螺桿壓縮機激光熔覆修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用*

馬平定，李玉軍，詹金磊，吳佳徽

(中國石油蘭州石化公司設(shè)備維修公司，甘肅蘭州 730060)

螺桿壓縮機激光熔覆修復(fù)技術(shù)研究與應(yīng)用*

馬平定，李玉軍，詹金磊，吳佳徽

(中國石油蘭州石化公司設(shè)備維修公司，甘肅蘭州 730060)

針對某煉油廠螺桿式壓縮機運行中出現(xiàn)的機體及配件磨損故障，對比各種配件修復(fù)技術(shù)特點，確定利用激光熔覆新技術(shù)對螺桿壓縮機主副螺桿、活塞進行修復(fù)的方案并實施，對修復(fù)后實施運行性能進行了分析。

螺桿式壓縮機;主副螺桿;活塞;激光熔覆技術(shù);修復(fù)方案

1 引言

某煉油廠酮苯脫蠟裝置是由約克公司生產(chǎn)的RWBII－676E型螺桿式壓縮機，在運行過程中發(fā)出異常刺耳的聲音，緊急停車后，拆檢發(fā)現(xiàn)陰陽螺桿、殼體及活塞損傷嚴重。該螺桿壓縮機在裝置生產(chǎn)中起著承上啟下的關(guān)鍵作用，即將氨氣制冷液化后，液氨進入套管結(jié)晶器外層，將套管結(jié)晶器內(nèi)層流動的蠟和油凝固，最后進入轉(zhuǎn)鼓過濾機成型形成產(chǎn)成品。螺桿壓縮機故障給裝置運行帶來極大困難，在缺乏備件情況下，若從原制造商采購，采購周期長，不經(jīng)濟;如果采用常規(guī)修復(fù)辦法，不僅難度大且強度無法保證。

激光熔敷技術(shù)是一種新的表面改性技術(shù)，它通過在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基材表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層，解決了傳統(tǒng)電焊氬弧焊等熱加工過程中不可避免地熱變形、熱疲勞損傷等一系列技術(shù)難題，同時也解決了傳統(tǒng)電鍍、噴涂等冷加工過程中覆層與基體結(jié)合強度差異矛盾。嘗試利用激光熔敷技術(shù)對螺桿機進行修復(fù)能有效解決設(shè)備缺陷，確保裝置安穩(wěn)運行。

筆者主要結(jié)合螺桿壓縮機的損傷特性，研究激光熔覆技術(shù)在配件修復(fù)中的技術(shù)優(yōu)勢。

2 螺桿壓縮機故障及拆檢情況

螺桿壓縮機發(fā)生故障后，拆機檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子損傷嚴重(如圖1、2所示)。陽螺桿表面整個有約1 mm左右的損傷，螺桿頂部密封線磨損脫落，螺桿后端面及后端面的主軸部分因“燒結(jié)抱軸”損傷嚴重，損傷長度為3～8 mm，主軸后軸承軸頸處磨損變細。陰螺桿表面亦有1 mm左右的損傷。殼體減壓套部分嚴重損傷，減壓孔有多條貫穿孔長度(約 150 mm)，深100 mm以上的裂紋(明顯的有5條)。并有兩處約100 mm×25 mm的脫落凹坑。活塞有1條約50 mm的裂紋。

圖1 螺桿壓縮機殼體損傷

3 激光熔覆與傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)對比分析

3.1 工作原理及特點

激光是由受激輻射引起的并通過諧振放大了的光。激光由激光發(fā)生器產(chǎn)生。光學諧振腔由放置在工作物質(zhì)兩側(cè)的平面反射鏡組成，這兩個反射鏡嚴格平行，其中一個是反射率為100%的全反射鏡，另一個是反射率為50% ～90%的部分反射鏡，工作物質(zhì)位于兩反射鏡之間。當工作物質(zhì)受到外界激發(fā)產(chǎn)生輻射時，其傳播方向與腔體軸向相同的光子將引起其他激發(fā)態(tài)的工作物質(zhì)產(chǎn)生連鎖性的受激輻射，在到達部分反射鏡時放出一部分光子，其他大部分仍反射回來，進行反饋，從而形成光振蕩，并不斷從部分反射鏡的輸出端發(fā)射出光子成為激光束。由于激光具有高方向性、高亮度性(高能量密度)及單體性的特點，它可用于金屬或非金屬的切割、打孔、焊接和表面處理。在表面處理方面，主要的使用技術(shù)包括激光淬火、激光熔凝、激光涂敷(亦稱激光熔覆)、激光合金化等。

