球磨機大齒輪斷齒焊接修復(fù)探索與應(yīng)用

＊饒秀平 王學(xué)鵬

（1.國家電投集團貴州金元股份有限公司納雍發(fā)電總廠 貴州 553303 2.國核電站運行服務(wù)技術(shù)有限公司 上海 200233）

1.概述

火力發(fā)電廠裝機容量為4×300MW，均采用沈陽重型機械制造廠制造的型號BBD3854球磨機，出力37t/h、轉(zhuǎn)速16.7r/min、裝球量60t、大齒輪模數(shù)225齒、齒長510mm、齒根寬60mm、齒頂寬15mm、齒高55mm、大齒輪材質(zhì)ZG35CrMo。1號機組于2005年6月投產(chǎn)，2015年1月1號機組B球磨機大齒輪出現(xiàn)斷齒現(xiàn)象，斷口形貌均為沿齒圈根部整齒斷裂脫落，如果不修復(fù)就等于齒輪報廢而不能繼續(xù)運行。而更換大齒輪材料費用和人工費用達20余萬元，如果焊接修復(fù)不成功可能導(dǎo)致缺陷擴大，導(dǎo)致大齒輪齒圈開裂而導(dǎo)致整個齒輪報廢。

2.斷齒原因分析

從未斷裂齒輪齒面（圖1）觀察可以看見未斷裂的齒輪齒面有被磨損而產(chǎn)生臺階，從而降低了齒輪的強度。

圖1 大齒輪斷裂處形貌

從齒輪斷面肉眼仔細觀察，可以看見圖1和圖2（區(qū)域1與區(qū)域2的金屬晶粒度）內(nèi)齒輪斷面的兩邊的金屬組織明顯差異較大，并且存在金屬晶粒度不均勻現(xiàn)象。區(qū)域1內(nèi)有較多看似發(fā)白的金屬晶粒就是嚴重影響金屬使用性能的不平衡粗晶粒組織，晶粒度明顯粗大并且不均勻，從降低金屬致密性、降低金屬力學(xué)性能及強度。區(qū)域2內(nèi)的金屬晶粒度明顯細于區(qū)域1的金屬晶粒度。金屬材料的晶粒度越細，它的金屬致密性越好，隨之金屬材料的力學(xué)性能也越好。

圖2 斷齒齒圈側(cè)斷裂斷面形貌

對于在常溫環(huán)境下運行的金屬材料是不容易發(fā)生金屬組織變化的，不存在金屬晶粒在運行過程中發(fā)生變化而降低部件的金屬力學(xué)性能，只有因為大齒輪運行時間超過設(shè)計使用壽命后才會發(fā)生疲勞損壞和斷裂，而1號爐才投入運行10年，遠遠低于設(shè)計使用壽命。從而判斷1號爐B球磨機大齒輪斷裂是因為鑄造時金屬晶粒組織不均勻，降低了大齒輪的金屬致密性，從而降低了大齒輪的金屬力學(xué)性能和大齒輪的強度，最后導(dǎo)致齒輪斷裂事故的發(fā)生。

圖3 斷齒齒側(cè)斷面形貌

3.球磨機齒輪材質(zhì)及焊接性分析

(1)材料成分與力學(xué)性能

球磨機大齒輪采用的是：ZG35CrMo鋼，該牌號的化學(xué)成分見表1，該牌號的力學(xué)性能參數(shù)見表2。

表1 ZG35CrMo鋼化學(xué)成分

表2 ZG35CrMo鋼力學(xué)性能

(2)ZG35CrMo鋼焊接性能分析

ZG35CrMo鋼的含碳量大于0.3%，焊接時淬硬的傾向很高，球磨機齒輪較厚，齒輪剛性較大，焊接球磨機齒輪時，近焊縫區(qū)域的部位易產(chǎn)生低塑性的淬硬組織，加上焊接時如果不能使氫及時逸出，且在較高應(yīng)力的作用下，焊接部位易產(chǎn)生冷裂紋。因此，ZG35CrMo鋼的焊接需采用合適的焊接工藝方案和焊后熱處理方式，才能避免焊接后冷裂紋的產(chǎn)生。

