金屬縫合修復(fù)氫壓機(jī)K1102C曲軸箱鑄件裂紋

姜元慶

（中國石油錦西石化分公司安全監(jiān)督中心 遼寧葫蘆島）

一、鑄鐵裂紋常見修理方式

1.往復(fù)壓縮機(jī)鑄件裂紋原因

往復(fù)壓縮機(jī)鑄件裂紋原因，除了運(yùn)動機(jī)構(gòu)存在不平衡力與力矩和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)不當(dāng)外，還有流體流經(jīng)吸排氣閥時氣流脈動引起的機(jī)組振動，因此交變載荷引起往復(fù)式壓縮機(jī)鑄件振動是產(chǎn)生裂紋的主要原因。由交變應(yīng)力產(chǎn)生的疲勞裂紋，一般在構(gòu)件表面上開始，然后逐漸擴(kuò)展，直到應(yīng)力達(dá)到臨界應(yīng)力時，發(fā)展為失穩(wěn)擴(kuò)展，最后凈斷面減少到不能再承擔(dān)負(fù)荷時，才突然斷裂。裂紋的修復(fù)依據(jù)是防止微裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，避免達(dá)到臨界應(yīng)力值而產(chǎn)生的斷裂事故。

2.常規(guī)法修復(fù)鑄件裂紋

（1）浸補(bǔ)法修復(fù)裂紋。對于無法實(shí)施補(bǔ)焊或鑄件的工作溫度＜250℃，而且工作壓力不大的鑄件裂紋缺陷，可以采用浸補(bǔ)的方法修補(bǔ)。浸補(bǔ)法是將呈膠狀的液體滲入鑄件的裂紋縫隙，然后使膠狀液體硬化而填補(bǔ)裂紋縫隙。對于鑄件上穿透的裂紋，可采用真空減壓浸補(bǔ)裝置，當(dāng)罩內(nèi)空氣抽成真空后，在壓力差的作用下浸補(bǔ)液會滲入縫隙，待浸補(bǔ)液滲透鑄件，即可解除真空。目前效果較好的浸補(bǔ)材是環(huán)氧樹脂，但要根據(jù)機(jī)件的使用和操作條件，配不同環(huán)氧值的環(huán)氧樹脂。對曲軸箱或軸承箱而言，可選用環(huán)氧值較低（K=0.25）的樹脂。

（2）熔補(bǔ)法修復(fù)裂紋。熔補(bǔ)是利用金屬液的熱量將鑄件表面熔化，同時使鑄件被修補(bǔ)部分與熔補(bǔ)的金屬熔接在一起。為減少內(nèi)應(yīng)力，鑄件需先預(yù)熱，熔補(bǔ)部位凝固后需進(jìn)行消除應(yīng)力的熱處理。

（3）補(bǔ)板修補(bǔ)法。補(bǔ)板修補(bǔ)適用于機(jī)體外部強(qiáng)度要求不高的裂縫修補(bǔ)場合，在裂縫兩端，分別用4～5 mm的鉆頭鉆出兩個止裂小孔，再將已準(zhǔn)備好的補(bǔ)板壓在裂縫上面，使補(bǔ)板與裂縫處緊密貼合，同時將補(bǔ)板固定好。補(bǔ)板的大小應(yīng)蓋過裂縫周邊25～30 mm，之后連同補(bǔ)板一起沿邊緣距離10～15 mm處，鉆出直徑6～8 mm的螺孔，每個螺孔間距20～25 mm，再在機(jī)體上攻絲，將補(bǔ)板緊固即可。

