F級燃機機組主汽調(diào)節(jié)閥現(xiàn)場修復(fù)機器人弧焊研究*

唐 彬，葛圣杰，盧志龍，馬耀清，李 芳

（1.上海電力股份有限公司 吳涇熱電廠，上海 200241；2.上海交通大學(xué) 上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240）

1 概 述

廣東某電廠1#機組是F 級單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組 （三菱M701F3），年啟停次數(shù)≥200 次。2017 年11 月，在對主汽調(diào)節(jié)閥進行解體檢修中，發(fā)現(xiàn)閥座密封面位置存在多處裂紋 （如圖1 所示），主要特征表現(xiàn)為沿徑向放射狀和外圓周向裂紋，直接影響發(fā)電機組的經(jīng)濟性和設(shè)備正常運行。 由于閥腔內(nèi)空間狹小，閥座處于深坑部位，為避免返廠修理，必須采用特定的現(xiàn)場自動化裝備和技術(shù)對其進行修復(fù)。

圖1 閥座密封面裂紋形貌

2 主汽調(diào)節(jié)閥技術(shù)要求和現(xiàn)場測繪

2.1 主汽調(diào)節(jié)閥技術(shù)要求

主汽調(diào)節(jié)閥閥體材質(zhì)符合SA182－F22 標(biāo)準(zhǔn)，與閥座為一體式結(jié)構(gòu) （即直接在閥體上堆焊密封面），堆焊材料為 12%Cr Steel （AWS ER－410）。主汽調(diào)節(jié)閥閥芯密封面則采用Stellite 6 合金堆焊，兩者相對軟硬結(jié)合，滿足燃?xì)鈾C組在高頻率啟停的條件下可以保證其密封面的嚴(yán)密性。 高壓主汽調(diào)節(jié)閥密封面如圖2 所示。

圖2 高壓主汽調(diào)節(jié)閥密封面示意圖

2.2 現(xiàn)場測繪

經(jīng)現(xiàn)場測繪，主汽調(diào)節(jié)閥閥座為弧面結(jié)構(gòu)，閥座密封面最大直徑289 mm，閥蓋內(nèi)孔直徑348.5 mm，螺孔中心距離520 mm，閥蓋至閥座端面高度770 mm，至圓弧面下沿高度855 mm，喉部通徑184 mm （如圖3 所示）。 從測量結(jié)果可以看出，閥腔內(nèi)空間狹小，閥座處于深坑部位，無法按照常規(guī)的手工方法進行修復(fù)，為了保證修復(fù)質(zhì)量及修復(fù)的可實施性，本研究制定了 “機器人+數(shù)控加工+在線熱處理” 的自動化現(xiàn)場修復(fù)方案。

圖3 高壓主汽調(diào)節(jié)閥現(xiàn)場測繪尺寸

3 現(xiàn)場修復(fù)工作技術(shù)流程

為保證主汽調(diào)節(jié)閥閥座的修復(fù)質(zhì)量達(dá)到出廠水平，針對現(xiàn)場環(huán)境和條件，根據(jù)現(xiàn)場測量結(jié)果，制定了如圖4 所示的現(xiàn)場修復(fù)技術(shù)流程。

圖4 主汽調(diào)節(jié)閥現(xiàn)場修復(fù)技術(shù)流程

4 現(xiàn)場修復(fù)準(zhǔn)備工作

4.1 機加工工裝制作

現(xiàn)場機加工的關(guān)鍵是如何將機加工定位，同時確定機加工的基準(zhǔn)。 考慮到待加工面與法蘭面同心，依據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的尺寸測繪，制作了專用定位工裝，包括與閥蓋相匹配的固定法蘭、 支撐立柱和定位塊等。 這些輔助工裝可以保證現(xiàn)場機加工設(shè)備的強度和精度要求。

4.2 設(shè)備安裝和調(diào)試

將定制工裝和數(shù)控機加工設(shè)備安裝在主汽調(diào)節(jié)閥閥蓋上，依據(jù)主汽調(diào)節(jié)閥閥座的尺寸技術(shù)要求，進行數(shù)控加工編程和設(shè)備調(diào)試。 機加工設(shè)備現(xiàn)場安裝如圖5 所示。