圖2 噴射粉末激光熔覆法

激光熔覆技術(shù)是近期興起的一種新的修復(fù)技術(shù)，是采用噴吹送粉方法加入熔鑄金屬，利用激光束聚焦能量極高的特點，在瞬間將基體表面僅微熔。同時使基體表面與置的熔覆層金屬粉末(與基體材質(zhì)相同或相近)全部熔化，激光離去后快速凝固，獲得與基體冶金結(jié)合的致密覆層，從而達到零件表面恢復(fù)幾何尺寸和表面涂層強化的目的。

3.2 修復(fù)技術(shù)對比分析

激光熔覆技術(shù)有以下特點［1－2］:

(1)激光熔覆層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強度不低于原本體材料的90%。

(2)基體材料在激光加工過程中僅表面微溶，微熔層為0.05～0.1 mm，基體熱影響區(qū)極小，一般為0.1～0.2 mm。

(3)熔覆層與基體均無粗大的鑄造組織，熔覆及其界面組織致密，晶體細小，無孔洞，無夾雜裂紋等缺陷。

(4)激光加工過程中基體溫升不超過80℃，激光加工后無熱變形。

(5)激光熔覆技術(shù)可控性好，易實現(xiàn)自動化控制。

(6)激光熔覆層組織由底層、中間層及面層組成的各具特點的梯度功能材料，底層具有與基體浸潤性好及結(jié)合強度高等特點;中間層具有一定的強度和硬度以及抗裂性好等優(yōu)點;面層具有抗沖刷、耐磨損和耐腐蝕等性能，使修復(fù)后的設(shè)備在安全和使用性能上更加有保障。

此外，激光熔覆技術(shù)有優(yōu)于傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)的特殊優(yōu)勢，如表1所列。

表1 修復(fù)技術(shù)性能對比表

4 螺桿壓縮機修復(fù)方案

4.1 修復(fù)方案

結(jié)合壓縮機故障及機體不同程度損傷特點，制定以下修復(fù)方案:

(1)螺桿壓縮機整體清洗;

(2)螺桿壓縮機螺桿機械尺寸檢測;

(3)螺桿壓縮機螺桿、殼體、活塞無損探傷及材質(zhì)分析;

(4)螺桿壓縮機主、副螺桿數(shù)據(jù)采集;

(5)螺桿壓縮機主、副螺桿，殼體金相組織檢查及強度評估;

(6)螺桿壓縮機主、副螺桿，殼體損傷面機械清理;

(7)檢查螺桿“燒結(jié)抱軸”部分的硬度分布;

(8)消除殼體、活塞損傷部位的應(yīng)力(熱處理);

(9)螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子主副螺桿激光熔覆材料的選定激光熔覆材料并制作，測定其機械性能;

(10)螺桿壓縮機主副螺桿、殼體、活塞損傷部位激光仿型熔覆;

(11)螺桿壓縮機主副螺桿機加工復(fù)型，(根據(jù)五連動數(shù)控銑床采集的數(shù)據(jù)，按原設(shè)計型面進行機加工復(fù)型);殼體、活塞機加工復(fù)型。

(12)對機加工復(fù)型后的主副螺桿、殼體、活塞進行無損檢測;

(13)修復(fù)后主副螺桿、殼體、活塞機械尺寸檢測;

(14)臺架制作;

(15)主副螺桿修復(fù)面配合精度檢測及利用臺架進行研磨;

