PDF《堆焊技术在国内石化、冶金行业机械设备维修中的应用》

4 国表面工程年中2006 第19 卷第3期中国表面工程Vol.

19 No.3

2006 年6月CHINA SURFACE ENGINEERING June.

2006 堆焊技术在国内石化、冶金行业机械设备维修中的应用 胡邦喜 ,莽克伦 ,王静洁 ,徐滨士

1 2

2 3 (1. 武汉理工大学 管理学院,武汉

430070 2.《中国设备工程》杂志社 北京 100824;

3.装备再制造技术国防科 技重点实验室 北京 100072) 摘要:堆焊技术作为一门传统高效的表面工程技术,近年来有了许多新发展,在国内石化和冶金行业大型重要设备 的强化和修复中得到了广泛应用.文中以石化行业的烟气轮机和冶金行业的轧辊等典型设备为例,介绍应用堆焊技术 的情况,分析指出,不断发展的堆焊技术对石化和冶金行业大型设备的使用和修复将发挥越来越重要的作用. 关键词:堆焊;

石化;

冶金;

设备 中图分类号:TG455 文献标识码:A 文章编号: 1007?9289(2006)03?0004?05 Application of Surfacing on Mechanism Equipments Maintaining of Petroleum Chemical Industry and Metallurgy Industry in China HU Bang-xi1 ,MANG Ke-lun2 ,WANG Jin-gjie2 ,XU Bin-shi3 (1.Management school Wuhan University of Technology, Wuhan 430070;

2. China Plant Engineering Journal Office, Beijing 100824;

3.National Key Laboratory for Remanufacturing, Beijing 100072) Abstract: Surfacing technique has got a great development in recent years, and has been extensively applied to large important equipment of petroleum chemical and metallurgical industries in China as one of traditional and high efficient surface engineering technologies. In this paper, the flu gas turbines of petroleum chemical industry and rollers of metallurgical industry were presented and the general application of surfacing technique in the two industries were introduced. The developing surfacing technique will play more and more important role in the maintenance and repairing of large equipment of petroleum chemical and metallurgical industries. Key words:surfacing;

petroleum chemical industry;

metallurgy industry;

equipment

0 引言或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗 氧化、耐辐射等优良性能,在工艺上具有很大的灵 活性[3] ,因此,堆焊技术目前已广泛应用于石化和 冶金行业各种设备的强化和修复. 堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借 助一定的热源手段熔覆于母体材料的表面,赋予母 材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工 艺方法.堆焊既可修复材料因长期服役而导致的失 效部位,亦可强化材料或零件的表面,对于合理使 用材料、改进产品设计、降低生产成本、实现修旧 利废,以及节约资源、能源,保护环境,都具有重 要意义[1~2] .

1 堆焊技术在石化行业的应用 石化行业故障率较高的机械设备是动力设备 中的大型机组,如风机、汽轮机、压缩机、烟气轮 机等, 以风机叶片, 汽轮机高速转子、支撑瓦轴颈、 隔板, 压缩机转子叶轮、叶片、轴颈以及烟机叶片、 轮盘零部件为主,主要失效形式为气体冲刷和腐 蚀;

另外,在换热器、油水过滤器、阀门、塔、炉、 罐、管道等特殊部位,因原油中含大量硫、氯离子 等造成的不锈钢腐蚀也较为严重. 石化和冶金行业中的设备多处于高温、高压、 大载荷、强腐蚀等复杂苛刻的工作环境,其材料的 磨损、疲劳、腐蚀等失效现象比较严重,而堆焊技 术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结 合,而且可以根据服役性能选择堆焊合金,使材料 1.1 原油换热器 收稿日期:2006?04?17;

修回日期:2006?05?12 原油换热器是石化行业应用较广的一种设备, 作者简介:胡邦喜(1962C),男(汉),湖北江陵人,教授级高工,博士生. 第3期莽克伦等: 堆焊技术在国内石化、 冶金行业机械设备维修中的应用

