脫硫濕式球磨機大型空心軸軸頸磨損修復工藝探索及應用

摘 要：針對粵西某電廠脫硫濕式球磨機空心軸軸頸磨損深度約5 mm的情況，技術人員綜合比較了國內幾種常用的大型軸頸修復工藝，因施工條件限制以及軸頸磨損過深，幾種修復工藝均不適用于該項目。經過分析研究，探索出該項目適合采用手工電弧焊修復的工藝并成功實施，為類似大型空心軸軸頸磨損修復提供了借鑒。

關鍵詞：球磨機;空心軸;軸頸磨損;修復

1 項目背景

粵西某電廠脫硫系統濕式球磨機由克萊德貝爾格曼供貨，2018年4月發現其入口軸承跑內圈，塞尺測量軸承與軸裝配位置間隙4～5 mm，因此需對其入口中空軸進行修復處理。技術人員對比了國內幾種大型軸頸修復工藝，通過分析比較并結合本項目的特點，發現因施工條件限制以及軸頸磨損過深，這幾種修復工藝均不適用于本項目，所以決定針對本項目特點，依托自身檢修力量開展技術攻關，探索出一種采用手工電弧焊修復的工藝對空心軸進行修復。本項目實施后，修后設備各運行參數均達優良值，設備保持長周期正常平穩運行，取得了顯著成效。

2 各種修復工藝對比研究

脫硫濕式球磨機空心軸直徑為750 mm，壁厚97.5 mm，空心軸與大端蓋為整體鑄造成型，大端蓋直徑2 800 mm。報告顯示空心軸硬度為HB135。軸頸磨損量約5 mm。專業技術人員對比研究了對目前國內常用的幾種修復工藝。

2.1? ? 高分子納米材料修復工藝

高分子納米材料是由航空級樹脂、納米無機材料和高性能碳材料、纖維等先進材料通過聚合工藝生成的一種高科技納米新型材料，該材料最大的優點在于粘結強度高、綜合力學性能好、抗腐蝕、易于成型、可加工等，且對修復厚度沒有要求。高分子納米材料修復工藝施工簡單且不用拆卸大端蓋，可直接在現場進行修復，施工工期短。修復過程不產生熱量，不會造成空心軸變形，費用相對較低。前述空心軸于2017年曾出現磨損故障，采取了該工藝修復，但修復完的設備投運不足一年就又出現納米材料破碎造成軸承損壞的問題。該工藝不夠成熟，耐沖擊性能差，不適用于球磨機空心軸這種重負載運行的工況。

2.2? ? 激光熔覆修復工藝

激光熔覆修復工藝是一種表面強化技術，以激光熔覆為修復技術平臺，以金屬粉末為材料，在修復部位逐層熔覆，之后對其進行機加工[1]。該工藝的優點是激光熔覆焊材與基體熔合強度高，耐磨性好，修復質量有保證。激光熔覆對基體產生的熱量較少，空心軸在修復過程中升溫不超過80 ℃，產生的熱應力少不易變形。但該工藝也存在激光熔覆機工作時要噴射金屬粉末焊材進行熔焊，焊機只能在焊接體上方作業，無法進行仰焊作業的問題。在軸修復時，焊機固定，將軸盤動轉動對軸進行圈周補焊，但球磨機軸頸修復需拆除軸承，筒體無法轉動，故該工藝無法在現場實施。此外，修復厚度過厚，質量不容易控制，加上用該工藝修復的費用較高，機加工難度大，因此不適用于本項目。

2.3? ? 脈沖閃焊修復工藝

脈沖閃焊就是利用脈部閃焊設備發出的可控脈沖電流（實際上是一種脈況電能）在補材與工件修復面接觸處0.5～1.0 mm，由于接觸電阻而在瞬間將補材加熱并與工件修補部位的基材熔（焊）合在一起而形成焊補層，從而達到修復目的。該工藝的優點有熱輸入小，可避免因熱輸入大而使工件基體材質產生熱影響區和尺寸變形;結合強度高，幾乎與堆焊和噴焊的結合強度相當[2]。缺點是設備較大，不易操作;修復時間較長，加工效率低，且大面積磨損修復難度較大等;對深度超過5 mm的工件修復時間過長，多層焊接質量難以保證。由于本項目空心軸的磨損深度已超過5 mm，因此該工藝不適用于本項目。

