梁彥榮 王引珠 徐金
離心壓縮機(jī)葉輪焊接修復(fù)工藝
梁彥榮王引珠徐金
【摘要】介紹了某鋼廠用國(guó)外離心壓縮機(jī)葉輪的裂紋修復(fù)情況及具體修復(fù)過(guò)程,從修復(fù)成本和修復(fù)速度方面綜合考慮,最終確定采用電弧焊修復(fù)方案,利用公司現(xiàn)有的焊接評(píng)定編制焊接修復(fù)工藝并實(shí)施,快速完成了該葉輪的修復(fù)工作,用戶現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行一年后效果良好。
國(guó)內(nèi)某鋼廠特鋼生產(chǎn)線在設(shè)備檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子第一級(jí)葉輪有肉眼可見(jiàn)裂紋,由于葉輪為整個(gè)壓縮機(jī)設(shè)備中高速旋轉(zhuǎn)部件,在運(yùn)轉(zhuǎn)中承受著高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和振動(dòng)應(yīng)力作用,葉輪如出現(xiàn)裂紋會(huì)給機(jī)組的運(yùn)行安全造成很大的威脅。
此壓縮機(jī)轉(zhuǎn)子是由國(guó)外某公司生產(chǎn),用戶沒(méi)有備件轉(zhuǎn)子,如要恢復(fù)整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行,必須盡快對(duì)葉輪裂紋進(jìn)行修復(fù)。經(jīng)查,該機(jī)組轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速7 664r/min,葉輪最大線速度達(dá)300m/s,有裂紋的葉輪是采用國(guó)外牌號(hào)的高合金材質(zhì)焊接而成,由于在轉(zhuǎn)子上修復(fù),所以就要求制定修復(fù)方案時(shí)必須要保證焊縫強(qiáng)度,同時(shí)還要控制葉輪出口變形,這也給修復(fù)方案的制定提出了嚴(yán)格的要求。
(1)工件裂紋情況經(jīng)著色探傷檢查,葉輪有兩枚葉片出風(fēng)口處存在裂紋缺陷,如圖1所示。其中一枚葉片裂紋延伸至出風(fēng)口端面,初步判斷為穿透型裂紋,裂紋長(zhǎng)度為40mm。
(2)修復(fù)方案對(duì)比 為保證整個(gè)轉(zhuǎn)子的修復(fù)質(zhì)量,有效控制焊接變形,對(duì)轉(zhuǎn)子的裂紋提出了用激光熔敷和焊條電弧焊兩種修復(fù)方案。經(jīng)分析,如采用激光熔敷工藝,修復(fù)成本較高,為保證可靠性,需修復(fù)前對(duì)所采用的合金粉末修復(fù)工藝進(jìn)行研究和試驗(yàn),修復(fù)周期增加;如采用焊條電弧焊,補(bǔ)焊經(jīng)驗(yàn)豐富,修復(fù)費(fèi)用比較低,但修復(fù)過(guò)程中易產(chǎn)生飛濺、裂紋、氣孔等缺陷,采用焊條電弧焊接也容易導(dǎo)致葉輪出口產(chǎn)生變形,影響轉(zhuǎn)子的平衡和機(jī)組性能。
(3)葉輪裂紋修復(fù)工藝分析由于此轉(zhuǎn)子全為進(jìn)口部件,葉輪材料為X3CrNiMo13-4,葉輪母材化學(xué)成分如表1所示,通過(guò)對(duì)各國(guó)常用標(biāo)準(zhǔn)及葉輪材料成分進(jìn)行比對(duì),X3CrNiMo13—4等同于ASTM 標(biāo)準(zhǔn)中的S41500。這種Cr-Ni系馬氏體不銹鋼是通過(guò)添加奧氏體形成元素Ni來(lái)取代部分C,以改善馬氏體不銹鋼的組織和性能,并加入Mo提高其強(qiáng)度和耐腐蝕性,雖韌性、焊接性優(yōu)于Fe-Cr-C系馬氏體,但其淬硬傾向比較大,在擴(kuò)散氫和殘余應(yīng)力作用下,冷裂傾向比較嚴(yán)重。
鑒于公司葉輪焊接生產(chǎn)和修復(fù)經(jīng)驗(yàn),經(jīng)和用戶商議,確定采用焊條電弧焊進(jìn)行修復(fù)。
圖1 轉(zhuǎn)子葉輪裂紋部位
采用焊條電弧焊對(duì)S41500材料進(jìn)行焊接試驗(yàn),填充材料選用國(guó)外某公司生產(chǎn)的E410NiMo -15焊條,焊材熔敷金屬化學(xué)成分如表2所示。試驗(yàn)分焊接試
驗(yàn)和補(bǔ)焊試驗(yàn)兩部分,焊接試驗(yàn)采用焊前預(yù)熱和焊后性能處理的工藝,補(bǔ)焊試樣的補(bǔ)焊深度為3mm,焊后僅做熱處理消應(yīng)力,試樣焊接要求采用多層多道焊,并嚴(yán)格控制層間溫度,焊時(shí)采用小電流、低電壓焊接,避免熱輸入過(guò)大,焊接及補(bǔ)焊試驗(yàn)結(jié)果如表3~表5所示。
通過(guò)對(duì)S41500材料試驗(yàn)試板進(jìn)行著色檢測(cè)和超聲波探傷檢測(cè),焊縫外觀成形良好,試板探傷結(jié)果符合葉輪制造標(biāo)準(zhǔn)要求。