5 为提高管程耐腐蚀能力,通常要在与原油介质接触 面上堆焊一层不锈钢耐腐蚀层,中石化第四分公司 采用带极堆焊的方法,在大直径16MnR上堆焊了过 渡层(过渡层材料采用H309L焊带,焊剂为SJ304) 和耐蚀层(耐蚀层材料采用H316L焊带,焊剂为 SJ304) ,发现采用合适的工艺参数和变形控制措施 可获得具有良好焊接质量的堆焊层[4] . 1.2 压力容器 压力容器的质量涉及石化企业的正常生产和 设备的长周期安全运行.目前我国(包括引进的和 国产的)在役压力容器,有一部分处于超期服役或 带伤运行,从而对其检验和维修显得更加重要.李 平谨等[5] 经过对上海高桥石化厂丙烯腈车间氨中和 塔中段环缝多处泄漏的现象进行失效分析,发现是 由于采用大线能量(特别是埋弧焊)焊接后,焊接 残余应力增大,导致晶粒粗化,耐蚀性降低,在中 段酸性介质中,氯离子在含溶解氧的热水中加速作 用而引起的应力腐蚀开裂.针对这种具有应力腐蚀 工况的不锈钢设备,通过改用抗点蚀和抗应力腐蚀 优良的药芯焊丝气体保护焊的方法,以小线能量施 焊,既可降低残余应力,又能减少过热和敏化区的 区段,修复后正常运行了4年未再发生泄漏.

2 堆焊技术在冶金设备的应用 冶金行业生产设备大部分是在高 (交变) 应力、 高热应力的恶劣环境下工作,如连铸辊、校直辊、 槽型辊、半钢辊、铸管模、热(冷)轧工作辊、高 炉溜槽、料钟等[6] .在这些设备中,各种轧辊无疑 是其中最关键的设备零件, 其消耗量大, 价格昂贵, 寿命长短不仅与产品成本密切相关,而且直接决定 钢铁制品的质量,尤其是表面质量和板型.因此, 提高轧辊的使用寿命是开展增产节约的重要研究 课题.国内外生产实践表明,采用堆焊修复强化旧 轧辊是最经济有效的方法之一. 2.1 轧辊 以最常见的连铸辊为例.连铸辊是连铸机的关 键部件, 辊芯材质一般为CrMo珠光体耐热钢, 主要 失效形式为表面龟裂、环向裂纹、磨损和弯曲[7] . 连铸辊目前广泛采用的是1Cr13NiMo系焊材带极螺 旋堆焊[8] 和埋弧焊工艺[9] ,这些工艺方法虽能满足 连铸机的日常生产需要,但难以达到连铸辊长寿化 和多次再生使用的目标,其主要原因是堆焊材料一 般以碳配合其它合金元素作为强化合金,但是这种 合金在高温下长期使用易造成表面磨损、龟裂严 重,说明其抗热磨损性能和抗热疲劳性能不够理 想.基于此,鞍山钢铁集团公司采用哈尔滨焊接研 究所提供的氮强化耐热、耐磨堆焊材料―焊带 H0Cr13Ni4MoN/焊剂SJ315,以带极纵向堆焊的方 法,既有效克服了1Cr13NiMo系用碳强化的不足, 保留了1Cr13NiMo系合金的优点,又避免了传统螺 旋堆焊方法容易产生 熔合线 的薄弱地带.经机 械制造公司备件强化处理厂在鞍钢大板坯连铸机φ

200 mm以上连铸辊堆焊实践后使用发现, 堆焊后的 连铸辊,高温耐磨性和高温耐疲劳性良好.其磨损 均匀,且磨损量小,第一次使用无龟裂,可以减径 使用一次,取得了明显的技术经济效果[10] . 以往轧辊堆焊修复件寿命仅为新件的50 %~

80 %,为进一步提高堆焊修复件的寿命,冶金行业 诸多企业纷纷通过引进国外先进设备和技术,自行 或联合科研院所大力开展新型耐磨、耐热堆焊材料 的开发研究和适应现场实地修复的焊接工艺探索. 武汉钢铁集团引进了英国焊接合金有限公司 的全自动明弧堆焊修复板坯连铸辊的设备和技术, 已先后为武钢第