其余的還有摩擦電噴鍍修復工藝[3]、熱噴焊修復工藝、微弧焊修復工藝等，這些修復工藝各有優缺點，但大多都存在需要修復工件能轉動，或修復的厚度不能太厚等問題。本項目的空心軸軸頸是套裝軸承的部位，軸承已損壞需拆除，空心軸無法轉動，只能就地修復或拆下大端蓋，裝在專用工裝上轉動修復。但大端蓋的直徑為2 800 mm，結構不規則，施工難度較大。大部分修復工藝的修復厚度達不到5 mm，若修復厚度過厚則質量難以保證，且費用也較高。

綜合考慮，上述幾種工藝均不適用于本項目，專業技術人員決定立足于自身的技術力量探索新的修復工藝。

3 本項目的特點和方案研究

本項目有以下3個特點：（1）軸頸磨損深度達5 mm，遠超一般大型軸頸所需的修復厚度。（2）球磨機的運行工況對耐沖擊要求較高，修復焊材與軸頸的結合度要好。（3）球磨機筒體的轉速較低，只有21.06 r/min，與發電機轉子或汽輪機大軸相比，轉速低得多，對加工精度的要求沒有那么高。技術人員經研究和論證決定本項目采用手工電弧焊修復工藝進行修復。手工電弧焊修復工藝的優點是焊材結合度好，修復效果有保證，且不受堆焊厚度的限制，適用于本次修復工作。經過一些技術手段可以將加工精度控制在可接受范圍內，不影響設備正常運行。但該修復工藝很少有工程實例，有幾方面的技術問題需要解決。

4 手工電弧焊堆焊工藝的技術難點

（1）需保證焊接質量，確保手工電弧焊修復后達到空心軸的質量要求。（2）手工電弧焊產生的熱量較大，空心軸會形成較大的熱應力。而且空心軸的尺寸較大，壁厚較厚，空心軸受熱過大形成熱應力后容易發生變形。（3）需將大端蓋拆下進行堆焊及車削，在回裝時要保證進出口軸的同心度，否則會使球磨機筒體進出口不同心而產生跳動，使設備振動過大而無法投運。