通過(guò)對(duì)葉輪缺陷進(jìn)行清理,缺陷長(zhǎng)度達(dá)40mm,考慮此材料焊接收縮量比較大,不僅要保證修復(fù)部位的焊接質(zhì)量,還要嚴(yán)格控制焊接變形,這是修復(fù)方案制定過(guò)程中需重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。
修復(fù)工序控制如下:
(1)修復(fù)工藝考慮缺陷為穿透型,為保證焊接質(zhì)量,方便焊工操作,減少焊接缺陷,修復(fù)工藝要求從流道內(nèi)側(cè)清除裂紋缺陷,焊后在流道外側(cè)清根、焊接。
(2)坡口制備缺陷清理的同時(shí)修磨焊接坡口尺寸,坡口尺寸以保證損壞部位能焊透、盡量減少焊接填充量為目的,用砂輪和指型銑刀對(duì)缺陷進(jìn)行清理,清除缺陷時(shí)直接磨出單面U形坡口,并在U形坡口底部留1.5~2mm厚度不動(dòng),焊后清根,以最大程度保證焊接質(zhì)量和減少焊接變形量。
(3)焊前預(yù)熱焊前對(duì)補(bǔ)焊部位預(yù)熱200℃,通過(guò)預(yù)熱,能減緩焊縫的冷卻速率,從而降低補(bǔ)焊區(qū)域的拘束度,較高的溫度有助于焊縫中擴(kuò)散氫的逸出。
(4)焊前清理焊接前用不銹鋼鋼刷清理待焊部位,減少焊接缺陷。
(5)焊接工藝按S41500評(píng)定制定具體施焊工藝,選用φ3 . 2 m m焊條,焊接電流為1 0 0 ~ 1 3 0 A,電弧電壓為23~26 V,焊接速度為150 ~200mm/min,焊接熱輸入≤1 320J/min,層間溫度≤250℃,通過(guò)焊接參數(shù)可以對(duì)焊接熱輸入量進(jìn)行控制,避免在熱處理區(qū)形成粗大的馬氏體組織。
(5)工裝變形控制制造雙側(cè)帶防變形工裝,葉輪補(bǔ)焊前對(duì)補(bǔ)焊部位出口處增加防變形工裝,以減少補(bǔ)焊變形。
表1 葉輪母材實(shí)測(cè)化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
表2 焊材熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) ?。?)
表3 焊接接頭力學(xué)性能
表4 焊條電弧焊接頭及補(bǔ)焊試樣沖擊數(shù)據(jù)對(duì)比
表5 焊接參數(shù)
(1)裂紋的清除從流道側(cè)清除裂紋缺陷,裂紋清除后如圖2所示。
(2)焊條選用及預(yù)熱選用E410NiMo—15焊條,φ3.2mm,焊條烘干待用,焊前用氧乙炔中性焰預(yù)熱焊接部位,預(yù)熱溫度180~200℃,達(dá)到預(yù)熱溫度后保溫15min后開(kāi)始焊接。
(3)焊接將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到合適的位置,選用φ3.2mm細(xì)焊條,采用小電流短弧施焊,多層多道焊接,焊后清理焊渣,控制補(bǔ)焊部位道間溫度≤250℃。
(4)變形控制通過(guò)增加防變形工裝來(lái)控制葉輪出口處焊接變形,如圖3所示。
(5)焊后熱處理焊后將補(bǔ)焊區(qū)域加熱至350℃,保溫2h,空冷至室溫,以消除應(yīng)力,細(xì)化焊縫金屬晶粒。
圖2 缺陷清除
圖3 防變形塊
(6)拋磨用拋光機(jī)拋磨焊縫表面。
(7)焊接檢測(cè)對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查和表面著色滲透試驗(yàn),焊接質(zhì)量符合葉輪檢測(cè)要求。
采用上述修復(fù)工藝對(duì)壓縮機(jī)葉輪上的裂紋進(jìn)行修復(fù),整個(gè)焊接修復(fù)過(guò)程用時(shí)18h,以最快的速度將壓縮機(jī)修復(fù)并投入使用。修復(fù)后的壓縮機(jī)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,在運(yùn)行近半年的定期檢查中,未發(fā)現(xiàn)缺陷。
實(shí)踐證明,采用焊條電弧焊對(duì)這種材料進(jìn)行修復(fù)的工藝切實(shí)可行,有效解決了用戶的燃眉之急,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
(1)修磨穿透型裂紋缺陷時(shí)先留厚度1.5~2mm,焊后清根,同時(shí)利用工裝對(duì)補(bǔ)焊部位的變形進(jìn)行控制,可有效減少此類結(jié)構(gòu)在焊接修復(fù)時(shí)產(chǎn)生的變形。
(2)焊后進(jìn)行相應(yīng)的保溫處理,減少焊接殘余應(yīng)力并控制擴(kuò)散氫的含量,可提高焊縫力學(xué)性能。
(3)針對(duì)X3CrNiMo13-4精加工葉輪,應(yīng)用實(shí)踐證明,采用E410NiMo—15焊材用焊條電弧方法對(duì)缺陷進(jìn)行修復(fù)其修復(fù)工藝可行。
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20141103
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作者簡(jiǎn)介:梁彥榮等,西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司。