转鼓式过滤机损伤转筒的激光修复处理

陶 玮，邹新长，陶家友，魏 勇

（1.岳阳大陆激光技术有限公司，湖南岳阳 414000；2.湖南理工学院物理与电子科学学院，湖南岳阳 414000）

0 引言

转鼓式过滤机是一种广泛用于石油化工、食品、造纸、医药、污水处理等工业部门的大型设备，运行中转筒每旋转一周，过滤机完成一个过滤、洗涤、吹干、卸料和清洗滤布的循环周期，从而实现固液分离。由于其结构简单，处理能力大，运行维护费用低等特点，能够满足PTA（P-phThalic Acid，精对笨二甲酸）装置高负荷生产的需要，国内外的PTA 装置中均采用转鼓式过滤机来分离PTA 浆料。此工艺路线温度高，压力高，且含溴离子的浓酸酸腐蚀性极强。转筒表面由于在运转过程中不断受浆液颗粒磨损与腐蚀，造成筒体尺寸减薄、过滤槽裂纹，导致过滤机失效不能正常使用，需要进行修复或更换转筒。由于过滤机转筒体积较大，整体由高等级不锈钢制造，设备用材级别较高，采购新件费用昂贵，对原有损伤转筒进行修复则具有更好的经济性。

1 转筒损伤位置及分析

转筒损伤主要分布在控制头密封面、填料密封面、密封块接触面、过滤槽隔板及隔板连接焊缝等位置（图1）。其中，控制头密封面和填料密封面的损伤形式为磨损，密封块接触面的损伤形式为磨损并伴有裂纹，过滤槽隔板和隔板连接焊缝的损伤形式为裂纹。

在含氯离子酸性环境下，不锈钢的腐蚀磨损速率随着腐蚀介质温度的升高而增加，在温度较高，浓度较高的酸中，氢去极化或氧去极化的阴极过程变得比较容易进行，不锈钢就会转入活化状态，腐蚀速度就比较高。虽然316L、317L 等不锈钢可应用于温度低于120的酸中，但在不同的杂质、浓度和温度作用下，也常常会发生较严重的局部腐蚀或全面腐蚀[1]。酸性介质可以穿透钝化膜造成钝化膜不连续处的金属被腐蚀，随着转鼓过滤机持续运行，磨损面积持续增加。磨损过程中，位错交载产生空位。由于这些空位浓度与范性变形量有关，因此磨损表面层中的空位浓度随磨损载荷的增加而增加。空位的存在破坏了晶格原子的规则排列，并在周围晶体中引进一定的弹性畸变，导致磨损表面内能增加，使磨损表面的耐蚀性降低[2]。磨损使基材内部缺陷的增大是磨损加剧表面材料腐蚀的根本原因，裸露在腐蚀介质中的新鲜基材面积增大，受低速重载等原因影响，在磨损和腐蚀加速作用下导致转筒尺寸开始减薄失效，不能继续正常使用而失效报废。

图1 转筒损伤主要分布

2 以激光熔覆为核心的综合修复方案

对两型不同厂家待修复转鼓式过滤机的转筒，用手持式光谱仪检测基材化学元素成分，均属于316 系列不锈钢（图2、表1）。考虑到转筒待修复面积大（700～1500 mm）、加工尺寸精度高，而不锈钢的线膨胀系数比碳钢大约40%，并且随着温度的升高其线膨胀系数的数值也相应提高、导热率又只有碳钢的1/3，为了防止出现修复时对转筒表面的大面积堆焊，导致出现修复后转筒外形尺寸变形的风险，决定选择以激光熔覆为复型的主要工艺方案。

图2 用手持式光谱仪检测基材化学元素成分

图3 非控制头端同心度与圆度检测

表1 转筒化学元素成分%（w.）

表2 熔覆用合金粉材化学元素成分

图4 控制头端同心度与圆度检测

具体修复方案包括以下步骤：根据基材及修复要求选定修复材料成分（表2）；对待修转筒进行清洗除垢；进行尺寸检测、PT（Penetrant Testing，渗透检测）探伤、硬度值检测；制作专用防变形工装；圆跳动值检测；车削清理待修损伤部位疲劳层；铣削清理过滤槽隔板连接焊缝；手工堆焊修复过滤槽隔板焊缝；选用专用镍基金属粉依次激光熔覆：控制头密封面、填料密封面、密封块接触面；粗车激光熔覆修复部位；PT 检测、硬度值检测；精磨加工复型至成品尺寸；表面钝化处理。

