金屬縫合修復氫壓機K1102C曲軸箱鑄件裂紋

姜元慶

（中國石油錦西石化分公司安全監(jiān)督中心 遼寧葫蘆島）

一、鑄鐵裂紋常見修理方式

1.往復壓縮機鑄件裂紋原因

往復壓縮機鑄件裂紋原因，除了運動機構存在不平衡力與力矩和基礎設計不當外，還有流體流經吸排氣閥時氣流脈動引起的機組振動，因此交變載荷引起往復式壓縮機鑄件振動是產生裂紋的主要原因。由交變應力產生的疲勞裂紋，一般在構件表面上開始，然后逐漸擴展，直到應力達到臨界應力時，發(fā)展為失穩(wěn)擴展，最后凈斷面減少到不能再承擔負荷時，才突然斷裂。裂紋的修復依據是防止微裂紋的進一步擴展，避免達到臨界應力值而產生的斷裂事故。

2.常規(guī)法修復鑄件裂紋

（1）浸補法修復裂紋。對于無法實施補焊或鑄件的工作溫度＜250℃，而且工作壓力不大的鑄件裂紋缺陷，可以采用浸補的方法修補。浸補法是將呈膠狀的液體滲入鑄件的裂紋縫隙，然后使膠狀液體硬化而填補裂紋縫隙。對于鑄件上穿透的裂紋，可采用真空減壓浸補裝置，當罩內空氣抽成真空后，在壓力差的作用下浸補液會滲入縫隙，待浸補液滲透鑄件，即可解除真空。目前效果較好的浸補材是環(huán)氧樹脂，但要根據機件的使用和操作條件，配不同環(huán)氧值的環(huán)氧樹脂。對曲軸箱或軸承箱而言，可選用環(huán)氧值較低（K=0.25）的樹脂。

（2）熔補法修復裂紋。熔補是利用金屬液的熱量將鑄件表面熔化，同時使鑄件被修補部分與熔補的金屬熔接在一起。為減少內應力，鑄件需先預熱，熔補部位凝固后需進行消除應力的熱處理。

（3）補板修補法。補板修補適用于機體外部強度要求不高的裂縫修補場合，在裂縫兩端，分別用4～5 mm的鉆頭鉆出兩個止裂小孔，再將已準備好的補板壓在裂縫上面，使補板與裂縫處緊密貼合，同時將補板固定好。補板的大小應蓋過裂縫周邊25～30 mm，之后連同補板一起沿邊緣距離10～15 mm處，鉆出直徑6～8 mm的螺孔，每個螺孔間距20～25 mm，再在機體上攻絲，將補板緊固即可。

（4）補焊法修復裂紋。補焊前要對裂紋部位進行仔細清理，去除缺陷部位的粘砂、氧化皮與油污，同時在缺陷部位開坡口。對于未穿透的裂紋要開U形坡口，并且要在裂紋兩端5～10 mm處或裂紋末端鉆直徑5～6 mm的小孔，孔深要超過裂紋深度2～3 mm。對鑄件厚度＜20 mm的穿透性裂紋，應開V形坡口，如果坡口較大時，可墊一塊3～5 mm厚的銅板。對于鑄件厚度＞20 mm的穿透性裂紋，應開X形坡口。每焊300 mm的焊縫，要對焊縫反復敲擊且冷卻要緩慢進行，否則熱影響區(qū)會產生裂紋。對材料為灰鑄鐵的曲軸箱裂紋焊接，冷焊時應采用非鑄鐵組織的焊條，采用鋼芯或鑄鐵芯以外的焊條時，應盡量使用小直徑焊條和較小的焊接電流，以減小內應力和熱影響區(qū)的寬度。有資料表明，使用銅鋼的組合焊條冷焊鑄件，是目前較好的補焊方法。

上述鑄件裂紋常規(guī)性修復方法的主要缺點表現在抗拉強度低，稍一受力，結合處又開裂。熔補法適用于可移動的小配件，對于大的配件很難實行。補焊法對鑄鐵材料而言，焊接性較差，如果焊接材料和工藝措施選擇不當，在焊縫和母材交界的熔合線處生成一層白口鑄鐵，嚴重時會使整個焊縫斷面白口化，硬度可達到600 HBW。同時鑄鐵補焊時，在焊縫及熱影響區(qū)均會產生馬氏體轉變，形成淬硬組織，還可能產生冷、熱裂紋。焊接中由于焊件局部不均勻受熱，焊縫在冷卻過程中應力很大，由于鑄鐵在400℃以下基本無塑性，當應力超過鑄鐵強度時，會再次發(fā)生冷裂紋。當采用鎳基材料焊補鑄鐵時，由于鑄鐵含S、P高，形成較多的低熔點共晶物，如Ni-Ni3S2（熔點644℃）、Ni-Ni3P（熔點880℃），易產生熱裂紋。