（4）補(bǔ)焊法修復(fù)裂紋。補(bǔ)焊前要對裂紋部位進(jìn)行仔細(xì)清理，去除缺陷部位的粘砂、氧化皮與油污，同時在缺陷部位開坡口。對于未穿透的裂紋要開U形坡口，并且要在裂紋兩端5～10 mm處或裂紋末端鉆直徑5～6 mm的小孔，孔深要超過裂紋深度2～3 mm。對鑄件厚度＜20 mm的穿透性裂紋，應(yīng)開V形坡口，如果坡口較大時，可墊一塊3～5 mm厚的銅板。對于鑄件厚度＞20 mm的穿透性裂紋，應(yīng)開X形坡口。每焊300 mm的焊縫，要對焊縫反復(fù)敲擊且冷卻要緩慢進(jìn)行，否則熱影響區(qū)會產(chǎn)生裂紋。對材料為灰鑄鐵的曲軸箱裂紋焊接，冷焊時應(yīng)采用非鑄鐵組織的焊條，采用鋼芯或鑄鐵芯以外的焊條時，應(yīng)盡量使用小直徑焊條和較小的焊接電流，以減小內(nèi)應(yīng)力和熱影響區(qū)的寬度。有資料表明，使用銅鋼的組合焊條冷焊鑄件，是目前較好的補(bǔ)焊方法。

上述鑄件裂紋常規(guī)性修復(fù)方法的主要缺點(diǎn)表現(xiàn)在抗拉強(qiáng)度低，稍一受力，結(jié)合處又開裂。熔補(bǔ)法適用于可移動的小配件，對于大的配件很難實(shí)行。補(bǔ)焊法對鑄鐵材料而言，焊接性較差，如果焊接材料和工藝措施選擇不當(dāng)，在焊縫和母材交界的熔合線處生成一層白口鑄鐵，嚴(yán)重時會使整個焊縫斷面白口化，硬度可達(dá)到600 HBW。同時鑄鐵補(bǔ)焊時，在焊縫及熱影響區(qū)均會產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，形成淬硬組織，還可能產(chǎn)生冷、熱裂紋。焊接中由于焊件局部不均勻受熱，焊縫在冷卻過程中應(yīng)力很大，由于鑄鐵在400℃以下基本無塑性，當(dāng)應(yīng)力超過鑄鐵強(qiáng)度時，會再次發(fā)生冷裂紋。當(dāng)采用鎳基材料焊補(bǔ)鑄鐵時，由于鑄鐵含S、P高，形成較多的低熔點(diǎn)共晶物，如Ni-Ni3S2（熔點(diǎn)644℃）、Ni-Ni3P（熔點(diǎn)880℃），易產(chǎn)生熱裂紋。

二、金屬縫合技術(shù)修復(fù)曲軸箱裂紋

1.金屬縫合技術(shù)原理

對鑄鐵、鑄鋼所產(chǎn)生的裂紋或破損缺失部位，在常溫下利用特制的縫合螺釘，使裂紋兩側(cè)金屬組織受到指向裂紋（或縫合螺釘）方向拉力，再加上在垂直于裂紋方向上安裝不同數(shù)量的加強(qiáng)鎖片，達(dá)到裂紋修復(fù)的目的。其中特制金屬液的密封性和高強(qiáng)度粘接的作用，進(jìn)一步提高了裂紋處金屬組織的抗拉和防滲漏能力。

2.對4M80壓縮機(jī)裂紋的修復(fù)

加氫裝置4M80壓縮機(jī)裂紋位于十字頭側(cè)曲軸箱觀察窗邊緣，曲軸箱材料為灰鑄鐵，壁厚50 mm，外側(cè)裂紋120 mm，為貫穿性裂紋，其中一個螺栓孔也開裂。修復(fù)中使用的主要工具有縫合釘、專用鉆頭、專用絲錐、螺孔定位工具、密封螺釘與螺孔修復(fù)環(huán)。

（1）對 4M80壓縮機(jī)裂紋部位進(jìn)行打磨，并用滲透探傷，使裂紋清晰可見。

（2）對于厚鑄件分別在3個表面進(jìn)行裂紋縫合，即裂紋的內(nèi)、外表面與鑄件厚度側(cè)。 縫合螺栓與螺孔修復(fù)環(huán)及加強(qiáng)鎖片安裝之前，均需將孔內(nèi)金屬屑清理干凈，然后注入特制起密封凝固作用的金屬液。