圖5 機加工設(shè)備現(xiàn)場安裝

4.3 機加工過程控制

4.3.1 現(xiàn)場機加工和檢驗

圖6 現(xiàn)場機加工和檢驗

現(xiàn)場機加工和檢驗如圖6 所示。 對存在缺陷的閥座密封面部位應(yīng)先車削干凈，車削區(qū)域包括原堆焊層材料和焊接熱影響區(qū) （厚度確定為10 mm），車削結(jié)束后進行光譜檢驗和著色檢驗，以確保閥門本體缺陷全部清除。

圖7 二次機加工路徑規(guī)劃

4.3.2 二次機加工路徑規(guī)劃二次機加工路徑規(guī)劃如圖7 所示。 本修復(fù)方案實施過程中，經(jīng)無損檢測結(jié)果顯示，閥門本體亦存在缺陷，裂紋深度約35 mm，所以對存在的部分缺陷進行第二次車削。 同時，為了防止車削對閥門本體的損傷，車削尺寸作了進一步規(guī)劃，該規(guī)劃能夠盡可能的減少閥門本體的損傷。

4.3.3 機加工內(nèi)容

依據(jù)主汽調(diào)節(jié)閥存在的缺陷情況，現(xiàn)場機加工工作包括原始堆焊層缺陷消除、 閥門本體缺陷機加工和修復(fù)堆焊后的閥座密封面成形。

5 機器人弧焊技術(shù)

由于待堆焊修復(fù)部位深度大于800 mm，屬于狹小空間內(nèi)的深坑堆焊。 同時，現(xiàn)場的檢修工期較短，需要采用熱焊方法才能確保修后質(zhì)量滿足出廠要求。 因此，基本排除了手工修復(fù)的可能性，利用弧焊機器人的離線仿真、 參數(shù)移植、 三點示教和狹小空間內(nèi)的焊道及軌跡規(guī)劃等技術(shù)可以較好地克服現(xiàn)場環(huán)境條件的限制。

5.1 離線仿真

考慮到閥門結(jié)構(gòu)特殊，必須采用特殊的焊槍和一定的姿態(tài)才能完成修復(fù)任務(wù)，所以在整體設(shè)計前需要確定特定焊槍的長度、 形狀和姿態(tài)是否能夠滿足施焊要求，同時需要確定焊接軌跡和姿態(tài)與閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)無沖突。 為了優(yōu)化設(shè)計，通過離線建立閥門虛擬模型，在機器人的Robot studio 里面虛擬示教焊槍運動的軌跡和路徑，實現(xiàn)了焊槍軌跡、 姿態(tài)、 路徑以及機器人工裝、 夾具和焊槍尺寸的預(yù)設(shè)計。 3D 仿真宏觀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 機器人3D 仿真宏觀結(jié)構(gòu)圖

5.2 參數(shù)移植

由于現(xiàn)場在線修復(fù)的周期一般較短，留給現(xiàn)場在線施工的時間有限，所以必須在進入現(xiàn)場前獲取機器人運動軌跡、 焊接電流、 電壓、 速度及焊槍軌跡等基本參數(shù)。 為此，通過在實驗室將機器人與高噸位變位機聯(lián)動來模擬現(xiàn)場閥門的位置與姿態(tài)，構(gòu)建了與現(xiàn)場在線修復(fù)環(huán)境一樣的工作狀態(tài)和模式，通過這一模擬獲取全套工藝參數(shù)，將離線模擬的參數(shù)移植到現(xiàn)場，只需在線微調(diào)即可保證現(xiàn)場修復(fù)的高效率及高質(zhì)量。

5.3 機器人三點示教

閥門內(nèi)部空間相對狹小，這也是無法進行手工修復(fù)的主要原因。 同樣，也給機器人的示教工作造成一定的技術(shù)難度。 根據(jù)閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造加工工藝特點，閥門密封面與閥蓋法蘭端面是一個同心圓，具有很好的同心度。同時，依據(jù)幾何原理，只需確定3 個點就可以確定一個圓。 因此，在機器人示教時，就可以利用機器人內(nèi)部的運算功能，通過三點定位計算出圓心，從而規(guī)劃出一個圓的軌跡，快速完成示教工作。