(3)選定焊接材料

考慮到大齒輪工作時，需要承受的載荷較大，焊接修復(fù)大齒輪應(yīng)該選塑性較好的鎳基焊條與低合金焊條配合使用，故選用J507焊條進行焊接。J507焊條熔敷金屬具有良好的塑性、韌性及抗裂性能。熔敷金屬化學(xué)成分見表3，熔敷金屬力學(xué)性能見表4：

表3 J507焊條熔敷金屬化學(xué)成分

表4 J507焊條熔敷金屬力學(xué)性能

4.焊接工藝方案

(1)焊接前準備

①采用機械清除方式將大齒輪齒圈上的裂紋進行徹底清除并打磨圓滑。

②采用DPT-5型滲透探傷劑對齒輪已經(jīng)清除裂紋部位及其周圍進行著色探傷，以確定裂紋已經(jīng)徹底清除干凈。

③用角向磨光機打磨出適合焊接的U型坡口。

④采用硅酸鋁和硅酸鹽將齒輪兩側(cè)各500mm范圍進行保溫材料包扎，并在齒輪兩側(cè)輪轂支撐位置留出加熱孔。

⑤現(xiàn)場準備足夠的加熱材料氧氣和乙炔。

⑥焊前將經(jīng)350℃烘焙1h，用焊條保溫桶將烘好的焊條帶至工作現(xiàn)場，隨用隨取。

⑦準備焊機、焊接工具、加熱工具、清渣工具等。

(2)焊接技術(shù)要求

①堆焊全過程采用J507焊條。

②焊前將齒輪焊接側(cè)兩端各500mm范圍預(yù)熱至200℃～250℃，預(yù)熱寬度必須超出大齒輪兩邊的輪轂支撐的200mm-250mm范圍。恒溫1h后施焊，焊接過程中保持溫度不低于150℃的層間溫度。

表5 ZG35CrMo鋼焊接工藝卡

③焊接時，焊條不能有大幅度的橫向擺動，且擺動寬度不超過6mm，每層每道焊接的厚度不超過焊條直徑4mm。

④每一層焊面都應(yīng)該呈U形（中間凹兩側(cè)高），以保證每層焊面冷卻時有足夠的彈性延展空間，最大程度降低焊接殘余應(yīng)力。

⑤收弧位置和起弧點應(yīng)錯開，避免收弧位置和起弧點重合而增加焊接殘余應(yīng)力。

⑥為降低堆焊區(qū)的收縮應(yīng)力，每焊完一層，馬上用榔頭敲擊焊縫直至焊縫熔敷金屬表面變形，方可進行下一焊道施焊。

⑦敲擊完成后，對焊縫進行中溫回火去應(yīng)力，中溫回火溫度保持在350℃～450℃，使焊縫具有較高的韌性和彈性，焊接一旦開始，中途不能中斷，必須一氣呵成。

⑧如此重復(fù)以上焊接方法直至焊接完成，蓋面層焊接完成后不要進行敲擊去應(yīng)力，焊接完成后直接進行中溫回火處理并保溫4h。

5.磨煤機齒面打磨修整

齒條堆焊成形后，用專門加工的刀口尺（加工制作小齒輪標準模具最少3齒以上，制作材料要求用用金屬板材料制作、并且要保證一定的厚度即保證模具板不能變形，在打磨過程能方便快捷的進行檢查齒形及差距）按照原齒形狀將堆焊部分的齒廓粗打磨出來，通過觀察大小齒輪的嚙合情況，再細細打磨，使齒面的接觸達到技術(shù)規(guī)范的要求。

6.無損檢測

采用著色對已經(jīng)打磨完成的齒面進行探傷檢查，檢查合格后投入運行。

7.結(jié)束語

球磨機大齒輪裂紋一般采用冷焊法進行修復(fù)，其焊接工藝要求較高，修復(fù)質(zhì)量很難保證。本文采用跟蹤回火焊接工藝成功將球磨機大齒輪修復(fù)，在機組檢修復(fù)檢時沒有發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷，保障了機組安全穩(wěn)定運行，為我國球磨機大齒輪等大型鑄件裂紋的焊補修復(fù)提供了寶貴經(jīng)驗，并推廣至系統(tǒng)各單位應(yīng)用。