蒸汽煅燒爐汽軸的焊接修復

張占德，蘭秀寶

（唐山三友化工股份公司制修車間，河北 唐山 063305）

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

1 現狀簡介

圖1為汽軸的結構示意圖，其主要由內殼體、法蘭、外殼體三部分組成。圖中4為冷凝水排放口，共3個，沿汽軸外殼體周向均布；5為蒸汽入口，4個，周向均布?，F存在的問題是冷凝水排放口尺寸過大，其高×寬尺寸為：230mm×300mm（而其余汽軸冷凝水排放口為3個，相應尺寸介于130mm×90mm之間）。方口挖空部分占到外殼體周長的64%，極大的削弱了汽軸外殼體在這一截面上的連接強度。由于汽軸在工作中存在較大的拉應力、彎應力和扭應力，冷凝水排放口截面成為了整個汽軸的薄弱環節，投入使用后設備風險難以控制。

圖1 汽軸結構示意圖

2 修復方案及存在的問題

2.1 修復方案

為了保證汽軸有足夠的使用強度，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的100mm寬加強筋板的修復方案。汽軸外殼體為φ472×22無縫鋼管，材質為20G。加強筋板亦選用厚度為20mm的20G無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 冷凝水排放口修復圖

2.2 存在的問題

汽軸作為連接旋轉接頭與汽室的中間件，惡劣的工況以及較高的密封性能對其本身的整體結構尺寸和加工精度要求較高。根據圖紙技術要求，其長度允差0～10mm，軸與端面垂直度允差0.06mm，內外空心軸同軸度允差0.04mm，外圓精度為IT7級，表面粗糙度Ra1.6。在實際施工中，20G材質含碳量≤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量。但焊接過程中不可避免的會產生殘余應力，對殘余應力控制不當而引起結構的變形可能會使汽軸的外圓精度喪失，從而造成汽軸的報廢。在傳統的消除殘余應力及變形的解決方案中，去應力退火（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、蒸汽入口兩側均有大面積的鍍鉻層，操作溫度不宜過高，故無法采用去應力退火的解決方案。因此，選擇何種焊接工藝及防變形措施以達到理想的修復效果成為本次施工的重點和關鍵。

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，根據車間實際情況，選用手工鎢極氬弧焊，其特點在于操作方便、靈活，焊接工藝性能好，熔深淺，焊接熱輸入小。根據《JB／T4709—2007鋼制壓力容器焊接規程》推薦，選用 H08MnA焊絲。H08MnA屬于低碳鋼用氣體保護焊焊絲，抗裂性能優良，焊縫金屬的力學性能符合等強度要求，可以達到理想的焊接效果，焊絲與母材的化學成分及金屬機械性能對比如表1所示。

3.2 焊接工藝參數

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力。單層焊接焊槍只作直線移動，不須橫向擺動，采用中快速度焊接，具體工藝參數如圖3、表2所示。

圖3 接頭形狀和尺寸

表1 H08MnA與20G化學成分及金屬機械性能對比表

表2 汽軸修復焊接工藝參數

3.3 變形量控制

確保汽軸在焊接過程中不發生過大的軸向和徑向變形是施工的重點和關鍵。在對冷凝水排放口的分布情況進一步分析后，結合采用的焊接工藝，制定了加強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行徑向、軸向變形的動態監控，百分表共3塊，布置方式如圖4所示，其精度為0.01mm，滿足檢測要求。

圖4 百分表放置示意圖

4 施工方法

4.1 焊前準備

準備好施工使用的焊接工具和保護氣體，加強筋板使用機械加工法加工坡口。將汽軸豎直放置在一平穩的工作臺面上，如圖4所示在汽軸上部軸表面圓周方向兩90°角點位置安放百分表支架，裝好百分表，校表調零。檢驗加強筋尺寸及坡口角度，清除加強筋兩端及汽軸冷凝水排放口待焊端50mm范圍內的銹跡及油污。使用1mm石棉板將冷凝水排放口兩側軸表面包裹遮嚴，使用細鐵絲將石棉板綁牢。

4.2 焊接

點固焊加強筋，其與汽軸方孔對接形式如圖2所示，上下端各點焊2點，將三個方孔的加強筋板全部點焊牢固，兩名焊工逐一施焊。焊接中，對單塊筋板上下端同時焊接，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行去應力處理，待層表溫度降至100～150℃時方可進行下一層的焊接。焊接中應隨時監測百分表變化情況，當任一百分表刻度變化超過0.02mm時均需停止施工，待焊道冷卻后再進行檢測，如表針變化仍舊過大，應及時分析原因待制定對策后方可繼續施焊。

4.3 焊中及焊后檢查

汽軸的焊接修復歷時3.5h，焊接過程的間斷進行確保了百分表刻度變化≤0.02。焊后1h檢驗，軸表徑向變形量為0.07～0.09mm。焊后12h檢驗，軸表垂直度偏差為0.05～0.06mm，滿足技術要求，現已投入使用。

5 結 論

本次汽軸修復，通過采用減少熱輸入、降低焊層間溫度、增加焊接層數、錘擊焊縫、過程動態控制等手段，有效的降低了焊接殘余應力和變形，保證了焊接質量。施工過程中，首次采取的利用百分表對焊接變形量動態監控法，精準性和時效性都得到了極大的提高，取得了非常好的效果，也為以后類似的高精度零部件焊接中變形量監控提供了有效的參考。

［1］ 陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京：機械工業出版社，2010.2，331－365

［2］ 尹士科.焊接材料手冊［M］.北京：中國標準出版社，2000.11，91－98