離心壓縮機葉輪焊接修復工藝

梁彥榮　王引珠　徐金

離心壓縮機葉輪焊接修復工藝

梁彥榮王引珠徐金

【摘要】介紹了某鋼廠用國外離心壓縮機葉輪的裂紋修復情況及具體修復過程，從修復成本和修復速度方面綜合考慮，最終確定采用電弧焊修復方案，利用公司現有的焊接評定編制焊接修復工藝并實施，快速完成了該葉輪的修復工作，用戶現場運行一年后效果良好。

1. 概述

國內某鋼廠特鋼生產線在設備檢修時發現壓縮機轉子第一級葉輪有肉眼可見裂紋，由于葉輪為整個壓縮機設備中高速旋轉部件，在運轉中承受著高速旋轉產生的離心力和振動應力作用，葉輪如出現裂紋會給機組的運行安全造成很大的威脅。

此壓縮機轉子是由國外某公司生產，用戶沒有備件轉子，如要恢復整個生產線的運行，必須盡快對葉輪裂紋進行修復。經查，該機組轉子的工作轉速7 664r/min，葉輪最大線速度達300m/s，有裂紋的葉輪是采用國外牌號的高合金材質焊接而成，由于在轉子上修復，所以就要求制定修復方案時必須要保證焊縫強度，同時還要控制葉輪出口變形，這也給修復方案的制定提出了嚴格的要求。

2. 轉子裂紋情況及方案制定

（1）工件裂紋情況經著色探傷檢查，葉輪有兩枚葉片出風口處存在裂紋缺陷，如圖1所示。其中一枚葉片裂紋延伸至出風口端面，初步判斷為穿透型裂紋，裂紋長度為40mm。

（2）修復方案對比 為保證整個轉子的修復質量，有效控制焊接變形，對轉子的裂紋提出了用激光熔敷和焊條電弧焊兩種修復方案。經分析，如采用激光熔敷工藝，修復成本較高，為保證可靠性，需修復前對所采用的合金粉末修復工藝進行研究和試驗，修復周期增加；如采用焊條電弧焊，補焊經驗豐富，修復費用比較低，但修復過程中易產生飛濺、裂紋、氣孔等缺陷，采用焊條電弧焊接也容易導致葉輪出口產生變形，影響轉子的平衡和機組性能。

（3）葉輪裂紋修復工藝分析由于此轉子全為進口部件，葉輪材料為X3CrNiMo13-4，葉輪母材化學成分如表1所示，通過對各國常用標準及葉輪材料成分進行比對，X3CrNiMo13—4等同于ASTM 標準中的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提高其強度和耐腐蝕性，雖韌性、焊接性優于Fe-Cr-C系馬氏體，但其淬硬傾向比較大，在擴散氫和殘余應力作用下，冷裂傾向比較嚴重。

鑒于公司葉輪焊接生產和修復經驗，經和用戶商議，確定采用焊條電弧焊進行修復。

3. 焊接試驗及評定

圖1　轉子葉輪裂紋部位

采用焊條電弧焊對S41500材料進行焊接試驗，填充材料選用國外某公司生產的E410NiMo －15焊條，焊材熔敷金屬化學成分如表2所示。試驗分焊接試

驗和補焊試驗兩部分，焊接試驗采用焊前預熱和焊后性能處理的工藝，補焊試樣的補焊深度為3mm，焊后僅做熱處理消應力，試樣焊接要求采用多層多道焊，并嚴格控制層間溫度，焊時采用小電流、低電壓焊接，避免熱輸入過大，焊接及補焊試驗結果如表3～表5所示。

通過對S41500材料試驗試板進行著色檢測和超聲波探傷檢測，焊縫外觀成形良好，試板探傷結果符合葉輪制造標準要求。

4. 電弧焊修復方案制定

通過對葉輪缺陷進行清理，缺陷長度達40mm，考慮此材料焊接收縮量比較大，不僅要保證修復部位的焊接質量，還要嚴格控制焊接變形，這是修復方案制定過程中需重點考慮的問題。

修復工序控制如下：

（1）修復工藝考慮缺陷為穿透型，為保證焊接質量，方便焊工操作，減少焊接缺陷，修復工藝要求從流道內側清除裂紋缺陷，焊后在流道外側清根、焊接。

（2）坡口制備缺陷清理的同時修磨焊接坡口尺寸，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缺陷進行清理，清除缺陷時直接磨出單面U形坡口，并在U形坡口底部留1.5～2mm厚度不動，焊后清根，以最大程度保證焊接質量和減少焊接變形量。

（3）焊前預熱焊前對補焊部位預熱200℃，通過預熱，能減緩焊縫的冷卻速率，從而降低補焊區域的拘束度，較高的溫度有助于焊縫中擴散氫的逸出。

（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℃，通過焊接參數可以對焊接熱輸入量進行控制，避免在熱處理區形成粗大的馬氏體組織。

（5）工裝變形控制制造雙側帶防變形工裝，葉輪補焊前對補焊部位出口處增加防變形工裝，以減少補焊變形。

表1　葉輪母材實測化學成分（質量分數）　　　　?。?）

表2　焊材熔敷金屬化學成分（質量分數）　　　　?。?）

表3　焊接接頭力學性能

表4　焊條電弧焊接頭及補焊試樣沖擊數據對比

表5　焊接參數

5. 實施過程

（1）裂紋的清除從流道側清除裂紋缺陷，裂紋清除后如圖2所示。

（2）焊條選用及預熱選用E410NiMo—15焊條，φ3.2mm，焊條烘干待用，焊前用氧乙炔中性焰預熱焊接部位，預熱溫度180～200℃，達到預熱溫度后保溫15min后開始焊接。

（3）焊接將轉子旋轉到合適的位置，選用φ3.2mm細焊條，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焊區域加熱至350℃，保溫2h，空冷至室溫，以消除應力，細化焊縫金屬晶粒。

圖2　缺陷清除

圖3　防變形塊

（6）拋磨用拋光機拋磨焊縫表面。

（7）焊接檢測對焊縫進行外觀檢查和表面著色滲透試驗，焊接質量符合葉輪檢測要求。

6. 應用

采用上述修復工藝對壓縮機葉輪上的裂紋進行修復，整個焊接修復過程用時18h，以最快的速度將壓縮機修復并投入使用。修復后的壓縮機機組運行穩定，在運行近半年的定期檢查中，未發現缺陷。

實踐證明，采用焊條電弧焊對這種材料進行修復的工藝切實可行，有效解決了用戶的燃眉之急，經濟效益顯著。

7. 結語

（1）修磨穿透型裂紋缺陷時先留厚度1.5～2mm，焊后清根，同時利用工裝對補焊部位的變形進行控制，可有效減少此類結構在焊接修復時產生的變形。

（2）焊后進行相應的保溫處理，減少焊接殘余應力并控制擴散氫的含量，可提高焊縫力學性能。

（3）針對X3CrNiMo13－4精加工葉輪，應用實踐證明，采用E410NiMo—15焊材用焊條電弧方法對缺陷進行修復其修復工藝可行。

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20141103

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作者簡介：梁彥榮等，西安陜鼓動力股份有限公司。