螺桿壓縮機激光熔覆修復技術研究與應用*

馬平定，李玉軍，詹金磊，吳佳徽

(中國石油蘭州石化公司設備維修公司，甘肅蘭州 730060)

螺桿壓縮機激光熔覆修復技術研究與應用*

馬平定，李玉軍，詹金磊，吳佳徽

(中國石油蘭州石化公司設備維修公司，甘肅蘭州 730060)

針對某煉油廠螺桿式壓縮機運行中出現的機體及配件磨損故障，對比各種配件修復技術特點，確定利用激光熔覆新技術對螺桿壓縮機主副螺桿、活塞進行修復的方案并實施，對修復后實施運行性能進行了分析。

螺桿式壓縮機;主副螺桿;活塞;激光熔覆技術;修復方案

1 引言

某煉油廠酮苯脫蠟裝置是由約克公司生產的RWBII－676E型螺桿式壓縮機，在運行過程中發出異常刺耳的聲音，緊急停車后，拆檢發現陰陽螺桿、殼體及活塞損傷嚴重。該螺桿壓縮機在裝置生產中起著承上啟下的關鍵作用，即將氨氣制冷液化后，液氨進入套管結晶器外層，將套管結晶器內層流動的蠟和油凝固，最后進入轉鼓過濾機成型形成產成品。螺桿壓縮機故障給裝置運行帶來極大困難，在缺乏備件情況下，若從原制造商采購，采購周期長，不經濟;如果采用常規修復辦法，不僅難度大且強度無法保證。

激光熔敷技術是一種新的表面改性技術，它通過在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基材表面形成與其為冶金結合的添料熔覆層，解決了傳統電焊氬弧焊等熱加工過程中不可避免地熱變形、熱疲勞損傷等一系列技術難題，同時也解決了傳統電鍍、噴涂等冷加工過程中覆層與基體結合強度差異矛盾。嘗試利用激光熔敷技術對螺桿機進行修復能有效解決設備缺陷，確保裝置安穩運行。

筆者主要結合螺桿壓縮機的損傷特性，研究激光熔覆技術在配件修復中的技術優勢。

2 螺桿壓縮機故障及拆檢情況

螺桿壓縮機發生故障后，拆機檢查，發現轉子損傷嚴重(如圖1、2所示)。陽螺桿表面整個有約1 mm左右的損傷，螺桿頂部密封線磨損脫落，螺桿后端面及后端面的主軸部分因“燒結抱軸”損傷嚴重，損傷長度為3～8 mm，主軸后軸承軸頸處磨損變細。陰螺桿表面亦有1 mm左右的損傷。殼體減壓套部分嚴重損傷，減壓孔有多條貫穿孔長度(約 150 mm)，深100 mm以上的裂紋(明顯的有5條)。并有兩處約100 mm×25 mm的脫落凹坑。活塞有1條約50 mm的裂紋。

圖1 螺桿壓縮機殼體損傷

3 激光熔覆與傳統修復技術對比分析

3.1 工作原理及特點

激光是由受激輻射引起的并通過諧振放大了的光。激光由激光發生器產生。光學諧振腔由放置在工作物質兩側的平面反射鏡組成，這兩個反射鏡嚴格平行，其中一個是反射率為100%的全反射鏡，另一個是反射率為50% ～90%的部分反射鏡，工作物質位于兩反射鏡之間。當工作物質受到外界激發產生輻射時，其傳播方向與腔體軸向相同的光子將引起其他激發態的工作物質產生連鎖性的受激輻射，在到達部分反射鏡時放出一部分光子，其他大部分仍反射回來，進行反饋，從而形成光振蕩，并不斷從部分反射鏡的輸出端發射出光子成為激光束。由于激光具有高方向性、高亮度性(高能量密度)及單體性的特點，它可用于金屬或非金屬的切割、打孔、焊接和表面處理。在表面處理方面，主要的使用技術包括激光淬火、激光熔凝、激光涂敷(亦稱激光熔覆)、激光合金化等。

圖2 噴射粉末激光熔覆法

激光熔覆技術是近期興起的一種新的修復技術，是采用噴吹送粉方法加入熔鑄金屬，利用激光束聚焦能量極高的特點，在瞬間將基體表面僅微熔。同時使基體表面與置的熔覆層金屬粉末(與基體材質相同或相近)全部熔化，激光離去后快速凝固，獲得與基體冶金結合的致密覆層，從而達到零件表面恢復幾何尺寸和表面涂層強化的目的。

3.2 修復技術對比分析

激光熔覆技術有以下特點［1－2］:

(1)激光熔覆層與基體為冶金結合，結合強度不低于原本體材料的90%。

(2)基體材料在激光加工過程中僅表面微溶，微熔層為0.05～0.1 mm，基體熱影響區極小，一般為0.1～0.2 mm。

(3)熔覆層與基體均無粗大的鑄造組織，熔覆及其界面組織致密，晶體細小，無孔洞，無夾雜裂紋等缺陷。

(4)激光加工過程中基體溫升不超過80℃，激光加工后無熱變形。

(5)激光熔覆技術可控性好，易實現自動化控制。

(6)激光熔覆層組織由底層、中間層及面層組成的各具特點的梯度功能材料，底層具有與基體浸潤性好及結合強度高等特點;中間層具有一定的強度和硬度以及抗裂性好等優點;面層具有抗沖刷、耐磨損和耐腐蝕等性能，使修復后的設備在安全和使用性能上更加有保障。

