F級燃機機組主汽調節閥現場修復機器人弧焊研究*

唐 彬，葛圣杰，盧志龍，馬耀清，李 芳

（1.上海電力股份有限公司 吳涇熱電廠，上海 200241；2.上海交通大學 上海市激光制造與材料改性重點實驗室，上海 200240）

1 概 述

廣東某電廠1#機組是F 級單軸燃氣蒸汽聯合循環機組 （三菱M701F3），年啟停次數≥200 次。2017 年11 月，在對主汽調節閥進行解體檢修中，發現閥座密封面位置存在多處裂紋 （如圖1 所示），主要特征表現為沿徑向放射狀和外圓周向裂紋，直接影響發電機組的經濟性和設備正常運行。 由于閥腔內空間狹小，閥座處于深坑部位，為避免返廠修理，必須采用特定的現場自動化裝備和技術對其進行修復。

圖1 閥座密封面裂紋形貌

2 主汽調節閥技術要求和現場測繪

2.1 主汽調節閥技術要求

主汽調節閥閥體材質符合SA182－F22 標準，與閥座為一體式結構 （即直接在閥體上堆焊密封面），堆焊材料為 12%Cr Steel （AWS ER－410）。主汽調節閥閥芯密封面則采用Stellite 6 合金堆焊，兩者相對軟硬結合，滿足燃氣機組在高頻率啟停的條件下可以保證其密封面的嚴密性。 高壓主汽調節閥密封面如圖2 所示。

圖2 高壓主汽調節閥密封面示意圖

2.2 現場測繪

經現場測繪，主汽調節閥閥座為弧面結構，閥座密封面最大直徑289 mm，閥蓋內孔直徑348.5 mm，螺孔中心距離520 mm，閥蓋至閥座端面高度770 mm，至圓弧面下沿高度855 mm，喉部通徑184 mm （如圖3 所示）。 從測量結果可以看出，閥腔內空間狹小，閥座處于深坑部位，無法按照常規的手工方法進行修復，為了保證修復質量及修復的可實施性，本研究制定了 “機器人+數控加工+在線熱處理” 的自動化現場修復方案。

圖3 高壓主汽調節閥現場測繪尺寸

3 現場修復工作技術流程

為保證主汽調節閥閥座的修復質量達到出廠水平，針對現場環境和條件，根據現場測量結果，制定了如圖4 所示的現場修復技術流程。

圖4 主汽調節閥現場修復技術流程

4 現場修復準備工作

4.1 機加工工裝制作

現場機加工的關鍵是如何將機加工定位，同時確定機加工的基準。 考慮到待加工面與法蘭面同心，依據現場設備的尺寸測繪，制作了專用定位工裝，包括與閥蓋相匹配的固定法蘭、 支撐立柱和定位塊等。 這些輔助工裝可以保證現場機加工設備的強度和精度要求。

4.2 設備安裝和調試

將定制工裝和數控機加工設備安裝在主汽調節閥閥蓋上，依據主汽調節閥閥座的尺寸技術要求，進行數控加工編程和設備調試。 機加工設備現場安裝如圖5 所示。

圖5 機加工設備現場安裝

4.3 機加工過程控制

4.3.1 現場機加工和檢驗

圖6 現場機加工和檢驗

現場機加工和檢驗如圖6 所示。 對存在缺陷的閥座密封面部位應先車削干凈，車削區域包括原堆焊層材料和焊接熱影響區 （厚度確定為10 mm），車削結束后進行光譜檢驗和著色檢驗，以確保閥門本體缺陷全部清除。

圖7 二次機加工路徑規劃

4.3.2 二次機加工路徑規劃二次機加工路徑規劃如圖7 所示。 本修復方案實施過程中，經無損檢測結果顯示，閥門本體亦存在缺陷，裂紋深度約35 mm，所以對存在的部分缺陷進行第二次車削。 同時，為了防止車削對閥門本體的損傷，車削尺寸作了進一步規劃，該規劃能夠盡可能的減少閥門本體的損傷。

4.3.3 機加工內容

依據主汽調節閥存在的缺陷情況，現場機加工工作包括原始堆焊層缺陷消除、 閥門本體缺陷機加工和修復堆焊后的閥座密封面成形。

5 機器人弧焊技術

由于待堆焊修復部位深度大于800 mm，屬于狹小空間內的深坑堆焊。 同時，現場的檢修工期較短，需要采用熱焊方法才能確保修后質量滿足出廠要求。 因此，基本排除了手工修復的可能性，利用弧焊機器人的離線仿真、 參數移植、 三點示教和狹小空間內的焊道及軌跡規劃等技術可以較好地克服現場環境條件的限制。

