大型轉機軸瓦復合金屬層在線補焊的探究

侯懷宇，高玉華，賈玉強，王明權，李汶臻

中國石油天然氣股份有限公司 遼陽石化分公司，遼寧 遼陽 111003

0 前言

滑動軸瓦是發電廠站、石油煉化、采掘選礦、船舶等大型轉機設備的核心部件之一，是承載主軸動、靜負荷，使其高速平穩運轉的關鍵組件。軸瓦與軸直接接觸的是耐磨復合金屬層。由于設計要求復合金屬的硬度和強度必須低，所以當機組出現軸振時，容易造成復合金屬層脫落和傷損，導致軸瓦報廢，引發機組減負或非計劃停運的事故。傳統方法是將廢損軸瓦返廠或下線至維修場使用大型專用設備修理，存在用時長、耗費資金、人力多的問題，急需找到一種能短時間補焊復合金屬層，修繕廢損軸瓦，使機組快速復產的方法。在線補焊修復省去了軸瓦下線和運輸時間，還能夠直接校研修繕后的軸瓦，是用時最短的理想補焊修復方案。然而耐磨合金、軸瓦基體鐵合金在熔點、導熱率、密度等相關物理指標存在很大差異，會降低異種金屬的焊接結合性能。此外，耐磨合金的液態流動性好、高溫氧化性強、焊縫結合性差、只適合水平位焊接等不利于補焊的因素，制約了在線補焊耐磨復合金屬合金層的有效實施，迫使軸瓦返廠澆鑄或離線檢修。攻關破解在線補焊耐磨復合金屬合金層難題，成為修復傷損復合金屬層軸瓦、快速復產的關鍵。本文對耐磨合金與瓦基鑄鋼的焊接難題進行了分析，提出了相應的解決措施，并應用于實際工程，為類似零件和材料的在線補焊提供參考。

1 難題分析及解決思路

（1）耐磨合金與瓦基鑄鋼的熔點、導熱率以及氧化膜的熔點差異大，造成焊縫熔合困難。

大型轉機機組軸瓦材料需具有良好的減磨性、導熱性、耐蝕性和足夠的機械性能，而巴氏合金是制造軸瓦內襯的首選軸承合金，它是一種以Sn、Sb或Pb、Sb為主要成分的軸承合金[1]。瓦基材料為鐵合金鑄鋼，鑄鋼與巴氏合金之間有一層淺薄的錫作為過渡層。巴氏耐磨合金分為鉛基和錫基兩大類，大載荷、大功率的轉機設備的軸瓦耐磨合金通常為錫基巴氏合金[2]。鑄造錫基巴氏合金ZSnSb11Cu6固相點溫度為240℃，液相點溫度為370℃，其最高使用溫度不得超過150℃，摩擦系數在有油時為0.005，無油時為0.28。常用軸瓦耐磨合金、瓦基鑄鋼性能比較如表1所示。

表1 常用軸瓦耐磨合金、瓦基鑄鋼性能比較【2-3】Table 1 Comparison of properties of commonly used Babbitt alloy and cast steel

耐磨復合金屬的成分比例不同，導熱率也不同，但其主要成分鉛、錫的導熱率只有鐵的43%左右，而且在空氣中很容易被氧化成灰黑色的氧化物。氧化鉛熔點為1 525℃，氧化錫熔點為1 630℃，熔焊操作時，熔池表面形成一層難熔的固體薄膜，使得焊接工人產生錯覺，認為內部未熔化，于是繼續加熱致使金屬過熱而下塌燒穿[4]。由此可見，在耐磨金屬層補焊操作過程中，焊接結合性遠差于碳鋼，并且容易出現焊接缺陷。解決思路為：在剔除干凈局部脫落耐磨復合金屬層后可使用人工機械加工的方法增加待焊區域粗糙度，利用鉛、錫流動性好、滲透性好的特點進行小線能量、相對低溫度的焊接操作。

（2）耐磨合金液態流動性很高，焊縫成形困難。

液態鉛、錫的流動性很高，焊接時較為困難，不適宜橫焊及仰焊。若掌握不好，會使熔化金屬大量墜流[4]。解決思路為：

①采用淺熔深、小熔池的焊接方法。按照焊接過程中金屬所處的狀態以及工藝特點將焊接方法分為熔化焊、壓焊和釬焊三大類，其中熔化焊的焊縫強度最高[5]，幾種熔化焊的熱源主要特征如表2所示。

