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】介紹了某鋼廠用國外離心壓縮機(jī)葉輪的裂紋修復(fù)情況及具體修復(fù)過程，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)場運(yùn)行一年后效果良好。

1. 概述

國內(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)子是由國外某公司生產(chǎn)，用戶沒有備件轉(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。

2. 轉(zhuǎn)子裂紋情況及方案制定

（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，通過對(duì)各國常用標(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添加奧氏體形成元素Ni來取代部分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)。

3. 焊接試驗(yàn)及評(píng)定

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，避免熱輸入過大，焊接及補(bǔ)焊試驗(yàn)結(jié)果如表3～表5所示。

通過對(duì)S41500材料試驗(yàn)試板進(jìn)行著色檢測和超聲波探傷檢測，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。

4. 電弧焊修復(fù)方案制定

通過對(duì)葉輪缺陷進(jìn)行清理，缺陷長度達(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)方案制定過程中需重點(diǎn)考慮的問題。

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)

5. 實(shí)施過程

（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）變形控制通過增加防變形工裝來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)量符合葉輪檢測要求。

6. 應(yīng)用

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。

7. 結(jié)語

（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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作者簡介：梁彥榮等，西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司。