張占德，蘭秀寶

（唐山三友化工股份公司制修車(chē)間，河北 唐山 063305）

汽軸是蒸汽煅燒爐旋轉(zhuǎn)接頭內(nèi)的主要部件之一。在整個(gè)爐體運(yùn)行中，汽軸作為高壓蒸汽的首個(gè)輸送通道，既需要與汽室緊密相連同步旋轉(zhuǎn)，又要與旋轉(zhuǎn)接頭保持良好的動(dòng)密封，高溫高壓工況下的受力情況極為復(fù)雜。因此來(lái)說(shuō)，汽軸必須具有足夠的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、以及良好的剛度和韌性，從而滿足煅燒爐的啟動(dòng)、停車(chē)、突然增減負(fù)荷等一些列要求。

1 現(xiàn)狀簡(jiǎn)介

圖1為汽軸的結(jié)構(gòu)示意圖，其主要由內(nèi)殼體、法蘭、外殼體三部分組成。圖中4為冷凝水排放口，共3個(gè)，沿汽軸外殼體周向均布；5為蒸汽入口，4個(gè)，周向均布?，F(xiàn)存在的問(wèn)題是冷凝水排放口尺寸過(guò)大，其高×寬尺寸為：230mm×300mm（而其余汽軸冷凝水排放口為3個(gè)，相應(yīng)尺寸介于130mm×90mm之間）。方口挖空部分占到外殼體周長(zhǎng)的64%，極大的削弱了汽軸外殼體在這一截面上的連接強(qiáng)度。由于汽軸在工作中存在較大的拉應(yīng)力、彎應(yīng)力和扭應(yīng)力，冷凝水排放口截面成為了整個(gè)汽軸的薄弱環(huán)節(jié)，投入使用后設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)難以控制。

圖1 汽軸結(jié)構(gòu)示意圖

2 修復(fù)方案及存在的問(wèn)題

2.1 修復(fù)方案

為了保證汽軸有足夠的使用強(qiáng)度，公司擬定了在冷凝水排放口中間位置焊接安裝一與殼體相同材質(zhì)的100mm寬加強(qiáng)筋板的修復(fù)方案。汽軸外殼體為φ472×22無(wú)縫鋼管，材質(zhì)為20G。加強(qiáng)筋板亦選用厚度為20mm的20G無(wú)縫鋼管切割成板條使用，板條與汽軸外殼體為焊接連接。

圖2 冷凝水排放口修復(fù)圖

2.2 存在的問(wèn)題

汽軸作為連接旋轉(zhuǎn)接頭與汽室的中間件，惡劣的工況以及較高的密封性能對(duì)其本身的整體結(jié)構(gòu)尺寸和加工精度要求較高。根據(jù)圖紙技術(shù)要求，其長(zhǎng)度允差0～10mm，軸與端面垂直度允差0.06mm，內(nèi)外空心軸同軸度允差0.04mm，外圓精度為IT7級(jí)，表面粗糙度Ra1.6。在實(shí)際施工中，20G材質(zhì)含碳量≤0.25%，屬于低碳鋼范疇，焊接性能良好，可以得到滿意的焊接質(zhì)量。但焊接過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，對(duì)殘余應(yīng)力控制不當(dāng)而引起結(jié)構(gòu)的變形可能會(huì)使汽軸的外圓精度喪失，從而造成汽軸的報(bào)廢。在傳統(tǒng)的消除殘余應(yīng)力及變形的解決方案中，去應(yīng)力退火（溫度為600～650℃）是首選措施，但在本例中，由于外殼體冷凝水排放口、蒸汽入口兩側(cè)均有大面積的鍍鉻層，操作溫度不宜過(guò)高，故無(wú)法采用去應(yīng)力退火的解決方案。因此，選擇何種焊接工藝及防變形措施以達(dá)到理想的修復(fù)效果成為本次施工的重點(diǎn)和關(guān)鍵。

3 解決措施

3.1 焊接方法及焊接材料的選擇

選擇焊接方法的原則是控制焊接變形，減小焊接熱量輸入，根據(jù)車(chē)間實(shí)際情況，選用手工鎢極氬弧焊，其特點(diǎn)在于操作方便、靈活，焊接工藝性能好，熔深淺，焊接熱輸入小。根據(jù)《JB／T4709—2007鋼制壓力容器焊接規(guī)程》推薦，選用 H08MnA焊絲。H08MnA屬于低碳鋼用氣體保護(hù)焊焊絲，抗裂性能優(yōu)良，焊縫金屬的力學(xué)性能符合等強(qiáng)度要求，可以達(dá)到理想的焊接效果，焊絲與母材的化學(xué)成分及金屬機(jī)械性能對(duì)比如表1所示。

