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【摘要】分析了大型電站鍋爐鼓引風(fēng)機(jī)主軸采用焊接空心軸的可行性。介紹了空心軸焊接的具體工藝方法。指出了其實(shí)用效果及經(jīng)濟(jì)效益。

• 前言

隨著電站單機(jī)容量的增加，離心通風(fēng)機(jī)的尺寸、重量將大大增加。平輿電廠60萬kw機(jī)組采用的Y4-2X73№37F型雙吸離心式引風(fēng)機(jī)，其葉輪直徑達(dá)3.7m，主軸軸頸為360mm，全長為11195mm，重量達(dá)23700kg。這不僅給制造、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行及維修帶來困難，而且還提高了制造成本和設(shè)備價(jià)格。

由于主軸較重需采用滑動(dòng)軸承，相應(yīng)的配有潤滑油站、高位油箱及盤車裝置等許多輔助設(shè)備，既增加了設(shè)備的投資，又占用了較大的生產(chǎn)場地。因此，在大型通風(fēng)機(jī)中采用空心軸是一個(gè)急需解決的大問題。

目前，國產(chǎn)大型通風(fēng)機(jī)采用空心主軸結(jié)構(gòu)的甚少，而部分進(jìn)口離心式引風(fēng)機(jī)普遍采用了空心軸的結(jié)構(gòu)，并且運(yùn)行良好。如清河、馬頭、神頭3個(gè)電廠從前蘇聯(lián)引進(jìn)的7臺(tái)20萬kw燃煤鍋爐，其中14臺(tái)Ⅱ25x2ⅢB型離心式引風(fēng)機(jī)均采用了空心主軸的結(jié)構(gòu)，黃臺(tái)電廠從日本引進(jìn)的1臺(tái)30萬kw燃煤鍋爐所配置的離心式引風(fēng)機(jī)也采用了空心軸結(jié)構(gòu)；成都電力機(jī)械廠為煙臺(tái)電廠20萬kw燃煤鍋爐研制了鍛造空心軸（即鍛造后再掏空）已經(jīng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)6年，實(shí)踐證明，在大型通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)上采用空心軸結(jié)構(gòu)是完全可行的。

• 焊接空心軸的主要工作

空心軸在工藝方面需闖三關(guān)。即焊接關(guān)、車工關(guān)及裝配關(guān)。而焊接關(guān)是決定空心軸能否成功的關(guān)鍵。

• 空心軸焊接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

確定Y4-2X73№28.5F引風(fēng)機(jī)中的主軸用空心軸。該風(fēng)機(jī)是雙吸入雙支撐形式，根據(jù)軸的幾何形狀和尺寸，設(shè)計(jì)、工藝共同確定了空心軸的結(jié)構(gòu)。主軸中間大部分為厚壁無縫鋼管，空心管的兩端為實(shí)心軸頭，實(shí)心軸頭與空心管采用焊接的方式連接在一起。

采用這種結(jié)構(gòu)形式的空心軸關(guān)鍵在于：a、空心軸的材料及性能b、焊接坡口的形式及工藝試驗(yàn) c、空心軸的焊接  

2）空心軸的材料及性能

空心軸所用鋼管是從德國進(jìn)口的無縫鋼管，材料為12Cr1MoV。此材料為耐熱鋼，在引風(fēng)機(jī)200℃煙氣下工作其機(jī)械性能變化不大；且材料的機(jī)械性能可以滿足設(shè)計(jì)要求；在焊接方面，只要采取合理的工藝措施是可以焊接的。

3）軸頭的材料及性能

軸頭采用16Mn鍛件，材料的機(jī)械性能見下表，粗加工后調(diào)質(zhì)處理

3）焊接坡口的形式及工藝試驗(yàn)

