催化烟机导向叶轮叶片的修复

2017-01-20赵久国韩豫何志刚周选民

中国设备工程 2017年14期

关键词：冲蚀母材叶轮

赵久国，韩豫，何志刚，周选民

（中油股份独山子石化分公司研究院设备研究所，新疆独山子 833600）

催化烟机导向叶轮叶片的修复

赵久国，韩豫，何志刚，周选民

（中油股份独山子石化分公司研究院设备研究所，新疆独山子 833600）

本文较为详细地讨论催化装置的烟气轮机导向叶轮叶片的焊接及热喷涂修复工艺。

烟气轮机；导向叶轮叶片；焊接；热喷涂；修复

炼油厂催化装置气轮机导向叶轮由于长期在六、七百度的高温烟气颗粒的冲蚀下使用，叶轮上导向叶片表面出现了大量的冲蚀槽，叶片上有些较薄部位已穿透。严重影响了叶轮的烟气导向效果，因此需对叶轮叶片进行修复。

1 修复方案

我们针对叶轮的使用环境及导向叶片结构特点和使用情况确定了以下修复方案和修复目标：（1）采用焊接方法复原叶片的表面形状，恢复叶片的导向作用；（2）选用的补焊材料成分与母材一致，保证叶片的高温强度与抗冲蚀性能；（3）补焊后的叶片表面不允许有裂纹存在；（4）对补焊修磨后的叶片表面进行热喷涂，加强叶片表面的耐磨性和抗冲蚀性能，从而延长叶片的使用寿命。

2 焊接

2.1 焊接性能分析

导向叶片材料为 Cr15Ni35W5Ti3Al2 属于铸造铁基高温合金，其化学成分复杂，热强度高而塑性较低，可焊性差，因此修复叶片有很大的难度。这种高温合金主要的焊接问题有以下三个方面。

易产生焊接热裂纹。铸造铁基高温合金在焊接中易产生结晶热裂纹，是由于其合金组元复杂，本身的物理特性及焊接工艺特点所致，其合金在结晶过程中形成方向性极强的单向奥氏体柱状晶，促使低熔点共晶物在晶聚集，而高合金的线膨胀系数较大，在焊接应力作用下易产生裂纹。

焊接热影响区的粗晶区容易产生近缝区液化裂纹。高温合金的合金系统决定了合金的凝固温度区间较大，大部分高温合金都具有液化裂纹倾向，并随着合金元素的增加液化裂纹倾向越显著，在焊接时应尽可能的降低热输入和减小过热区及母材高温停留时间。

焊缝与母材的等强性问题。高温合金焊接接头的高温强度和塑性或多或少均低于母材，过热区存在着显著的晶粒粗化现象，虽然粗晶粒有助于高温瞬时强度和持久强度，但严重降低高温塑性和疲劳强度。对于催化的导向叶片来说，修复后只需要高温强度达到要求。因此，在不出现裂纹的情况下，允许粗晶区存在，且采用同质（或成分接近）焊丝和合适工艺能够满足焊缝谨慎的高温强度。

2.2 焊接工艺特点

由于奥氏体钢的焊接方法也适用于高温合金，因此采用钨极氩弧焊，但高温合金焊接要求更为严格，应注意以下几个方面。

第一，焊前清理。叶片表面存在着难溶氧化膜，焊接时易成为焊缝夹杂物，甚至妨碍正常焊接。焊前或多层焊的层间，应用丙酮清洗表面污物，烘干后用不锈钢钢丝刷彻底清理待焊处，直至露出金属光泽，之后立即施焊，清理之后的叶片如用手和脏物接触或存放时间超过1小时，焊前应重新清洗或清理。

第二，焊接坡口设计及焊后处理。高温合金的流动性和润湿性差为了便于操作和利于溶敷金属与母材充分融合，坡口角度可适当大些，对于又又深的冲蚀槽，用磨光机打磨坡口深宽比小于 1/2，全部焊好后用磨光机将叶片按标准叶片修磨。对于补焊的叶片，其结构简单，可在焊态使用，可不进行焊后热处理。

第三，焊丝的选择。由于叶片数量较多，检修时间短而且没有相应的焊丝，因此为了能达到母材的化学成分，保证高温强度，避免产生热裂纹。经过试验筛选，采用以下办法来满足修复条件，选用1Cr18Ni9Ti为基本焊丝，其成份与叶片材料相比，需添加 Ni、W 、Mo三种金属元素。将纯镍薄金属片剪1平方毫米左右的小片 W 、Mo丝剪成 1mm的小段，与所溶化的焊丝按 1:0.3: 0.1:0.06的近似比例将 W 、Mo的碎片放在待焊处，然后焊接，经实验这样混合熔化后，焊缝金属的化学成分与母材较为接近，既保证了焊缝强度，又使焊缝成为含有较高 Mo及 W 的 Ni_ Cr_Mo_w系合金系统，有较的抗裂性。

第四，减少接头过热。首先在工艺方面，采用氩弧焊，用小线能量、窄焊道和稍慢的焊接速度。钨极直径选取 2mm，焊接电流 I=50~70A，弧长不大于 2mm，焊接速度 V=0.17～ 0.22M/min，气体流量 7～ 9L/ min，对于较长的冲蚀坑（＞ 25mm）要分段，短道焊，每段长度不超过 15mm。较深的部位采用多层多焊道工艺。焊接如果温度上至 60℃以上，立即停止焊接使其自然冷却至室温，其次是外界影响。用紫铜板（厚2～4mm）制作靠模水箱，靠模型状与叶片背面弧度一致，使叶片背面与紫铜板紧贴在一起，这样可以加强冷却的效果，提高修复效率。

第五，加强保护，防止合金氧化。铁基高温合金中多数合金组元对氧的亲和力较大，焊接时由于保护不够而导致氧化烧损，将会严重降低合金的使用性能。在氩弧焊时，氩气的纯度要达到 99.99%，以保证最大的合金元素过渡系数。尤其要注意叶片边缘焊接的保护，如生产氧化膜应及时用钢丝刷去除。对于穿透部位的焊接，背面要通氩气保护，Q=2～ 3L/min。

3 喷涂部分

为了延长导向叶轮的使用寿命，加强高温耐磨性，在焊接修复恢复叶片外型后，又在叶片表面热喷涂防高温冲蚀的涂层，涂层分为两层，第一层为镍铬铝层 ( Ni— Cr —Al)，这是一种自粘性的碳化钨粉末，自粘性良好，且表面光洁，有一定的耐磨性。第二层为钴、铬、钨（Co—Cr—w）耐高温冲蚀工作层。喷涂过程分为两个方面。

3.1 准备工作

对叶片表面应严格清理。先用丙酮清洗，再进行喷砂处理喷砂后不允许用手触摸，并置于清洁处。喷砂后的叶片应尽快进行喷涂，放置时间不超过1小时。叶片的尖锐棱角应用磨光机倒成圆角（R=0.3～ 0.5），以防止涂层脱落。

3.2 喷涂工艺

对叶片的预热至 150℃左右，以消除应力和水汽，提高涂层的结合强度。在喷涂过程中打底层粉末的铝镍发生化学放热反应，生出大量的热。产生瞬时高温，与基材互相产生原子扩散，使打底层与叶片表面形成显微冶金结合。打底层的厚度为 0.1～ 0.2mm。之后用钢丝刷轻刷打底层表面，除去氧化颗粒，然后再喷工作层粉末工作层表面温度控制在 200～ 260℃。喷涂工作结束后，叶片应空冷以防止涂层脱落或起皮。