（3）對于產(chǎn)生裂紋的螺栓孔，首先用專用鉆頭鉆孔，然后用專用絲錐攻絲，再將合適規(guī)格的螺孔修復(fù)環(huán)旋進(jìn)（圖1）。

（4）用專用鉆頭沿著裂紋鉆孔，用特制的絲錐攻絲，將縫補(bǔ)螺栓依次旋進(jìn)螺栓孔內(nèi)。在垂直于裂紋的方向安裝加強(qiáng)鎖片，鎖片數(shù)量及間距根據(jù)實(shí)際情況定（圖2）。

圖1 4M80機(jī)曲軸箱開裂螺栓孔安裝螺孔修復(fù)環(huán)

圖2 4M80曲軸箱裂紋修復(fù)圖

圖3 4M80機(jī)曲軸箱裂紋修復(fù)后打磨圖片

（5）最后對修復(fù)表面進(jìn)行打磨，將不平處磨光，修復(fù)結(jié)束（圖 3）。

3.金屬縫合受力情況分析

灰鑄鐵由于片狀石墨的存在，在片狀石墨尖角處應(yīng)力較集中，在拉應(yīng)力下先從尖角處局部破裂，因此其抗拉強(qiáng)度很低，只為鋼的 1/3～1/5，金屬縫合承受拉力的能力，是衡量該技術(shù)可靠性的重要指標(biāo)。

（1）金屬縫合特制螺紋與普通螺紋比較。普通連接螺紋，牙型為等邊三角形，牙型角60°，當(dāng)螺栓擰緊時，螺栓受預(yù)緊力的拉伸而產(chǎn)生縱向拉伸應(yīng)力及螺紋摩擦力矩的扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力，而特制螺紋牙型為斜三角形，牙型角（β-α）為 20°，當(dāng)螺栓擰緊時，螺栓除了受縱向拉伸應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力外，還對周圍金屬施加指向裂紋處的水平拉應(yīng)力，以增強(qiáng)裂紋處的抗拉強(qiáng)度。牙型圖見圖 4、圖 5。

（2）縫合螺栓及螺孔修復(fù)環(huán)對周圍金屬施力情況（圖6、圖7）。

從圖6、圖7受力方向及牙型圖可以看出，縫合螺栓及螺孔修復(fù)環(huán)對鑄件受力均指向縫合螺栓和螺孔修復(fù)環(huán)方向，使裂紋周圍金屬受到一個緊密的拉力，確保修復(fù)完后鑄件的整體抗拉強(qiáng)度。

（3）縫合技術(shù)與其他修補(bǔ)形式的試件抗拉能力試驗(yàn)（表1）。表1是魯恩斯技術(shù)服務(wù)有限公司提供。

表1顯示，對鑄件試件進(jìn)行拉力測試，將各試件拉斷時，通過修復(fù)栓和加強(qiáng)鎖片修復(fù)的試件，所用的破壞拉力最大，達(dá)43 43 925 N，采用焊接方法的試件，破壞拉力僅為25 807 N。

圖4 縫合螺栓螺紋牙型圖

圖5 螺旋修復(fù)環(huán)外螺紋牙型圖

圖6 縫合螺栓對周圍金屬施加力的方向

表1 不同連接方式鑄件拉力測試

三、結(jié)語

4M80壓縮機(jī)曲軸箱修復(fù)后，已平穩(wěn)運(yùn)行一個多月，原裂紋修補(bǔ)處完好無損，證明用縫合技術(shù)修補(bǔ)鑄鐵裂紋是成功的，省時省費(fèi)用。鑄件裂紋縫合技術(shù)在最少拆卸周圍部件的情況下，可簡單快速地進(jìn)行修補(bǔ)，修理后無扭曲現(xiàn)象，不用進(jìn)行熱處理，不會產(chǎn)生應(yīng)力集中，不同金屬間也能接合。用工業(yè)風(fēng)作鉆孔動力，在防爆區(qū)域施工也比較安全。修復(fù)后不但能恢復(fù)應(yīng)有的強(qiáng)度，還能防止修補(bǔ)處泄漏。

圖7 螺孔修復(fù)環(huán)對周圍金屬施加力的方向