脱硫湿式球磨机大型空心轴轴颈磨损修复工艺探索及应用

【摘 要】：针对粤西某电厂脱硫湿式球磨机空心轴轴颈磨损深度约5 mm的情况，技术人员综合比较了国内几种常用的大型轴颈修复工艺，因施工条件限制以及轴颈磨损过深，几种修复工艺均不适用于该项目。经过分析研究，探索出该项目适合采用手工电弧焊修复的工艺并成功实施，为类似大型空心轴轴颈磨损修复提供了借鉴。

关键词：球磨机;空心轴;轴颈磨损;修复

一、项目背景

粤西某电厂脱硫系统湿式球磨机由克莱德贝尔格曼供货，2018年4月发现其入口轴承跑内圈，塞尺测量轴承与轴装配位置间隙4～5 mm，因此需对其入口中空轴进行修复处理。技术人员对比了国内几种大型轴颈修复工艺，通过分析比较并结合本项目的特点，发现因施工条件限制以及轴颈磨损过深，这几种修复工艺均不适用于本项目，所以决定针对本项目特点，依托自身检修力量开展技术攻关，探索出一种采用手工电弧焊修复的工艺对空心轴进行修复。本项目实施后，修后设备各运行参数均达优良值，设备保持长周期正常平稳运行，取得了显著成效。

二、各种修复工艺对比研究

脱硫湿式球磨机空心轴直径为750 mm，壁厚97.5 mm，空心轴与大端盖为整体铸造成型，大端盖直径2 800 mm。报告显示空心轴硬度为HB135。轴颈磨损量约5 mm。专业技术人员对比研究了对目前国内常用的几种修复工艺。

2.1    高分子纳米材料修复工艺

高分子纳米材料是由航空级树脂、纳米无机材料和高性能碳材料、纤维等先进材料通过聚合工艺生成的一种高科技纳米新型材料，该材料最大的优点在于粘结强度高、综合力学性能好、抗腐蚀、易于成型、可加工等，且对修复厚度没有要求。高分子纳米材料修复工艺施工简单且不用拆卸大端盖，可直接在现场进行修复，施工工期短。修复过程不产生热量，不会造成空心轴变形，费用相对较低。前述空心轴于2017年曾出现磨损故障，采取了该工艺修复，但修复完的设备投运不足一年就又出现纳米材料破碎造成轴承损坏的问题。该工艺不够成熟，耐冲击性能差，不适用于球磨机空心轴这种重负载运行的工况。

2.2    激光熔覆修复工艺

激光熔覆修复工艺是一种表面强化技术，以激光熔覆为修复技术平台，以金属粉末为材料，在修复部位逐层熔覆，之后对其进行机加工[1]。该工艺的优点是激光熔覆焊材与基体熔合强度高，耐磨性好，修复质量有保证。激光熔覆对基体产生的热量较少，空心轴在修复过程中升温不超过80 ℃，产生的热应力少不易变形。但该工艺也存在激光熔覆机工作时要喷射金属粉末焊材进行熔焊，焊机只能在焊接体上方作业，无法进行仰焊作业的问题。在轴修复时，焊机固定，将轴盘动转动对轴进行圈周补焊，但球磨机轴颈修复需拆除轴承，筒体无法转动，故该工艺无法在现场实施。此外，修复厚度过厚，质量不容易控制，加上用该工艺修复的费用较高，机加工难度大，因此不适用于本项目。

2.3    脉冲闪焊修复工艺

脉冲闪焊就是利用脉部闪焊设备发出的可控脉冲电流（实际上是一种脉况电能）在补材与工件修复面接触处0.5～1.0 mm，由于接触电阻而在瞬间将补材加热并与工件修补部位的基材熔（焊）合在一起而形成焊补层，从而达到修复目的。该工艺的优点有热输入小，可避免因热输入大而使工件基体材质产生热影响区和尺寸变形;结合强度高，几乎与堆焊和喷焊的结合强度相当[2]。缺点是设备较大，不易操作;修复时间较长，加工效率低，且大面积磨损修复难度较大等;对深度超过5 mm的工件修复时间过长，多层焊接质量难以保证。由于本项目空心轴的磨损深度已超过5 mm，因此该工艺不适用于本项目。

其余的还有摩擦电喷镀修复工艺[3]、热喷焊修复工艺、微弧焊修复工艺等，这些修复工艺各有优缺点，但大多都存在需要修复工件能转动，或修复的厚度不能太厚等问题。本项目的空心轴轴颈是套装轴承的部位，轴承已损坏需拆除，空心轴无法转动，只能就地修复或拆下大端盖，装在专用工装上转动修复。但大端盖的直径为2 800 mm，结构不规则，施工难度较大。大部分修复工艺的修复厚度达不到5 mm，若修复厚度过厚则质量难以保证，且费用也较高。

综合考虑，上述几种工艺均不适用于本项目，专业技术人员决定立足于自身的技术力量探索新的修复工艺。

三、本项目的特点和方案研究

本项目有以下3个特点：

（1）轴颈磨损深度达5 mm，远超一般大型轴颈所需的修复厚度。

（2）球磨机的运行工况对耐冲击要求较高，修复焊材与轴颈的结合度要好。

（3）球磨机筒体的转速较低，只有21.06 r/min，与发电机转子或汽轮机大轴相比，转速低得多，对加工精度的要求没有那么高。技术人员经研究和论证决定本项目采用手工电弧焊修复工艺进行修复。手工电弧焊修复工艺的优点是焊材结合度好，修复效果有保证，且不受堆焊厚度的限制，适用于本次修复工作。经过一些技术手段可以将加工精度控制在可接受范围内，不影响设备正常运行。但该修复工艺很少有工程实例，有几方面的技术问题需要解决。