5.4 狹小空間內(nèi)的焊道及軌跡規(guī)劃

閥體和密封面需要堆焊的部分具有一定厚度，同時要控制焊接過程的稀釋率，單層單道無法完成修復(fù)方案，必須采取多層多道焊。

對狹小空間內(nèi)的焊道及軌跡進行了周密的規(guī)劃，三點示教和焊道規(guī)劃示意如圖9 所示。在實際施焊時，在建立了圖9 所示的空間幾何坐標(biāo)圖前提下，僅需要下面幾步即可完成多層多道的焊道規(guī)劃： ①三點尋位 （通過示教或激光尋位）； ②根據(jù)圖紙中施焊面與法蘭邊緣的高度差和半徑差計算新的工具坐標(biāo)系，即僅需輸入 ΔH 值和 Δr 值； ③對于多層多道堆焊，根據(jù)每道的焊厚確立偏移量，進行焊接軌跡精度校準(zhǔn)，即僅需輸入 ΔH1值和 Δr1值，然后依據(jù)工藝需求切分和偏移圓的軌跡，就可以根據(jù)幾何位置確定不同的起始和結(jié)束焊接位置，滿足焊接接頭錯開的技術(shù)需求。

圖9 三點示教和焊道規(guī)劃

同時，通過一系列的工藝試驗可根據(jù)焊接電流、 送絲速度和焊接速度等參數(shù)確立每道焊縫的余高及寬度，進而利用焊接偏移程序來完成多層焊道的實施，即在z 方向確立焊道的位置高度，在y 方向確立焊道的相對偏移位置。 因此，在整個焊接過程中只要在弧焊機器人中輸入后續(xù)焊道的z 方向和y 方向位置偏移值就可以按照預(yù)先規(guī)劃的軌跡和速度進行焊接，無需再對每一道焊縫進行重新示教工作。

6 中頻感應(yīng)內(nèi)外加熱

主汽調(diào)節(jié)閥閥體和密封面外形復(fù)雜，壁厚尺寸多變。 若采用傳統(tǒng)的外壁加熱傳導(dǎo)方法，溫差較大。 中頻感應(yīng)內(nèi)外加熱技術(shù)能夠根據(jù)現(xiàn)場高溫、 高壓蒸汽閥門密封面結(jié)構(gòu)和環(huán)境的復(fù)雜性，確保在焊接或修復(fù)過程中滿足加熱工藝和工作時序的要求。 加熱工作時序見表1。

表1 加熱工作時序

當(dāng)需要熱處理時，先利用閥門端蓋螺栓將工裝固定在閥蓋上，再將特制的內(nèi)加感應(yīng)熱線圈固定在L 型移動盤上，連接好加熱電源和感應(yīng)線圈的水冷電纜，內(nèi)壁感應(yīng)線圈數(shù)模見圖10。

圖10 內(nèi)壁感應(yīng)線圈數(shù)模

焊接或修復(fù)前，感應(yīng)線圈通過升降臺工裝先移動到閥體的閥蓋法蘭口，然后再進入到閥門腔體內(nèi)直至密封面的內(nèi)孔位置。 對于外壁熱處理，其柔性空冷加熱電纜可直接纏繞在不規(guī)則閥體外壁，從閥門開始預(yù)熱到整個焊接結(jié)束時其一直處于工作狀態(tài)，在閥門外壁形成一道 “熱壩”，防止過度散熱，以保證密封面加熱效果。 內(nèi)壁和外壁熱處理同時開始工作，預(yù)熱溫度恒定后，只退出內(nèi)加熱線圈，外壁熱處理繼續(xù)恒定溫度，以保證焊接或修復(fù)過程中的層間溫度。 完成焊接或修復(fù)后，內(nèi)加熱線圈進入，與外加熱線圈以相同的升溫速率、 恒溫時間、 降溫速率開始進行焊后熱處理，直至整個熱處理過程全部完成。

7 修復(fù)過程

本次修復(fù)工作包括主汽調(diào)節(jié)閥閥座密封面和相鄰閥體兩部分，必須先修復(fù)閥體再堆焊密封面。 兩者材質(zhì)不同，選用的修復(fù)和堆焊材料不同，工藝也不同 （見表2），因此，其技術(shù)難度高、 工藝復(fù)雜。 為此，修復(fù)工藝的制定必須合理和準(zhǔn)確，整個工藝過程要嚴(yán)格控制。