二、金屬縫合技術修復曲軸箱裂紋

1.金屬縫合技術原理

對鑄鐵、鑄鋼所產生的裂紋或破損缺失部位，在常溫下利用特制的縫合螺釘，使裂紋兩側金屬組織受到指向裂紋（或縫合螺釘）方向拉力，再加上在垂直于裂紋方向上安裝不同數量的加強鎖片，達到裂紋修復的目的。其中特制金屬液的密封性和高強度粘接的作用，進一步提高了裂紋處金屬組織的抗拉和防滲漏能力。

2.對4M80壓縮機裂紋的修復

加氫裝置4M80壓縮機裂紋位于十字頭側曲軸箱觀察窗邊緣，曲軸箱材料為灰鑄鐵，壁厚50 mm，外側裂紋120 mm，為貫穿性裂紋，其中一個螺栓孔也開裂。修復中使用的主要工具有縫合釘、專用鉆頭、專用絲錐、螺孔定位工具、密封螺釘與螺孔修復環(huán)。

（1）對 4M80壓縮機裂紋部位進行打磨，并用滲透探傷，使裂紋清晰可見。

（2）對于厚鑄件分別在3個表面進行裂紋縫合，即裂紋的內、外表面與鑄件厚度側。 縫合螺栓與螺孔修復環(huán)及加強鎖片安裝之前，均需將孔內金屬屑清理干凈，然后注入特制起密封凝固作用的金屬液。

（3）對于產生裂紋的螺栓孔，首先用專用鉆頭鉆孔，然后用專用絲錐攻絲，再將合適規(guī)格的螺孔修復環(huán)旋進（圖1）。

（4）用專用鉆頭沿著裂紋鉆孔，用特制的絲錐攻絲，將縫補螺栓依次旋進螺栓孔內。在垂直于裂紋的方向安裝加強鎖片，鎖片數量及間距根據實際情況定（圖2）。

圖1 4M80機曲軸箱開裂螺栓孔安裝螺孔修復環(huán)

圖2 4M80曲軸箱裂紋修復圖

圖3 4M80機曲軸箱裂紋修復后打磨圖片

（5）最后對修復表面進行打磨，將不平處磨光，修復結束（圖 3）。

3.金屬縫合受力情況分析

灰鑄鐵由于片狀石墨的存在，在片狀石墨尖角處應力較集中，在拉應力下先從尖角處局部破裂，因此其抗拉強度很低，只為鋼的 1/3～1/5，金屬縫合承受拉力的能力，是衡量該技術可靠性的重要指標。

（1）金屬縫合特制螺紋與普通螺紋比較。普通連接螺紋，牙型為等邊三角形，牙型角60°，當螺栓擰緊時，螺栓受預緊力的拉伸而產生縱向拉伸應力及螺紋摩擦力矩的扭轉而產生扭轉剪應力，而特制螺紋牙型為斜三角形，牙型角（β-α）為 20°，當螺栓擰緊時，螺栓除了受縱向拉伸應力、扭轉剪應力外，還對周圍金屬施加指向裂紋處的水平拉應力，以增強裂紋處的抗拉強度。牙型圖見圖 4、圖 5。

（2）縫合螺栓及螺孔修復環(huán)對周圍金屬施力情況（圖6、圖7）。

從圖6、圖7受力方向及牙型圖可以看出，縫合螺栓及螺孔修復環(huán)對鑄件受力均指向縫合螺栓和螺孔修復環(huán)方向，使裂紋周圍金屬受到一個緊密的拉力，確保修復完后鑄件的整體抗拉強度。

（3）縫合技術與其他修補形式的試件抗拉能力試驗（表1）。表1是魯恩斯技術服務有限公司提供。

表1顯示，對鑄件試件進行拉力測試，將各試件拉斷時，通過修復栓和加強鎖片修復的試件，所用的破壞拉力最大，達43 43 925 N，采用焊接方法的試件，破壞拉力僅為25 807 N。

圖4 縫合螺栓螺紋牙型圖

圖5 螺旋修復環(huán)外螺紋牙型圖

圖6 縫合螺栓對周圍金屬施加力的方向

表1 不同連接方式鑄件拉力測試

三、結語

4M80壓縮機曲軸箱修復后，已平穩(wěn)運行一個多月，原裂紋修補處完好無損，證明用縫合技術修補鑄鐵裂紋是成功的，省時省費用。鑄件裂紋縫合技術在最少拆卸周圍部件的情況下，可簡單快速地進行修補，修理后無扭曲現象，不用進行熱處理，不會產生應力集中，不同金屬間也能接合。用工業(yè)風作鉆孔動力，在防爆區(qū)域施工也比較安全。修復后不但能恢復應有的強度，還能防止修補處泄漏。

圖7 螺孔修復環(huán)對周圍金屬施加力的方向