四、手工电弧焊堆焊工艺的技术难点

（1）需保证焊接质量，确保手工电弧焊修复后达到空心轴的质量要求。

（2）手工電弧焊产生的热量较大，空心轴会形成较大的热应力。而且空心轴的尺寸较大，壁厚较厚，空心轴受热过大形成热应力后容易发生变形。

（3）需将大端盖拆下进行堆焊及车削，在回装时要保证进出口轴的同心度，否则会使球磨机筒体进出口不同心而产生跳动，使设备振动过大而无法投运。

五、施工方案制订及实施

（1）为保证焊接质量和避免焊接过程热应力过大使空心轴变形，采用了以下施工工艺：

1）用砂轮机及金属磨头消缺。首先将原纳米高分子修复层全部去除，表面打磨后经光谱检验，确定修复层全部打磨消除后，再把表面修复平整。

2）对堆焊区采用履带式整体加热方式，对外壁加热。预热温度为200～250 ℃，保温3～5 h，预热范围为堆焊区200 mm左右。禁止在空气对流的场所进行补焊。

3）焊条为准4 mm，型号E5015，使用前经350 ℃烘焙1 h，或按焊接条说明书进行烘焙，焊条烘焙后放在保温桶中，随用随取。

4）采用直流电焊机，反接法，电流130～160 A。

5）焊接时，焊条不应摆动过大，应分段、交错焊接，采用短弧、窄焊道多层焊。焊接时注意操作手法，防止产生夹渣气孔缺陷，并与两侧本体圆滑相接，如需要多层多道焊时，填充层每焊接1/2～1根焊条，即停焊清渣。使用小手锤或风铲，先打掉焊缝药皮，再对焊缝细密捶击3个来回以松弛应力，再接着焊接下一层，保证焊道不摆动或摆动幅度较小，捶击时先捶击焊道中间再捶击焊道边界，盖面层不需要捶击。层间温度低于预热温度下限后，应停焊再次加热达到预热温度后才可以继续焊接。焊接时空心轴内部要填满保温，以减缓温度的降低速度。盖面层焊缝略高于大轴表面1～2 mm，以保证有加工余量。

6）补焊过程中若发现裂纹及缺陷，应彻底清除后方可继续补焊。

7）空心轴堆焊后必须立即进行焊后热处理，采用履带式加热方法对焊接区域进行整体加热，考虑到空心轴表面精度或脱碳影响使用，回火温度应适当降低，因此对焊接区加热可采用两种方法：一是500～550 ℃保温2 h，二是350～400 ℃保温6 h。

8）焊后补焊区域的硬度应不高于原母材硬度的40%，焊缝表面着色探伤Ⅱ级合格。

9）把焊接后的空心轴送车床进行粗加工后再进行表面探伤，合格后再进行精加工。

10）对空心轴进行堆焊的过程中用百分表多次测量偏心度，若某方向偏心度过大即减慢堆焊速度或停止堆焊，或采用在对面的相应位置堆焊的方式进行调整。焊接完成并且热处理完毕后再次仔细测量，确认最终偏心值。上车床加工时也在水平方向和垂直方向用两块百分表进行测量，经过粗车后再进行精加工，确保加工后空心轴偏心度在可接受范围内。

（2）对回装进出口大端盖同心度调整采用了如下施工方案：

1）在拆卸大端盖前将大端盖均分为八等份，以筒体边沿为基准点测量筒体边沿与大端盖侧面的偏差值，做好记录。

2）分析球磨机筒体和前后大端盖的结构，找准安装测量的基准点。

3）回装大端盖时采用带锥度的螺杆对大端盖的同心度进行初步调整。回装到位后再次测量原8个点筒体与大端盖边沿的偏差值，并与拆卸前的数据进行对比。数据不同的根据测量数值进行微调，直至调整后的偏差数值与原数值相符。

4）利用4个百分表测量轴向及径向跳动值，超标的应进行调整，保证齿圈的中心位置正确。大齿轮径向跳动不超过0.4 mm，轴向跳动不超过0.4 mm。

5）调整大齿轮圈与小齿轮的齿顶间隙和齿侧间隙直至符合规程要求。

六、项目实施效果

按照施工方案严格执行相关工艺要求，对空心轴进行补焊修复后的检测表面硬度符合要求，表面着色探伤检查合格。车床粗加工和精加工后表面金属粗糙度达标准要求，进出口空心轴同心度调整后符合要求，回装大端盖后调整各数据符合技术要求。整机修后试运时进出口轴承振动值最大不超过0.02 mm/s，优于指标0.15 mm/s。设备修后已投运两年多，设备状况良好，达到预期目标。

七、结语

本项目因现场实际情况不适合采用国内较普遍使用的修复工艺，故根据项目特点，立足自身技术力量，研究出一套修复质量优良且成本低、工期短的修复工艺，打破了球磨机大型空心轴必须外委修复的技术垄断。本项目采用传统的手工电弧焊修复工艺，采取相应的技术措施，克服了对空心轴补焊易产生热应力引起变形的技术难题。同时研究出回装大端盖调整同心度的施工方案，设备投运后各参数达到优良值，且保证了设备长周期稳定运行，项目取得了成功，为修复脱硫湿式球磨机大型空心轴提供了经验。

[参考文献]

[1] 陈囿兆，周志雄.大型转子轴颈磨损的现场修复[J].机械制造，2007，45（2）：69-70.

[2] 王华仁.大型发电机转子轴颈磨损后的脉冲闪焊修复[J].表面技术，1998，27（6）：43-47.

[3] 鲁红春，赵甦.应用摩擦电喷镀技术现场修复大型发电机励磁机整流子[J].电刷镀技术，2005（3）：52-54.

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