• 焊接坡口形式的確定

要想保證空心軸焊后強(qiáng)度，首先要確定合理的焊接坡口形式，根據(jù)坡口形式去做具體的工藝試驗(yàn)，采用的坡口形式為下圖，這種坡口形式的優(yōu)點(diǎn)在于，當(dāng)施焊人員對(duì)U型槽底進(jìn)行氬弧焊封底時(shí)，靠鐵水子熔，很容易焊透鋼管與軸頭的接合處。另外，在鋼管距坡口中心處鉆通氬氣保護(hù)的通氣孔，在軸頭處鉆出排氣孔。利用氬氣進(jìn)行封底保護(hù)有利于焊縫成型，防止焊縫金屬氧化。這對(duì)主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，因接合處而發(fā)生的疲勞擴(kuò)散有一定的抑制作用。通過焊接工藝試驗(yàn)，證明了這種坡口形式是科學(xué)合理的。

• 焊接工藝試驗(yàn)

要保證空心軸焊接成功，一定要做必要的工藝試驗(yàn)，通過試驗(yàn)做到心中有數(shù)，從而編制出合理的焊接工藝。

• 12Cr1MoV鋼抗焊接氫致裂紋敏感性的評(píng)定：進(jìn)行插銷試驗(yàn)和鐵研試驗(yàn)。這兩種試驗(yàn)均采用φ4mm，R317焊條手動(dòng)電弧焊，焊條經(jīng)過350℃X2h烘干處理。焊接速度：150mm/min，電流170A，電弧電壓：22~25V。

試驗(yàn)結(jié)果：從插銷試驗(yàn)和鐵研試驗(yàn)的結(jié)果，預(yù)熱溫度100℃和150℃對(duì)氫裂紋不敏感，沒有氫脆問題。所以確認(rèn)12Cr1MoV鋼的預(yù)熱溫度為100~150℃。

• 12Cr1MoV鋼埋弧焊焊接接頭抗旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞性能的評(píng)定：埋弧焊工藝及焊絲、焊劑。 埋弧焊采用雙U型坡口，板厚40mm，手工埋弧焊打底，雙面采用φ4mm，H08CrMoVA焊絲，HJ350焊劑。

工藝參數(shù)包括手工氬弧焊和埋弧焊。

• 手工氬弧焊

電弧電壓：11V焊接電流：180A焊接速度：15.4m/h氬氣流量：9L/min不填焊絲。

• 埋弧焊

焊接電壓：37V 焊接電流：500A 焊接速度21m/h試板焊后石棉布保溫緩冷，經(jīng)650~700熱處理

試驗(yàn)后的結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)疲勞極限343MPa，這一結(jié)果對(duì)12Cr1MoV的材料來說是比較高的。因?yàn)楣ぷ鲬?yīng)力不會(huì)超過屈服極限395MPa，因此是安全的，用埋伏焊焊接的焊縫不會(huì)產(chǎn)生疲勞裂紋。

4）用耐熱鋼R317焊條做斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)，通過這種試驗(yàn)看其熱影響區(qū)是否產(chǎn)生冷裂紋，也可看出焊縫冷裂紋、熱裂紋或再熱裂紋。

5)通過鋼性固定對(duì)接試驗(yàn)看其焊縫是否產(chǎn)生熱裂紋或再熱裂紋，也可檢驗(yàn)熱影響區(qū)是否產(chǎn)生冷裂紋。

6)選用R317焊條做焊接接頭機(jī)械性能試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，證明所選焊接材料、工藝規(guī)范各項(xiàng)參數(shù)的正確性。

7）鎢極氬弧焊封底試驗(yàn)。按其焊縫的結(jié)構(gòu)形式模擬加工出焊接時(shí)的坡口形式驚醒氬弧焊封底試驗(yàn)，由此選擇出封底焊的最佳焊接規(guī)范，確定封底電流，從而獲得理想的封底效果。

4、焊前準(zhǔn)備工作

   1）焊接轉(zhuǎn)胎的調(diào)試

選擇本廠自制10噸轉(zhuǎn)胎，通過調(diào)試使轉(zhuǎn)胎運(yùn)轉(zhuǎn)過程緩慢、平穩(wěn)，與焊接時(shí)的速度相匹配。運(yùn)轉(zhuǎn)一周，軸的軸向、縱向位置不竄動(dòng)，周而復(fù)始保持焊縫中心位置不變。