5.1 離線仿真

考慮到閥門結構特殊，必須采用特殊的焊槍和一定的姿態才能完成修復任務，所以在整體設計前需要確定特定焊槍的長度、 形狀和姿態是否能夠滿足施焊要求，同時需要確定焊接軌跡和姿態與閥門內部結構無沖突。 為了優化設計，通過離線建立閥門虛擬模型，在機器人的Robot studio 里面虛擬示教焊槍運動的軌跡和路徑，實現了焊槍軌跡、 姿態、 路徑以及機器人工裝、 夾具和焊槍尺寸的預設計。 3D 仿真宏觀結構如圖8所示。

圖8 機器人3D 仿真宏觀結構圖

5.2 參數移植

由于現場在線修復的周期一般較短，留給現場在線施工的時間有限，所以必須在進入現場前獲取機器人運動軌跡、 焊接電流、 電壓、 速度及焊槍軌跡等基本參數。 為此，通過在實驗室將機器人與高噸位變位機聯動來模擬現場閥門的位置與姿態，構建了與現場在線修復環境一樣的工作狀態和模式，通過這一模擬獲取全套工藝參數，將離線模擬的參數移植到現場，只需在線微調即可保證現場修復的高效率及高質量。

5.3 機器人三點示教

閥門內部空間相對狹小，這也是無法進行手工修復的主要原因。 同樣，也給機器人的示教工作造成一定的技術難度。 根據閥體的結構設計和制造加工工藝特點，閥門密封面與閥蓋法蘭端面是一個同心圓，具有很好的同心度。同時，依據幾何原理，只需確定3 個點就可以確定一個圓。 因此，在機器人示教時，就可以利用機器人內部的運算功能，通過三點定位計算出圓心，從而規劃出一個圓的軌跡，快速完成示教工作。

5.4 狹小空間內的焊道及軌跡規劃

閥體和密封面需要堆焊的部分具有一定厚度，同時要控制焊接過程的稀釋率，單層單道無法完成修復方案，必須采取多層多道焊。

對狹小空間內的焊道及軌跡進行了周密的規劃，三點示教和焊道規劃示意如圖9 所示。在實際施焊時，在建立了圖9 所示的空間幾何坐標圖前提下，僅需要下面幾步即可完成多層多道的焊道規劃： ①三點尋位 （通過示教或激光尋位）； ②根據圖紙中施焊面與法蘭邊緣的高度差和半徑差計算新的工具坐標系，即僅需輸入 ΔH 值和 Δr 值； ③對于多層多道堆焊，根據每道的焊厚確立偏移量，進行焊接軌跡精度校準，即僅需輸入 ΔH1值和 Δr1值，然后依據工藝需求切分和偏移圓的軌跡，就可以根據幾何位置確定不同的起始和結束焊接位置，滿足焊接接頭錯開的技術需求。

圖9 三點示教和焊道規劃

同時，通過一系列的工藝試驗可根據焊接電流、 送絲速度和焊接速度等參數確立每道焊縫的余高及寬度，進而利用焊接偏移程序來完成多層焊道的實施，即在z 方向確立焊道的位置高度，在y 方向確立焊道的相對偏移位置。 因此，在整個焊接過程中只要在弧焊機器人中輸入后續焊道的z 方向和y 方向位置偏移值就可以按照預先規劃的軌跡和速度進行焊接，無需再對每一道焊縫進行重新示教工作。

6 中頻感應內外加熱

主汽調節閥閥體和密封面外形復雜，壁厚尺寸多變。 若采用傳統的外壁加熱傳導方法，溫差較大。 中頻感應內外加熱技術能夠根據現場高溫、 高壓蒸汽閥門密封面結構和環境的復雜性，確保在焊接或修復過程中滿足加熱工藝和工作時序的要求。 加熱工作時序見表1。

表1 加熱工作時序

當需要熱處理時，先利用閥門端蓋螺栓將工裝固定在閥蓋上，再將特制的內加感應熱線圈固定在L 型移動盤上，連接好加熱電源和感應線圈的水冷電纜，內壁感應線圈數模見圖10。