表2 幾種熔化焊的熱源主要特性[2]Table 2 Several main characteristics of heat source of fusion welding

②在焊接位置不改變的情況下，采用軸瓦徑向轉動焊接的工作模式。

③對于軸徑大于500 mm的大型軸瓦，例如BBD3854型雙進雙出磨煤機軸徑1 050 mm，轉動困難的軸瓦采用助焊模具，分區、分層、逐道補焊。

2 解決方法

2.1 針對補焊耐磨合金層焊縫熔合困難的解決方法

對于瓦面合金層脫落露出鐵合金的情況，在依照原有常規方法清理污損后，可采用雕刻用手持小型直磨機加不銹鋼絲刷頭對待焊區進行機械刮刷模式，去除氧化膜的同時，可增加待焊瓦基層表面的粗糙度，焊接時利用液態錫流動性好、滲透性好的特點，可獲得理想的焊接層。對于只需補焊耐磨合金的待焊區，可以采用不銹鋼刷或不銹鋼絲刷頭手持小型直磨機（調成低速）清除氧化層，消除焊縫熔合的阻礙。該方法較以往的刮刀刮除模式效率更高，更適合軸瓦的曲面。

2.2 針對耐磨合金液態流動性高，焊縫成形困難的解決方法

（1）采用熱源溫度低、線能量小、熔深淺的焊接方法。缺失耐磨合金層的補焊操作可對應為堆焊。幾種堆焊方法的主要特點如表3所示。

表3 幾種堆焊方法的主要特點【4】Table 3 Main characteristics of several surfacing methods

從表1可以看出，可采用氧-可燃氣體火焰堆焊進行操作。對于軸徑小于DN500 mm軸瓦補焊，由于所需線能量小，也可采用火焰溫度比氧-乙炔焰更低的氫-氧焰焊接[6]。如果焊接區域較大，可將補焊區分為若干個小區域，分次間隔補焊。每層焊縫高度不能過大，若一層焊縫達不到補焊厚度（熔敷金屬應高于瓦面0.5 mm左右），可實施多層焊[7]。

（2）研發焊接輔助設備。

①研發無級轉瓦設備。

軸瓦的補焊類同于錫、鉛堆焊，適焊位置為平焊，由于軸瓦結構形狀為半圓弧形（見圖1），因而實施焊接區域通常為徑向水平線前后5°區域。但是軸瓦是一個可轉動的部件，能調節到理想位置。只是由于大型軸瓦本身自重大，弧面的形狀和瓦背的存有潤滑油污，使得軸瓦旋轉及到達理想位置后固定困難。針對以上特點并結合瓦基部是半圓弧形鑄鋼件，研發了平行四點強磁吸附剛性固定無級轉角輔焊平臺（該設備已經在申請專利中，待獲批）。使用該平臺可利用對稱兩組四點磁力輪對軸瓦進行吸附，并用卡具固定（見圖1、圖2）。這樣既能保證待焊軸瓦在徑向進行無級轉動調整，也能保證其不會滑落翻倒。驅動轉瓦可使用電機，也可利用蝸桿傳動的方式。經實踐使用，效果良好。

圖1 軸瓦旋轉到最大角度后力的分解圖Fig.1 Force decomposition of bearing bush after rotation to maximumAngle

圖2 輔焊平臺旋轉軸瓦實例Fig.2 Example drawing of auxiliary welding platform rotating bearing bush