3.2 焊接工藝參數(shù)

焊接方法為手工鎢極氬弧焊，包含打底、填充、蓋面共4～5層，填充層采用錘擊法消除應(yīng)力。單層焊接焊槍只作直線移動(dòng)，不須橫向擺動(dòng)，采用中快速度焊接，具體工藝參數(shù)如圖3、表2所示。

圖3 接頭形狀和尺寸

表1 H08MnA與20G化學(xué)成分及金屬機(jī)械性能對(duì)比表

表2 汽軸修復(fù)焊接工藝參數(shù)

3.3 變形量控制

確保汽軸在焊接過(guò)程中不發(fā)生過(guò)大的軸向和徑向變形是施工的重點(diǎn)和關(guān)鍵。在對(duì)冷凝水排放口的分布情況進(jìn)一步分析后，結(jié)合采用的焊接工藝，制定了加強(qiáng)筋板與冷凝水排放口間不留裝配間隙，接頭處于剛性固定下施焊的方案，從而確保汽軸徑向變形最小。另一方面，汽軸豎直放置（法蘭向上），在其上部法蘭端面及軸表面安置百分表進(jìn)行徑向、軸向變形的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，百分表共3塊，布置方式如圖4所示，其精度為0.01mm，滿足檢測(cè)要求。

圖4 百分表放置示意圖

4 施工方法

4.1 焊前準(zhǔn)備

準(zhǔn)備好施工使用的焊接工具和保護(hù)氣體，加強(qiáng)筋板使用機(jī)械加工法加工坡口。將汽軸豎直放置在一平穩(wěn)的工作臺(tái)面上，如圖4所示在汽軸上部軸表面圓周方向兩90°角點(diǎn)位置安放百分表支架，裝好百分表，校表調(diào)零。檢驗(yàn)加強(qiáng)筋尺寸及坡口角度，清除加強(qiáng)筋兩端及汽軸冷凝水排放口待焊端50mm范圍內(nèi)的銹跡及油污。使用1mm石棉板將冷凝水排放口兩側(cè)軸表面包裹遮嚴(yán)，使用細(xì)鐵絲將石棉板綁牢。

4.2 焊接

點(diǎn)固焊加強(qiáng)筋，其與汽軸方孔對(duì)接形式如圖2所示，上下端各點(diǎn)焊2點(diǎn)，將三個(gè)方孔的加強(qiáng)筋板全部點(diǎn)焊牢固，兩名焊工逐一施焊。焊接中，對(duì)單塊筋板上下端同時(shí)焊接，除打底和蓋面層外，每焊完一層后，均需使用小手錘均勻適度的錘擊焊縫進(jìn)行去應(yīng)力處理，待層表溫度降至100～150℃時(shí)方可進(jìn)行下一層的焊接。焊接中應(yīng)隨時(shí)監(jiān)測(cè)百分表變化情況，當(dāng)任一百分表刻度變化超過(guò)0.02mm時(shí)均需停止施工，待焊道冷卻后再進(jìn)行檢測(cè)，如表針變化仍舊過(guò)大，應(yīng)及時(shí)分析原因待制定對(duì)策后方可繼續(xù)施焊。

4.3 焊中及焊后檢查

汽軸的焊接修復(fù)歷時(shí)3.5h，焊接過(guò)程的間斷進(jìn)行確保了百分表刻度變化≤0.02。焊后1h檢驗(yàn)，軸表徑向變形量為0.07～0.09mm。焊后12h檢驗(yàn)，軸表垂直度偏差為0.05～0.06mm，滿足技術(shù)要求，現(xiàn)已投入使用。

5 結(jié) 論

本次汽軸修復(fù)，通過(guò)采用減少熱輸入、降低焊層間溫度、增加焊接層數(shù)、錘擊焊縫、過(guò)程動(dòng)態(tài)控制等手段，有效的降低了焊接殘余應(yīng)力和變形，保證了焊接質(zhì)量。施工過(guò)程中，首次采取的利用百分表對(duì)焊接變形量動(dòng)態(tài)監(jiān)控法，精準(zhǔn)性和時(shí)效性都得到了極大的提高，取得了非常好的效果，也為以后類(lèi)似的高精度零部件焊接中變形量監(jiān)控提供了有效的參考。

［1］ 陳祝年.焊接工程師手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.2，331－365

［2］ 尹士科.焊接材料手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.11，91－98