電火花堆焊工藝在電廠關鍵部件修復應用
中國農業機械化科學研究院表面技術研究所汪瑞軍黃小鷗

[摘要] 電力工業作為國民經濟的基礎產業,一直是國家發展的重點對象。本文采用電火花堆焊工藝成功修復汽輪機發電機轉子密封段軸徑磨損缺陷,并順利通過兩年半運行試驗。另外還完成汽輪機汽缸密封面修復、熱網循環主軸磨損面修復。到目前為止,采用該工藝已成功修復相關類型轉子近二十根,相關部件幾十件,獲得巨大經濟效益和社會效益。
關鍵詞:電火花堆焊、電廠、磨損、修復
1.引言
電力工業作為國民經濟的基礎產業,一直是國家發展的重點對象。近二十年是我國電力發展史上發展最快,成就最大的時期。截止到1998年,我國電力裝機容量達到277 289MW,全年發電量達11 576億千瓦小時,全國大型火力發電廠(裝機容量1000MW以上)已達68家[1]。
隨著電廠數量增加、單機容量和參數不斷提高,機組維護、修復也日趨復雜重要。作為汽輪機發電機組心臟部件——發電機轉子,其運行精度高,運轉速度快,制造成本高,一旦損壞,將直接導致整個機組輸出功率下降甚至癱瘓。曾采用熱噴涂、氬弧焊、貼片機、電刷鍍等多種工藝進行修復 [2],但修復后的實際實用效果均不令人滿意。
本文采用中國農業機械化科學研究院表面工程技術研究所研制生產的DZ-1400型電火花堆焊設備(簡稱 ESD)對磨損的發電機轉子密封段軸徑現場修復,獲得滿意效果和成功經驗,現已完成近二十根磨損轉子軸徑的修復,其中修復后運行時間最長的已超過兩年半。實踐證明,電火花堆焊工藝在電廠部件的修復中發揮重要作用,產生出巨大經濟效益和社會效益。
2.發電機轉子軸徑的磨損[3]
0.125mm。一但軸徑磨損或拉傷,密封層中油壓難以維持均衡,氫氣就會泄露,軸徑與瓦間密封層被完全破壞,轉子的高速運轉受到阻礙,嚴重時可導致機組不能工作。圖1是轉子軸徑磨損后的示意圖3.電火花堆焊及相關工藝比較~為保證轉子高速運行和冷卻效果,轉子軸與瓦間由氫氣、油、水組成的三級密封層。運行中軸徑與軸瓦的間隙保持在0.075電火花堆焊工藝有別于焊接、噴涂或元素滲入等工藝。簡單地講,是介于它們中間的工藝,間有焊接等工藝的一些特點,又有熱輸入量小、焊層與母材冶金結合等獨特優點的工藝。在某些特殊要求應用上,電火花堆焊工藝彌補了其他工藝的不足(工作原理另文發表)。表1是電火花堆焊工藝與其他工藝比較。
圖2、3分別電火花堆焊工作示意圖和堆焊層的截面金相照片。
3.試驗與結果
3.1 試樣的制備
50mm。′10mm′根據轉子軸徑的通用材料,選擇35CrMoA作為試樣基體材料,尺寸為25mm
6.0mm的因康鎳高合金棒作為堆焊電極,化學成分如表2。′3.2mmf堆焊電極材料的選擇是根據工廠要求:堆焊層硬度與基體一致,具有自潤滑、自磨光、抗氣蝕特性與高合金含量。選擇規格為
表1 工藝比較
車削法電刷鍍貼片法電火花堆焊
優點 1. 加工精度高 1. 適合現場處理
2. 費用低
3. 保證原設計尺寸 1. 適合現場處理
2. 效率高 1. 現場施工
2. 周期短
3. 保證原尺寸
4. 結合強度高
5. 殘余應力極小
缺點 1. 軸徑尺寸減小
2. 需要重新配瓦、零件互換性差。
3. 周期長、費用高、現場處理難度大 1.結合強度低
2.鍍層厚度有限
3.銅鍍層耐磨性能差,且容易形成原電池腐蝕。 1. 貼片層間孔隙率高
2. 結合強度低 1. 效率較低
表2 堆焊電極成分
Ni Cr Fe Mo Mn Si Other
70 14 4.5 --- 7.8 0.5 Bar
3.2 試驗分析
用砂紙、銅絲刷清除試樣表面的氧化物,然后用丙酮溶液清洗試樣表面油污。將試樣基體與電火花堆焊機的地線緊固連接,在試樣表面堆焊,堆焊厚度為1mm。
3000),可知:′電火花堆焊后,用線切割方法獲得堆焊層截面,并制備金相試樣。圖5是堆焊層截面金相照片(
(1)堆焊層無氣孔、氧化物夾渣、裂紋等焊接缺陷。
(2)堆焊層、母材過渡層的晶粒細小,無長大傾向。
(3)堆焊層組織為極細小柱狀晶結構,證明該堆焊層具有良好的耐腐蝕、耐磨損性能。
︳堆焊層︱︱基體︱
3000)′圖4堆焊層金相(圖5熱影響區的測定圖6顯微硬度測定
基體的顯微硬度測定,可知堆焊層、熱影響區的平均硬度為HV220,這與基體硬度極其接近。T熱影響區Tm。這不僅證明電火花堆焊可得到與母材良好冶金結合的堆焊層,還顯示堆焊熱影響區極窄,焊接殘余應力可忽略不計。圖6是堆焊層m圖5是堆焊層Ni、Cr元素的能譜分析,經測量,電火花堆焊的熱影響區厚度僅為10
3.3 結果
m),堆焊層硬度與基體硬度相符。上述分析結果符合電站方面對電機轉子軸徑修復的要求。圖7、8是修復后的發電機轉子軸徑。m試驗證明,采用電火花堆焊工藝堆焊因康鎳合金,堆焊層與母材冶金結合,無焊接缺陷。焊后熱影響區極窄(當堆焊層達到1mm時,熱影響區僅為0.01
圖7 堆焊后的轉子軸徑圖8 研磨拋光后的轉子軸徑
4. 電廠其他部件應用
近兩年,采用電火花沉積堆焊工藝成功解決電廠關鍵部件的修復及表面強化問題,如汽輪機汽缸密封面沖蝕修復,熱網循環泵主軸磨損面修復等。圖9、10分別是采用電火花堆焊工藝修復的工作照片。
5. 結論
1. 電火花堆焊層與母材冶金結合,堆焊熱影響區極窄,殘余應力可忽略不計。
2. 采用電火花堆焊工藝對電廠關鍵部件損壞進行修復,可在線操作,工藝簡單。補焊后加工量小,減少停機時間。
3. 電火花堆焊工藝在電廠具有廣泛的應用前景,蘊藏著巨大經濟效益和社會效益。
參考文獻
[1] 電力可靠性管理中心,全國大機組手冊[M],1998,4
[2] 電站焊接技術展望[C],中國電機工程學會建會六十周年學術報告論文專集
[3] Williams A,D.,Humphries J.L.第十五屆國際熱噴涂大會(ITSC’98)論文精選

 

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