表2 修復(fù)和堆焊材料

7.1 預(yù)熱

在確認(rèn)缺陷全部車削消除的前提下，采用現(xiàn)場熱處理設(shè)備進行焊前預(yù)熱，完成熱處理設(shè)備安裝和調(diào)試，確認(rèn)無誤后進行預(yù)熱。 預(yù)熱溫度為250～300 ℃，保溫 1 h。 保溫結(jié)束后用紅外線測溫儀進行溫度測量，滿足范圍后方能執(zhí)行下一工序。

7.2 閥體補焊

圖11 閥體補焊修復(fù)現(xiàn)場

閥體補焊修復(fù)現(xiàn)場如圖11 所示。 采用弧焊機器人對閥體消缺部位進行堆焊，堆焊尺寸恢復(fù)至原密封面尺寸。 采用分層分道焊接，嚴(yán)格控制層間溫度到 300～350 ℃，焊縫成形良好，外觀平整，無咬邊等缺陷。 閥體補焊后進行 350～400 ℃保溫，2 h 后熱處理，最終熱處理在密封面堆焊后一并執(zhí)行。

7.3 密封面堆焊坡口車削

采用數(shù)控加工設(shè)備對閥體堆焊面進行密封面堆焊坡口加工，坡口深度不小于7 mm，對坡口面及堆焊位置進行著色檢驗，滿足NB/T 47013標(biāo)準(zhǔn)要求，I 級合格。

7.4 密封面堆焊

對堆焊進行預(yù)熱，預(yù)熱溫度300～350 ℃。采用分層分道進行密封面堆焊 （如圖12 所示），嚴(yán)格控制層間溫度 （300～350 ℃）。 焊縫成形良好，外觀平整，無咬邊等缺陷。

圖12 密封面堆焊現(xiàn)場

7.5 熱處理

由于閥座密封面堆焊材料是AWS ER－410，焊后需冷卻至MS 點以下進行馬氏體溫度轉(zhuǎn)變，再進行升溫?zé)崽幚怼?熱處理溫度與基材的回火溫度保持一致，恒溫時間=δ÷25×2 h，升降溫速率=6 250÷δ，且≤150 ℃/h、 ≤80 ℃時拆保溫棉。 保留完整熱處理工藝曲線，升溫速度、 保溫溫度、保溫時間、 降溫速度、 拆包溫度均以監(jiān)控?zé)犭娕硷@示為準(zhǔn)。

7.6 成形機加工

依據(jù)主汽調(diào)節(jié)閥的制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場測繪尺寸，確認(rèn)最終密封面輪廓尺寸，進行數(shù)控編程并確認(rèn)程序正確，最后進行密封面的成形加工，表面加工精度＜0.4 μm。 成形加工后效果如圖13 所示。

圖13 成形加工后效果圖

7.7 修后檢驗

修復(fù)后的主汽調(diào)節(jié)閥必須達(dá)到出廠時的質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)，包括無損檢測、 硬度檢驗和密封面閥線校核等工作。 其中，硬度檢驗應(yīng)在熱處理結(jié)束后進行，包括本體和閥座密封面，硬度值為 200～260HB。 經(jīng)最終檢驗，主汽高壓調(diào)節(jié)閥的現(xiàn)場修復(fù)質(zhì)量達(dá)到了預(yù)期效果 （如圖14 所示）。

圖14 密封面校核效果圖

8 結(jié)束語

針對閥腔內(nèi)空間狹小，閥座處于深坑部位的修復(fù)特征，通過制定和執(zhí)行 “機器人+數(shù)控加工+在線熱處理” 的自動化修復(fù)方案，消除了F級單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機組主汽高壓調(diào)門閥體內(nèi)腔的本體裂紋和閥座開裂等缺陷，修后質(zhì)量滿足各項技術(shù)要求，修復(fù)后的設(shè)備安全運行至今。

現(xiàn)場數(shù)控加工、 機器人弧焊和中頻感應(yīng)內(nèi)外加熱等技術(shù)的綜合應(yīng)用，為消除同類型高溫高壓蒸汽閥門內(nèi)腔的重大缺陷提供了新的技術(shù)路線，也為相關(guān)設(shè)備的現(xiàn)場檢修提供了方法和途徑。