二、第三炼钢厂修复连铸辊300多支,取得了显著的效果.实践表明,明弧焊接技术 具有焊接前后不用热处理和不需焊剂保护等特点, 工艺十分简便,并且下线后辊面无裂纹,再次修复 时只需去掉表面老化层即可,大大节省了修复成 本,明弧焊修复的辊子寿命是新辊和埋弧修复后的 2倍.鞍钢针对磨损和热疲劳失效的二辊轧机轧辊 采用Cr?Mo?V和Cr?W?Mo?V系合金作为二辊堆 焊合金,配合冶金性能优良的新研制SF110烧结焊 剂,较好地解决了与Cr?W?Mo?V系合金焊丝的匹 配问题,采用自动埋弧堆焊技术修复的二辊使用寿 命为新辊的1.72倍,达到国内领先水平[11] .针对热 轧辊失效70 %是由磨损引起的现状,鞍钢采用哈尔 滨焊接研究所研制的FeCrWNiMnSi系堆焊材料成 功堆焊热轧工作辊,使轧辊使用寿命与新品相比延 长1倍,每年可减少一半的轧辊订货量,经济效益 非常可观[12] .马鞍山钢铁集团公司通过对热轧槽钢 开坯轧辊失效原因的分析,采用自制的药芯焊丝和 埋弧堆焊的方法对轧辊各工作孔型进行修复强化, 经实践证明可以提高轧辊的使用寿命一倍,经济效

6 中国表面工程2006 年 益显著[13] .攀枝花钢铁集团公司(以下简称攀钢)针 对热轧夹送辊使用寿命低(过钢量15万吨)的现状, 选择PGY125药芯焊丝+PYY焊剂作为堆焊材料对夹 送辊进行埋弧堆焊,经现场使用,其过钢量达到26.5 万吨以上,大幅度提高了夹送辊的使用寿命[14] . 复合(梯度)堆焊方法在制备强韧结合的堆焊 层上得到了越来越广泛的应用.如热轧带钢卷取机 夹送辊是热轧带钢生产线上的重要装备之一,担负 着对轧制好的钢板导向、夹送的任务.夹送辊工作 温度为500 ℃~740 ℃,且要承受很大的压力,其 主要失效形式为粘钢、凹坑和龟裂.因夹送辊辊面 质量直接影响钢板表面质量,故要求其具有良好的 耐热疲劳性能和耐磨性能.宝钢针对热轧卷取机夹 送辊的使用工况,通过对夹送辊失效形式和综合性 能要求的分析,从堆焊材料中加入合金元素入手, 系统地研究堆焊材料的合金组织、堆焊修复工艺与 堆焊金属的韧性、硬度、耐磨性、抗冷热疲劳等性 能的相互关系,选择BGJ?31+KF81材质为过渡层, BGJ?12+KF81材质为硬面层作为堆焊材料, 采用合 理的堆焊工艺对夹送辊进行堆焊, 使其硬度达到(50 ±2) HRC, 堆焊层具有良好的耐热疲劳性能和耐磨 性能,提高了夹送辊修复质量和使用寿命,减少了 换辊时间,提高了轧机作业率[15] .又如,烧结破碎 机的重要工作部件齿辊用于对大块的热烧结矿进 行剪切,使其变成小块.因其破碎物料为炽热的烧 结矿,工作温度高达800 ℃以上,并要承受较大的 负荷和冲击载荷,受力复杂,磨损严重,故要求在 破碎齿的前端、破碎面、基体表面及主轴圆柱面堆 焊耐热耐磨合金硬化层, 堆焊层厚度在10 mm以上. 这些部件的堆焊工艺是国内外近些年发展起来的 新技术,其所需的焊接材料和施焊工艺仍处在不断 的摸索中.邯郸钢铁集团针对齿辊材料中碳钢焊接 性能较差的特点,采用低组配的方法,首先用低氢 焊条

506、507打底, J422焊条中间过渡,随后连续 堆焊在原SFD?12焊条基础上的改进型FB?1高铬耐 磨焊条,既控制了焊缝中扩散氢含量及焊层金属中 的含碳量,又可最大限度防止热影响区粗大非平衡 组织出现、减少焊........