此外，激光熔覆技術有優于傳統修復技術的特殊優勢，如表1所列。

表1 修復技術性能對比表

4 螺桿壓縮機修復方案

4.1 修復方案

結合壓縮機故障及機體不同程度損傷特點，制定以下修復方案:

(1)螺桿壓縮機整體清洗;

(2)螺桿壓縮機螺桿機械尺寸檢測;

(3)螺桿壓縮機螺桿、殼體、活塞無損探傷及材質分析;

(4)螺桿壓縮機主、副螺桿數據采集;

(5)螺桿壓縮機主、副螺桿，殼體金相組織檢查及強度評估;

(6)螺桿壓縮機主、副螺桿，殼體損傷面機械清理;

(7)檢查螺桿“燒結抱軸”部分的硬度分布;

(8)消除殼體、活塞損傷部位的應力(熱處理);

(9)螺桿壓縮機轉子主副螺桿激光熔覆材料的選定激光熔覆材料并制作，測定其機械性能;

(10)螺桿壓縮機主副螺桿、殼體、活塞損傷部位激光仿型熔覆;

(11)螺桿壓縮機主副螺桿機加工復型，(根據五連動數控銑床采集的數據，按原設計型面進行機加工復型);殼體、活塞機加工復型。

(12)對機加工復型后的主副螺桿、殼體、活塞進行無損檢測;

(13)修復后主副螺桿、殼體、活塞機械尺寸檢測;

(14)臺架制作;

(15)主副螺桿修復面配合精度檢測及利用臺架進行研磨;

(16)修復后的螺桿進行動平衡檢測，其動平衡精度為G1。

4.2 需解決的技術難點

(1)傳統修復技術如振動焊、氬弧焊、噴涂、鍍層等傳統修理方法，無法解決工藝過程熱應力、熱變形、材料晶粒粗大的矛盾，基體材料結合強度難以保證，材料選用也具有局限性，激光熔覆技術可解決傳統修復工藝不能解決的這些問題。

(2)修復后剩余磁場(測振帶處)對監測探頭的影響問題可解決。

(3)在小熱影響區、無熱變形的前提下，不破壞轉子強度的情況下可進行修復。

5 修復后實施的效果分析

螺桿壓縮機主副螺桿、活塞、殼體經過修復后，對主副螺桿、活塞、殼體的機械尺寸進行了復查，結合螺桿修復前、后無損檢測、激光熔覆仿型熔覆性能、機加工復型性能等進行對比分析發現，激光熔覆技術可有效完成配件修復過程，修復后的配件熔覆層與基體界面都達到了冶金結合的效果，熔覆層未發現微裂紋，氣孔，夾雜等缺陷。其修復后材料性能能滿足設備運轉要求。對主副螺桿進行動平衡試驗后，按照技術標準進行了回裝，其主螺桿及副螺桿部分的具體數據如表2所列，活塞部分的控制指標值如表3所列。

圖3 陰陽螺桿示意圖

表2 主和副螺桿回裝圓跳動/mm

表3 活塞回裝控制指標/mm

螺桿機安裝數據，均在標準范圍內。螺桿機至今運行三個月，壓縮機振動僅為6mm/s，可見修復效果良好。

6 結語

激光熔覆技術作為新的修復技術在配件損傷修復中有巨大優勢，對現代企業降低維修費用，提高對設備的快速修復能力，保障生產方面起到重要作用。值得大力引進和推廣并不斷研究應用。

［1］ 王建軍，程衛華，趙艷梅.激光熔覆工藝在煙氣輪機軸修復中的應用［A］.全國傳熱傳質與節能技術發展研討會［C］.海南，2008.

［2］ 趙 亮，曾廷付，余永增，等.4M50型往復式壓縮機曲柄銷裂紋故障的分析及改進［J］.中國設備工程，2013(6):53－54.

［3］ 中國石油化工集團公司.石油化工設備維護檢修規程［M］.北京:中國石化出版社，2004.

Research and Application of Laser Cladding Repairing Technology for Screw Compressor

MA Ping－ding，LI Yu－jun，ZHAN Jin－lei，WU Jia－hui
(Lanzhou Petrochemical Corporation，Equipment Repair Company，Lanzhou Gansu 730060，China)

Aiming at the wear and tear failure of the screw compressors body and its parts during operating in a refinery，a variety of repairing technical characteristics are compared.the new laser cladding technologies is determined to repair the main screw，sub－screw and piston of screw compressor，Then repairing program is implemented.Finally the operation performance is analyzed after repairing.

screw compressor;main and sub－screw;piston;repairing program

TH12

B

1007－4414(2013)05－0139－03

2013－08－07

馬平定(1975－)，男，甘肅甘谷人，技術員，主要從事煉化機動設備的維修及維護工作。