(16)修復(fù)后的螺桿進行動平衡檢測，其動平衡精度為G1。

4.2 需解決的技術(shù)難點

(1)傳統(tǒng)修復(fù)技術(shù)如振動焊、氬弧焊、噴涂、鍍層等傳統(tǒng)修理方法，無法解決工藝過程熱應(yīng)力、熱變形、材料晶粒粗大的矛盾，基體材料結(jié)合強度難以保證，材料選用也具有局限性，激光熔覆技術(shù)可解決傳統(tǒng)修復(fù)工藝不能解決的這些問題。

(2)修復(fù)后剩余磁場(測振帶處)對監(jiān)測探頭的影響問題可解決。

(3)在小熱影響區(qū)、無熱變形的前提下，不破壞轉(zhuǎn)子強度的情況下可進行修復(fù)。

5 修復(fù)后實施的效果分析

螺桿壓縮機主副螺桿、活塞、殼體經(jīng)過修復(fù)后，對主副螺桿、活塞、殼體的機械尺寸進行了復(fù)查，結(jié)合螺桿修復(fù)前、后無損檢測、激光熔覆仿型熔覆性能、機加工復(fù)型性能等進行對比分析發(fā)現(xiàn)，激光熔覆技術(shù)可有效完成配件修復(fù)過程，修復(fù)后的配件熔覆層與基體界面都達到了冶金結(jié)合的效果，熔覆層未發(fā)現(xiàn)微裂紋，氣孔，夾雜等缺陷。其修復(fù)后材料性能能滿足設(shè)備運轉(zhuǎn)要求。對主副螺桿進行動平衡試驗后，按照技術(shù)標準進行了回裝，其主螺桿及副螺桿部分的具體數(shù)據(jù)如表2所列，活塞部分的控制指標值如表3所列。

圖3 陰陽螺桿示意圖

表2 主和副螺桿回裝圓跳動/mm

表3 活塞回裝控制指標/mm

螺桿機安裝數(shù)據(jù)，均在標準范圍內(nèi)。螺桿機至今運行三個月，壓縮機振動僅為6mm/s，可見修復(fù)效果良好。

6 結(jié)語

激光熔覆技術(shù)作為新的修復(fù)技術(shù)在配件損傷修復(fù)中有巨大優(yōu)勢，對現(xiàn)代企業(yè)降低維修費用，提高對設(shè)備的快速修復(fù)能力，保障生產(chǎn)方面起到重要作用。值得大力引進和推廣并不斷研究應(yīng)用。

［1］ 王建軍，程衛(wèi)華，趙艷梅.激光熔覆工藝在煙氣輪機軸修復(fù)中的應(yīng)用［A］.全國傳熱傳質(zhì)與節(jié)能技術(shù)發(fā)展研討會［C］.海南，2008.

［2］ 趙 亮，曾廷付，余永增，等.4M50型往復(fù)式壓縮機曲柄銷裂紋故障的分析及改進［J］.中國設(shè)備工程，2013(6):53－54.

［3］ 中國石油化工集團公司.石油化工設(shè)備維護檢修規(guī)程［M］.北京:中國石化出版社，2004.

Research and Application of Laser Cladding Repairing Technology for Screw Compressor

MA Ping－ding，LI Yu－jun，ZHAN Jin－lei，WU Jia－h(huán)ui
(Lanzhou Petrochemical Corporation，Equipment Repair Company，Lanzhou Gansu 730060，China)

Aiming at the wear and tear failure of the screw compressors body and its parts during operating in a refinery，a variety of repairing technical characteristics are compared.the new laser cladding technologies is determined to repair the main screw，sub－screw and piston of screw compressor，Then repairing program is implemented.Finally the operation performance is analyzed after repairing.

screw compressor;main and sub－screw;piston;repairing program

TH12

B

1007－4414(2013)05－0139－03

2013－08－07

馬平定(1975－)，男，甘肅甘谷人，技術(shù)員，主要從事煉化機動設(shè)備的維修及維護工作。