2）焊接加熱器的調(diào)試

由于軸的長度（近10m）所限，只能預(yù)熱一端焊一端。選擇φ670mm紅外線加熱器，用電控柜進(jìn)行控制加溫，主要預(yù)熱焊縫兩側(cè)，致使溫度保持在150~200℃之間；選用φ330mm的紅外線加熱器，用交流電焊機(jī)做電源控制，主要加熱軸頭靠近焊縫側(cè)。這種加熱方法，使軸頭的熱膨脹伸長量走向焊縫，有利焊縫的封底、焊接，保證焊接不產(chǎn)生裂紋。

3）焊接電源的調(diào)試

a、氬弧焊封底所采用的焊接設(shè)備為我廠購置美國Miller公司的焊接設(shè)備。該焊機(jī)經(jīng)過調(diào)試，電壓基本不受網(wǎng)絡(luò)電壓影響而波動(dòng)，焊接時(shí)所選用的焊接電流一旦固定，整個(gè)焊接封底過程中，電流波動(dòng)為±1A，保證了封底時(shí)既能焊透又成型美觀。

b、多頭式子母焊機(jī)是封底后手工電弧焊的設(shè)備。該設(shè)備是通過變阻器來調(diào)節(jié)電流大小的，通過調(diào)試，電流可達(dá)預(yù)想的效果。

4）焊工的培訓(xùn)

a、對(duì)氬弧焊封底的焊工培訓(xùn)。試板的坡口形式與空心軸的坡口形式相同。采用正式焊接的規(guī)范進(jìn)行操作練習(xí)，工藝人員從理論上、實(shí)際操作上進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，使焊工掌握要領(lǐng)，焊接后對(duì)試件檢查、確認(rèn)，使焊工真正掌握氬弧焊封底要領(lǐng)，為空心軸焊接氬弧焊封底打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

b、焊工培訓(xùn)的另一個(gè)重點(diǎn)是手工電弧焊，在封底后檢查合格的試件上，用R317焊條施焊各層。在焊接過程中，注意坡口兩側(cè)要充分熔合，避免夾渣、未焊透、未熔合等缺陷發(fā)生。在確認(rèn)工藝規(guī)范的同時(shí)，提高焊接技術(shù)，為空心軸一次焊接成功奠定基礎(chǔ)。

• 三、空心軸的焊接程序

1）拼裝點(diǎn)固

先裝一端軸頭，檢查合格后趁熱裝，將6塊拉筋（40X100X400  Q235A）等分對(duì)稱焊至鋼管與軸頭兩側(cè)。  焊條牌號(hào)：J427 焊條直徑 φ4mm  焊接電源：直流反接 焊接電流：160~180A  焊腳高度：不大于10mm  然后再熱裝另一端軸頭，按上述要求焊一端軸頭與鋼管的拉筋。

2）焊前準(zhǔn)備

a 核對(duì) 按圖樣尺寸要求核對(duì)焊接坡口尺寸及空心軸的拼裝點(diǎn)固焊接質(zhì)量。

b 清洗 將焊接坡口內(nèi)及距焊縫坡口50mm內(nèi)的外表面的油、繡等污物，用丙酮、酒精清洗干凈。

c、安裝好充背氬的沖氬氣系統(tǒng)。

d、將R317焊條：φ4、φ5mm焊條經(jīng)350℃x2h烘干處理；將HJ350焊條經(jīng)350~400℃x2h烘焙處理；將H08CrMoVA焊絲：φ4mm焊絲清除油、銹。

e、包保溫材料：將兩焊縫的兩側(cè)分別用無堿玻璃絲棉布包扎好，放到滾輪胎上

f、預(yù)熱 將紅外線加熱器根據(jù)主軸距地面高度，調(diào)到合適的位置，并用角鋼做支架，放好焊牢，使主軸能自由轉(zhuǎn)動(dòng)。預(yù)熱溫度為200~250℃。