圖10 內壁感應線圈數模

焊接或修復前，感應線圈通過升降臺工裝先移動到閥體的閥蓋法蘭口，然后再進入到閥門腔體內直至密封面的內孔位置。 對于外壁熱處理，其柔性空冷加熱電纜可直接纏繞在不規則閥體外壁，從閥門開始預熱到整個焊接結束時其一直處于工作狀態，在閥門外壁形成一道 “熱壩”，防止過度散熱，以保證密封面加熱效果。 內壁和外壁熱處理同時開始工作，預熱溫度恒定后，只退出內加熱線圈，外壁熱處理繼續恒定溫度，以保證焊接或修復過程中的層間溫度。 完成焊接或修復后，內加熱線圈進入，與外加熱線圈以相同的升溫速率、 恒溫時間、 降溫速率開始進行焊后熱處理，直至整個熱處理過程全部完成。

7 修復過程

本次修復工作包括主汽調節閥閥座密封面和相鄰閥體兩部分，必須先修復閥體再堆焊密封面。 兩者材質不同，選用的修復和堆焊材料不同，工藝也不同 （見表2），因此，其技術難度高、 工藝復雜。 為此，修復工藝的制定必須合理和準確，整個工藝過程要嚴格控制。

表2 修復和堆焊材料

7.1 預熱

在確認缺陷全部車削消除的前提下，采用現場熱處理設備進行焊前預熱，完成熱處理設備安裝和調試，確認無誤后進行預熱。 預熱溫度為250～300 ℃，保溫 1 h。 保溫結束后用紅外線測溫儀進行溫度測量，滿足范圍后方能執行下一工序。

7.2 閥體補焊

圖11 閥體補焊修復現場

閥體補焊修復現場如圖11 所示。 采用弧焊機器人對閥體消缺部位進行堆焊，堆焊尺寸恢復至原密封面尺寸。 采用分層分道焊接，嚴格控制層間溫度到 300～350 ℃，焊縫成形良好，外觀平整，無咬邊等缺陷。 閥體補焊后進行 350～400 ℃保溫，2 h 后熱處理，最終熱處理在密封面堆焊后一并執行。

7.3 密封面堆焊坡口車削

采用數控加工設備對閥體堆焊面進行密封面堆焊坡口加工，坡口深度不小于7 mm，對坡口面及堆焊位置進行著色檢驗，滿足NB/T 47013標準要求，I 級合格。

7.4 密封面堆焊

對堆焊進行預熱，預熱溫度300～350 ℃。采用分層分道進行密封面堆焊 （如圖12 所示），嚴格控制層間溫度 （300～350 ℃）。 焊縫成形良好，外觀平整，無咬邊等缺陷。

圖12 密封面堆焊現場

7.5 熱處理

由于閥座密封面堆焊材料是AWS ER－410，焊后需冷卻至MS 點以下進行馬氏體溫度轉變，再進行升溫熱處理。 熱處理溫度與基材的回火溫度保持一致，恒溫時間=δ÷25×2 h，升降溫速率=6 250÷δ，且≤150 ℃/h、 ≤80 ℃時拆保溫棉。 保留完整熱處理工藝曲線，升溫速度、 保溫溫度、保溫時間、 降溫速度、 拆包溫度均以監控熱電偶顯示為準。

7.6 成形機加工

依據主汽調節閥的制造技術標準和現場測繪尺寸，確認最終密封面輪廓尺寸，進行數控編程并確認程序正確，最后進行密封面的成形加工，表面加工精度＜0.4 μm。 成形加工后效果如圖13 所示。

圖13 成形加工后效果圖

7.7 修后檢驗

修復后的主汽調節閥必須達到出廠時的質量驗收標準，包括無損檢測、 硬度檢驗和密封面閥線校核等工作。 其中，硬度檢驗應在熱處理結束后進行，包括本體和閥座密封面，硬度值為 200～260HB。 經最終檢驗，主汽高壓調節閥的現場修復質量達到了預期效果 （如圖14 所示）。

圖14 密封面校核效果圖

8 結束語

針對閥腔內空間狹小，閥座處于深坑部位的修復特征，通過制定和執行 “機器人+數控加工+在線熱處理” 的自動化修復方案，消除了F級單軸燃氣蒸汽聯合循環機組主汽高壓調門閥體內腔的本體裂紋和閥座開裂等缺陷，修后質量滿足各項技術要求，修復后的設備安全運行至今。

現場數控加工、 機器人弧焊和中頻感應內外加熱等技術的綜合應用，為消除同類型高溫高壓蒸汽閥門內腔的重大缺陷提供了新的技術路線，也為相關設備的現場檢修提供了方法和途徑。