5 施工方案制訂及實施

（1）為保證焊接質量和避免焊接過程熱應力過大使空心軸變形，采用了以下施工工藝：1）用砂輪機及金屬磨頭消缺。首先將原納米高分子修復層全部去除，表面打磨后經光譜檢驗，確定修復層全部打磨消除后，再把表面修復平整。2）對堆焊區采用履帶式整體加熱方式，對外壁加熱。預熱溫度為200～250 ℃，保溫3～5 h，預熱范圍為堆焊區200 mm左右。禁止在空氣對流的場所進行補焊。3）焊條為？準4 mm，型號E5015，使用前經350 ℃烘焙1 h，或按焊接條說明書進行烘焙，焊條烘焙后放在保溫桶中，隨用隨取。4）采用直流電焊機，反接法，電流130～160 A。5）焊接時，焊條不應擺動過大，應分段、交錯焊接，采用短弧、窄焊道多層焊。焊接時注意操作手法，防止產生夾渣氣孔缺陷，并與兩側本體圓滑相接，如需要多層多道焊時，填充層每焊接1/2～1根焊條，即停焊清渣。使用小手錘或風鏟，先打掉焊縫藥皮，再對焊縫細密捶擊3個來回以松弛應力，再接著焊接下一層，保證焊道不擺動或擺動幅度較小，捶擊時先捶擊焊道中間再捶擊焊道邊界，蓋面層不需要捶擊。層間溫度低于預熱溫度下限后，應停焊再次加熱達到預熱溫度后才可以繼續焊接。焊接時空心軸內部要填滿保溫，以減緩溫度的降低速度。蓋面層焊縫略高于大軸表面1～2 mm，以保證有加工余量。6）補焊過程中若發現裂紋及缺陷，應徹底清除后方可繼續補焊。7）空心軸堆焊后必須立即進行焊后熱處理，采用履帶式加熱方法對焊接區域進行整體加熱，考慮到空心軸表面精度或脫碳影響使用，回火溫度應適當降低，因此對焊接區加熱可采用兩種方法：一是500～550 ℃保溫2 h，二是350～400 ℃保溫6 h。8）焊后補焊區域的硬度應不高于原母材硬度的40%，焊縫表面著色探傷Ⅱ級合格。9）把焊接后的空心軸送車床進行粗加工后再進行表面探傷，合格后再進行精加工。10）對空心軸進行堆焊的過程中用百分表多次測量偏心度，若某方向偏心度過大即減慢堆焊速度或停止堆焊，或采用在對面的相應位置堆焊的方式進行調整。焊接完成并且熱處理完畢后再次仔細測量，確認最終偏心值。上車床加工時也在水平方向和垂直方向用兩塊百分表進行測量，經過粗車后再進行精加工，確保加工后空心軸偏心度在可接受范圍內。（2）對回裝進出口大端蓋同心度調整采用了如下施工方案：1）在拆卸大端蓋前將大端蓋均分為八等份，以筒體邊沿為基準點測量筒體邊沿與大端蓋側面的偏差值，做好記錄。2）分析球磨機筒體和前后大端蓋的結構，找準安裝測量的基準點。3）回裝大端蓋時采用帶錐度的螺桿對大端蓋的同心度進行初步調整。回裝到位后再次測量原8個點筒體與大端蓋邊沿的偏差值，并與拆卸前的數據進行對比。數據不同的根據測量數值進行微調，直至調整后的偏差數值與原數值相符。4）利用4個百分表測量軸向及徑向跳動值，超標的應進行調整，保證齒圈的中心位置正確。大齒輪徑向跳動不超過0.4 mm，軸向跳動不超過0.4 mm。5）調整大齒輪圈與小齒輪的齒頂間隙和齒側間隙直至符合規程要求。

6 項目實施效果

按照施工方案嚴格執行相關工藝要求，對空心軸進行補焊修復后的檢測表面硬度符合要求，表面著色探傷檢查合格。車床粗加工和精加工后表面金屬粗糙度達標準要求，進出口空心軸同心度調整后符合要求，回裝大端蓋后調整各數據符合技術要求。整機修后試運時進出口軸承振動值最大不超過0.02 mm/s，優于指標0.15 mm/s。設備修后已投運兩年多，設備狀況良好，達到預期目標。

7 結語

本項目因現場實際情況不適合采用國內較普遍使用的修復工藝，故根據項目特點，立足自身技術力量，研究出一套修復質量優良且成本低、工期短的修復工藝，打破了球磨機大型空心軸必須外委修復的技術壟斷。本項目采用傳統的手工電弧焊修復工藝，采取相應的技術措施，克服了對空心軸補焊易產生熱應力引起變形的技術難題。同時研究出回裝大端蓋調整同心度的施工方案，設備投運后各參數達到優良值，且保證了設備長周期穩定運行，項目取得了成功，為修復脫硫濕式球磨機大型空心軸提供了經驗。

[參考文獻]

[1] 陳囿兆，周志雄.大型轉子軸頸磨損的現場修復[J].機械制造，2007，45（2）：69-70.

[2] 王華仁.大型發電機轉子軸頸磨損后的脈沖閃焊修復[J].表面技術，1998，27（6）：43-47.

[3] 魯紅春，趙甦.應用摩擦電噴鍍技術現場修復大型發電機勵磁機整流子[J].電刷鍍技術，2005（3）：52-54.

收稿日期：2021-01-21

作者簡介：劉毅（1977—），男，廣東湛江人，鍋爐工程師，研究方向：火力發電廠環化設備檢修管理。