g、調(diào)試 紅外線預(yù)熱器接通電源，調(diào)試好埋弧自動(dòng)焊操作架，檢查滾輪轉(zhuǎn)胎啟動(dòng)是否正常，確保無誤后再正式焊接。

h、充背氬氣 流量：3~5L/min；確?？招妮S內(nèi)的空氣完全排出

3)鎢極氬弧焊封底

1、焊接工藝 焊接電源為AVE350焊接電流為10~12A 氬氣流量為8~12L/min 熔池形成時(shí)間為5秒，焊接速度為2.52m/h氬氣滯后時(shí)間為3~5秒，鎢極自己為φ3mm焊嘴尺寸為φ10mm。焊接時(shí)要對(duì)稱施焊。

2、后熱 將封底焊好的焊縫加熱到350~400℃保溫2~3小時(shí)后，緩冷至室溫。

3、檢查 對(duì)焊縫進(jìn)行著色探傷檢查。

4、氬弧焊封底焊接另一端焊縫。

5、后熱另一端

6、檢查 對(duì)焊縫進(jìn)行著色探傷檢查

4）焊接

1、手工電弧焊 將工件用紅外線加熱器預(yù)熱后做手工電弧焊 焊條牌號(hào)317焊條直徑φ4~5

2、氣割 將焊縫處的拉筋用乙炔氣割，割掉。切割時(shí)，不可將工件表面割傷。

3、埋弧自動(dòng)焊 將工件用紅外線加熱器預(yù)熱后做埋弧自動(dòng)焊 焊劑：HJ350 焊絲：H08CrMoVA

  焊絲直徑：φ4

4、后熱 將焊縫處加熱到350~400℃/2h做消氫處理

5、按上訴工藝手工電弧焊，焊接另一端焊縫

6、氣割另一端的拉筋

7、按上述工藝埋弧自動(dòng)焊，焊接另一端焊縫

8、檢查 按圖樣要求，對(duì)焊縫做超聲波檢查，然后再檢查拉筋處的焊縫，若有咬肉、割傷，要進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊工藝與正式焊接工藝相同

5）消應(yīng)力

檢查合格后做消應(yīng)力處理

空心軸的焊接時(shí)在有充分的準(zhǔn)備，萬事俱備的條件下進(jìn)行的，焊接過程中，注意坡口兩側(cè)充分熔合，嚴(yán)防夾渣、未熔合。焊后清渣，除去焊瘤、飛濺。由于焊工操作認(rèn)真，工藝人員跟班指導(dǎo)，進(jìn)行每道焊縫的檢查、認(rèn)可，從而使空心軸焊后超聲波探傷100%合格，達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)。

• 空心軸焊接的實(shí)用性及經(jīng)濟(jì)效益

原實(shí)心軸重13600kg，改為空心軸重6660kg，減少重量6940kg，減輕重量達(dá)51%。該空心軸在河南安陽電廠運(yùn)行6年，情況良好?？捎糜?0萬kw發(fā)電機(jī)組以上的鍋爐送引風(fēng)機(jī)和150m2以上大型燒結(jié)引風(fēng)機(jī)等風(fēng)機(jī)上。在不計(jì)煙氣中粉塵磨損情況下，引風(fēng)機(jī)主軸壽命大于5年，送風(fēng)機(jī)壽命大于8年。經(jīng)計(jì)算，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，故可靠性與實(shí)心軸基本相同，且臨界轉(zhuǎn)速有所提高，實(shí)心軸為960r/min，空心軸臨界轉(zhuǎn)速為1089r/min，提高11.7%。

    原實(shí)心軸單價(jià)約50萬元，現(xiàn)空心軸單價(jià)約15萬元，扣除空心軸廠內(nèi)制造成本略高和首次試制的因素，每根主軸至少可節(jié)約25萬元以上，可見在保證實(shí)心軸風(fēng)機(jī)相同利潤的前提下，可降低風(fēng)機(jī)成本，增強(qiáng)了市場的競爭力。