②針對軸徑大于DN500 mm的軸瓦耐磨合金層的補焊研發軸向焊縫成形模具。

磨煤機、球磨機、選礦機的軸瓦過大（如BBD3854型雙進雙出磨煤機軸徑為1 050 mm），不適合在平臺上操作，補焊區域也相對較長。結合鉛的焊接操作方法實例，對于鉛的橫縫焊件可采用擋模法焊接，將擋模傾斜支撐在焊縫下方，逐段進行焊接[8]。依據對焊接工裝夾具的設計要求，焊接工裝夾具應動作迅速、操作方便，操作位置應處在工人容易接近、最宜操作的部位。特別是手動夾具，其操作力不能過大，操作頻率不能過高，操作高度應設在工人最易用力的部位，當夾具處于夾緊狀態時應能自鎖[9]。研發制作軸瓦補焊便捷磁力固定輔焊模具，如圖3所示。模具主要材料為導熱性、塑性良好的純銅，利于低熔點的鉛、錫合金耐磨層焊接熔池的快速凝固。模具的使用從水平位置開始，分別向軸瓦徑向兩端逐層堆焊。

圖3 便捷磁力固定輔焊模具Fig.3 Convenient magnetic fixed auxiliary welding mold

3 應用實例

2022年某石化公司熱電廠鍋爐裝置3#磨煤機型號為MG2947，具體參數為：長度2 900 mm，直徑4 700 mm，容積31.04 m3，轉速19.34 r/min，最大裝球量35 t，生產能力16 t/h，進料/出料口尺寸850/950 mm，電動機功率560 kW；總裝尺寸（長×寬×高）為11 130 mm×6 353 mm×4 844 mm，總重77.8 t。3#磨煤機在運行中出現軸頸潤滑油溫度逐漸升高的現象，停運檢查發現軸瓦表面巴氏合金耐磨層出現深度約2 mm的條痕，其長540 mm，寬25 mm。使用HS610e超聲波檢測儀檢測出現雜亂波（見圖4）。分析原因主要是中瓦面損傷處軸頸的光潔度不夠，使瓦面接觸點受剪應力作用而引起大面積拉傷。

圖4 超聲波檢測的軸瓦損壞層波形Fig.4 Waveform of damaged bearing bush detected by ultrasonic

修復傷損瓦方案一（原方案）：離線返廠檢修，工作期為15個工作日。方案二：采用研發設備及配套新方法的在線維修工期為2個工作日，其中補焊時間約為8 h。

經研究決定實施方案二，具體操作為：使用軸向焊縫成形模具進行操作，實施氧－乙炔氣焊，分區、分層、梯次逐道補焊，焊接工藝參數見表4。由于傷損瓦面較長，故焊前清理時使用夾不銹鋼絲刷頭的小型手持低速直磨機清理氧化膜，并使用0.2～0.4 MPa的壓縮空氣吹凈雜物；停焊復焊及第二層焊接前，也采用低速直磨配合空氣風吹掃清理氧化層模式。采用該種方法焊縫結合簡單迅速，未出現不熔合、氣孔、夾渣等現象，補焊效率大幅提升，實際補焊操作時為6 h。

表4 焊炬規格、焊接工藝參數[10]Table 4 Torch specifications and welding process parameters

修復后使用HS610e超聲波檢測儀檢測，反射波形為清晰反饋波，內部質量優良，見圖5。修復后的軸瓦運行至今未出現異常。實施軸瓦復合金屬層在線補焊維修的方案，相比原方案縮短工時：（15-2）×24=312 h；提前復產煤粉：16 t/h×312 h=4 992 t，提前復產蒸汽：420 t/h×312 h=131 040 t；節約返廠澆鑄軸瓦費用數十萬元。

4 結論

大型轉機設備核心部件軸瓦價格昂貴，其瓦面耐磨復合金屬層的缺損在線修復是高效、節省維修資金、減少耗費的理想方案。但之前由于軸瓦的低熔點耐磨合金層焊縫熔合困難、液態流動性高、焊縫成形困難，使得在線修復大型軸瓦成為一個難題。本文針對難點實踐使用小型直磨機機械刮刷去除氧化膜、增加基體粗糙提高異種金屬的熔合性能新操作方法，針對軸瓦調整焊接位置不利于補焊維修，研發了平行四點強磁吸附剛性固定無級轉角輔焊平臺和軸向焊縫成形模具，解決大軸徑軸瓦耐磨合金層的補焊困難、焊縫下墜明顯等缺陷，有效解決了在線修復補焊軸瓦作業中出現的綜合性難題。

圖5 超聲波檢測的軸瓦補焊區波形Fig.5 Waveform of bush repair welding area detected by ultrasonic