 影響齒輪修理質(zhì)量關(guān)鍵因素

2.1 齒輪修理后的強度性能

從對原始齒輪的各種理化試驗結(jié)果可以看出，其齒輪材料的強度非常高，最高的屈服強度達(dá)到900 MPa，其斷后伸長率也達(dá)到12%以上。為了保證修理后的齒輪具有與原始齒輪一樣的強度，必須保證激光熔焊材料的強度性能達(dá)到原始齒輪材料的強度及相應(yīng)參數(shù)要求。而與其強度匹配的還有1個硬度性能要求，若其強度性能不合格且與硬度性能不匹配，則在使用過程中極易出現(xiàn)塑性變形甚至斷齒等失效情況。

2.2 齒輪修理后的疲勞性能

由于海洋鉆井平臺齒輪的使用工作狀況是超低轉(zhuǎn)速、超重載荷，其齒輪接觸面的抗疲勞性能是衡量一個齒輪修理效果的很重要因素。若疲勞性能不合格，則將在使用過程中存在薄皮、脫落等失效情況。

2.3 齒輪修理齒形保證及缺陷控制

由于齒輪修理后需要對齒形進(jìn)行恢復(fù)性修正或打磨，其修理后的缺陷控制和齒形尺寸是保證齒輪修復(fù)后正常使用的1個重要控制環(huán)節(jié)。如果齒形精度無法達(dá)到原始齒形精度等級，在裝配后運轉(zhuǎn)過程中則極易造成噪音過大、振動甚至異常磨損等情況。因此在修理前需對受損的齒輪進(jìn)行齒形測量，必須選取未受損部位作為尺度依據(jù)，對修復(fù)后的齒形進(jìn)行檢驗。在開展激光熔焊前采用機械鉗修方法，清理磨損齒面，去除磨損和腐蝕疲勞層、露出金屬光澤。采用無損探傷檢測手段檢查，保證徹底清除裂紋等缺陷。

3 技術(shù)難題及應(yīng)對措施

在進(jìn)行激光熔焊試驗過程中，遇到了幾個方面的重大技術(shù)難題，通過大量的技術(shù)與理論分析及不斷的調(diào)整激光熔焊工藝逐一進(jìn)行了解決。

3.1 激光熔焊材料選擇

首先根據(jù)原始齒輪的化學(xué)成分分析，對激光熔焊的焊材進(jìn)行選擇配比，然后在樣板上進(jìn)行熔焊，待樣板恢復(fù)到常溫后，送理化實驗室進(jìn)行按標(biāo)準(zhǔn)加工試樣，進(jìn)行各種性能測試。通過多次激光熔焊試驗，不斷調(diào)整焊材成分，以達(dá)到各種指標(biāo)都能滿足原始齒輪的性能要求。

3.2 強度性能與沖擊性能的匹配

在不斷的激光熔焊試樣的理化性能測試中，經(jīng)常出現(xiàn)強度性能與沖擊性能不匹配的情況。有時候強度滿足原始齒輪性能要求，但是低溫沖擊韌性則無法達(dá)到原始齒輪性能要求。而在經(jīng)過多次對激光熔焊材料成分以及施工工藝調(diào)整后，才能在二者之間獲取一個平衡。表1是激光熔焊技術(shù)需達(dá)到的性能要求。

表1 激光熔焊技術(shù)需達(dá)到的性能要求

3.3 激光熔焊厚度的突破

由于原始齒輪磨損及裂紋缺陷，在打磨去除后其損失的厚度達(dá)到15 mm以上，這就要求激光熔焊技術(shù)能在原始齒輪母材上堆焊厚度達(dá)到17 mm以上。為了保證齒輪修理的可靠性，激光熔焊樣板進(jìn)行了20 mm熔焊厚度的試驗，這就帶來了非常巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。熔焊厚度5 mm的樣板試驗性能一次性成功，而熔焊20 mm厚度樣板試驗性能則出現(xiàn)多個不合格參數(shù)。其中最難處理的是側(cè)彎斷裂，這個技術(shù)難題即使多次調(diào)整激光熔焊材料成分、施工工藝、激光參數(shù)等措施均無法解決。最后對各種影響因素進(jìn)行了深入分析后，認(rèn)為最關(guān)鍵的影響缺陷是部分灑落在焊道兩側(cè)的熔焊材料由于無法被激光覆蓋，從而產(chǎn)生不間斷的未融合缺陷。因此采取了全新的激光熔焊設(shè)備、調(diào)整了焊接坡口角度、結(jié)合最優(yōu)的焊接材料和工藝順序，才成功解決這個問題。圖2和圖3是試驗過程中側(cè)彎情況照片。

圖2 側(cè)彎斷裂照片

圖3 側(cè)彎合格照片

3.4 實際應(yīng)用驗證

在各種試驗測試都合格后，選擇了一批損傷的齒輪進(jìn)行修理，并在海洋鉆井平臺上進(jìn)行了實際應(yīng)用。圖4為修復(fù)前的齒輪，齒面有明顯塑性變形;圖5為修復(fù)后的齒輪。

圖4 修復(fù)前齒輪

圖5 修復(fù)后齒輪

在某鉆井平臺升降裝置齒輪修復(fù)回裝后的實際使用檢驗發(fā)現(xiàn)，修理后的升降裝置運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，修理前的異響已經(jīng)消失，其電機功率也明顯下降，證明齒輪激光熔焊修復(fù)是成功的;而在進(jìn)行了幾次運轉(zhuǎn)后的復(fù)查顯示齒輪并無明顯損傷，顯示激光熔焊技術(shù)修復(fù)的齒輪性能還是可靠的。

4 結(jié)論

在國內(nèi)市場上，再制造工程技術(shù)和激光熔焊技術(shù)等高科技技術(shù)在各種傳動件上的有效應(yīng)用，使得大量易磨損和疲勞零部件恢復(fù)了原有的性能技術(shù)指標(biāo)。

針對海洋鉆井平臺超低速、超重載的齒輪，在齒形和性能方面的要求都比常規(guī)齒輪高很多，本文利用檢測、試驗、實際工程應(yīng)用等手段，通過齒輪修理過程研究及各種性能試驗，并通過實際工程應(yīng)用來驗證，使用激光熔焊技術(shù)對海洋鉆井平臺齒輪的進(jìn)行修復(fù)的思路是可行的，其技術(shù)是可靠的。因此，激光熔焊技術(shù)對海洋鉆井平臺齒輪修理方面的應(yīng)用具有較好的推廣前景，有利于提高海洋鉆井平臺升降裝置保養(yǎng)維修方面技術(shù)水平，可以有序地展開針對性修理措施，延長升降裝置的安全使用壽命，為海洋石油鉆井平臺的齒條、齒輪升降裝置系統(tǒng)的修復(fù)打開一條低成本之路，同時也符合當(dāng)前工程實踐上的節(jié)能減排的需要。

［1］中國船級社.海上移動平臺入級與建造規(guī)范 ［M］.人民交通出版社，2005.

［2］李偉翊.激光熔敷技術(shù)與進(jìn)展 ［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2008，22(3).

［3］袁慶龍.激光熔敷技術(shù)進(jìn)展研究 ［J］.材料導(dǎo)報，2010，24(2).

［4］中國船級社.材料與焊接規(guī)范 ［M］.人民交通出版社，2009.