3 修复损伤转筒的工艺过程

（1）对转筒进行了附着物的清理和整体清洗，记录修复前的原始尺寸。分别制作适用于机床装夹加工的法兰工装，并将该两套法兰工装分别组装固定在转筒两端，利用车床床头的卡盘、尾架的卡盘夹紧法兰工装的轴颈，以转筒两端轴承位轴颈为基准找正，打表分别检测转筒外圆面跳动值（图3、图4），检测修复前硬度值区间为180～200 HB，并进行了修复前表面PT 检测（图5）。

（2）制作了专用工装支撑在两端待修复填料密封面背部（图6），防止在后续修复加工过程中填料密封面的薄壁部位应力变形。车削清理待修损伤外圆部位的疲劳层；铣削清理过滤槽隔板连接焊缝裂纹（图7）。手工堆焊修复过滤槽隔板焊缝（图8）。

（3）转筒体积和熔覆作业量大，使用DL-HL-5000 型5 kW、CO2气体激光器和胶轮支架进行激光熔覆（图9），支架用水平仪找平，支架中心与激光器光路平行度3 mm/1 m，保证激光在转鼓表面的直线运行及光斑质量。熔覆前使用丙酮清洗熔覆区域，激光熔覆工艺参数设为：功率（2.5～3）kW、线速度1000 mm/min、光斑3 mm、搭接1 mm、粉厚0.5 mm，熔覆过程中为防止热变形采用红外线测温仪对筒体进行监测，温度过高时停止熔覆，控制转筒整体温升80。

图5 修复前表面PT 检测

图6 专用工装

图7 铣削清理过滤槽隔板连接焊缝裂纹

图8 手工堆焊修复过滤槽隔板焊缝

（4）对所有激光熔覆部位进行粗车，车削后的尺寸按修复成品尺寸留出0.6～0.8mm 精磨加工余量，每车削或磨削一个轴径段时，检测一次基准面及车削部位的跳动值变化。精磨前要对车削部位作PT 检测，确认无缺陷后精磨到公差尺寸要求（图10），表面粗糙度Ra 为1.6。机加工完成后拆除全部专用工装。

（5）表面钝化处理。转筒修复部位整体清理干净，室温下均匀涂抹酸洗钝化膏约2～3 mm 厚，等待60 min 后用洁净水冲洗，直至呈现出均匀的银白色钝化膜为止（图11）。然后在经过酸洗转筒表面选取若干点作为测试区域，使用铁离子检测试液进行检测，试液停留20 min 后试液无任何变化，则铁离子检测合格。经酸洗钝化后搬运吊装及存放时禁止磕碰划伤钝化膜。

4 修复效果

（1）经使用厂家检测，经激光修复与机加工后的转筒外形尺寸符合技术要求的公差尺寸，跳动值未超出进厂检测的最大误差值，验证了防变形工装及激光熔覆过程中的温控措施有效。

图9 激光熔覆

图10 精磨前对车削部位作PT 检测

图11 冲洗至呈现出均匀的银白色钝化膜

（2）用选定的合金粉熔覆后的转筒表面硬度值为200～220 HB 硬度比原始基材略为提高，提高了转筒表面的耐磨性能。厂家经一个使用周期的对比，修复的转筒未出现明显腐蚀，熔覆所用的高等级合金材料在转筒基材表面形成了有效防护，改善了转筒对高温酸性介质的抵抗性能，并具有良好的强韧化匹配，在760以下具有高的拉伸和持久强度，在870以下具有良好的抗氧化性能[3]。

（3）本修复方案可以修复磨损的转鼓过滤机的转筒部件，通过激光修复再造能有效减少新造转筒的资源消耗和购置成本，并能提高转鼓再造后的耐磨性和耐腐蚀性，使其以优良的服役表现重新投用，降低使用厂家成本。