東莞市華鑫激光科技有限公司 羅雄光 中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司 鄒志林 王海賓

1 問(wèn)題概述

于受到汽泵汽蝕余量的限制，泵內(nèi)水溫不能超過(guò)允許值，所以汽泵運(yùn)轉(zhuǎn)都規(guī)定一個(gè)最小流量值。給水泵低流量運(yùn)行情況下就

由應(yīng)開啟再循環(huán)流量控制閥，以保證泵的工作流量大于最小流量，而多余的流量通過(guò)再循環(huán)管路回到除氧器水箱；而當(dāng)給水量處于正常條件下時(shí)再循環(huán)系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。

某核電機(jī)組在檢修期間發(fā)現(xiàn)，汽動(dòng)給水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥存在閉合不嚴(yán)、給水泵出口高壓水內(nèi)漏；當(dāng)機(jī)組降負(fù)荷過(guò)程中汽泵入口流量下降，在小開度響應(yīng)情況下（0～20%）閥體振動(dòng)指標(biāo)超出范圍。本機(jī)組采用多級(jí)籠式套筒減壓最小流量閥，介質(zhì)流向?yàn)榈瓦M(jìn)高出結(jié)構(gòu)，閥內(nèi)配一個(gè)抗汽蝕閥籠，利用閥籠導(dǎo)向，通過(guò)閥芯上下移動(dòng)改變閥籠的節(jié)流孔面積，形成了特定流量特性并實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，具有防氣蝕、降噪音、耐沖刷的特點(diǎn)（圖1）。

圖1 汽泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖

閥籠壓緊螺母（圖1綠色）與閥體（圖1橙色）間通過(guò)螺紋旋入定位，如圖1黃圈所示，保證閥籠壓緊螺母、閥籠與閥桿、閥芯的同軸度，是一種承受壓力的元件，承受與閥體相同的溫度和腐蝕性影響，提供內(nèi)負(fù)載力以防止閥籠與閥體間以及閥座環(huán)與閥體間的泄漏。旋緊閥籠壓緊螺母與閥體間的螺紋運(yùn)動(dòng)副，使得閥籠與閥座換間的接合面緊密貼合，壓縮閥座環(huán)底部金屬纏繞墊片以保證閥座環(huán)與閥體間的密封。同時(shí)也保證了閥籠與閥體的對(duì)中配合，這種對(duì)中配合進(jìn)一步給閥芯提供導(dǎo)向，確保閥芯閥桿與填料間正確的對(duì)中配合。

解體閥門發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部損壞特征如下：閥芯與閥體間的密封環(huán)已沖刷嚴(yán)重，存在閉合不嚴(yán)等情況；閥體內(nèi)螺紋與閥籠壓緊螺母外螺紋間的螺紋鎖緊已失效，配合間隙已大至2～3mm；在擰緊過(guò)程中，為了不讓其松動(dòng)須在內(nèi)螺紋上施加一個(gè)叫“軸向力”的適當(dāng)拉力；過(guò)大的間隙無(wú)法提供相應(yīng)的鎖緊力。

2 維修方案

分析原因：由于機(jī)組負(fù)荷經(jīng)常變動(dòng)、總給水量也相應(yīng)發(fā)生變化，引起汽泵再循環(huán)閥經(jīng)常處于開關(guān)的臨界點(diǎn)運(yùn)行，總給水量的少量變化便引起汽泵再循環(huán)閥頻繁開關(guān)，導(dǎo)致再循環(huán)閥及管路劇烈振動(dòng)，振動(dòng)致使閥體與閥籠壓緊螺母的螺紋鎖緊松動(dòng)，軸向壓緊力失效，密封墊片密封失效，介質(zhì)對(duì)閥體產(chǎn)生沖蝕；閥籠壓緊螺母的螺紋磨損是由于無(wú)合適的拆裝工藝，多次拆裝疊加造成了螺紋的損傷。本項(xiàng)目維修關(guān)鍵點(diǎn)在于恢復(fù)閥體與閥籠壓緊螺母的螺紋鎖緊，現(xiàn)有方案有如下3個(gè)：

加大孔徑后重新攻絲并更換對(duì)應(yīng)的內(nèi)螺紋（螺栓）進(jìn)行緊固：本項(xiàng)目若采用加大孔徑方案，增大后的閥籠壓緊螺母外螺紋尺寸將大于閥蓋法蘭內(nèi)孔尺寸，致使無(wú)法裝配；將內(nèi)外螺紋緊固變成一體化的焊接工藝：若采用焊接工藝將閥籠壓緊螺母與閥體間焊為一體，焊接過(guò)程中的水平與居中定位難以保證，節(jié)流套提供的壓緊力無(wú)法調(diào)節(jié)且有不利的變形風(fēng)險(xiǎn)，也不利于持續(xù)的維修服務(wù)；利用激光熔覆增材技術(shù)+數(shù)控螺紋銑削設(shè)備，原尺寸恢復(fù)閥體內(nèi)螺紋：激光熔覆采用高功率密度激光束為熱源，以合金粉末為填充料，合金粉末與金屬母材同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低并與基體材料成冶金結(jié)合的表面熔覆層，熱輸入和畸變非常小，變形可降低到零件的裝配公差內(nèi)。

圖2 維修方案流程圖

綜合評(píng)估各方面因素，本項(xiàng)目采用第3種維修方案，即整體換新閥籠壓緊螺母（外螺紋），經(jīng)前期工藝評(píng)定合格后，閥體（內(nèi)螺紋）采取恢復(fù)原尺寸的修復(fù)方案為行業(yè)內(nèi)首次應(yīng)用，解決了此類問(wèn)題此前不能維修或讓步維修的行業(yè)難題。

現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核：閥體材質(zhì)為美標(biāo)閥門用鑄造低碳鋼A216WCC，屬于低碳鋼、焊接性能良好，選用力學(xué)性能更優(yōu)、耐腐蝕性能更好的ER NiCrMo-3鎳鉻鉬-3合金粉末；內(nèi)螺紋為英制M12；牙頂和牙底尺寸確定。ER NiCrMo-3鎳鉻鉬-3合金粉末化 學(xué) 成 分（%）為：C0.1、Cr22、Mo9、Nb4.2、Fe3.0、Si0.5、Mn0.5、NiBase。

工藝評(píng)定：激光熔覆原理屬于激光焊接，依據(jù)GB/T 2651-2008焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行ASTM 216WCC母材、熔覆層金屬ER NiCrMo-3、母材與熔覆層間的結(jié)合，3組式樣的力學(xué)性能如圖3，熔覆層金屬抗拉強(qiáng)度高于母材，結(jié)合強(qiáng)度等同于原母材；同時(shí)檢測(cè)熔覆層金相顯微組織（圖4）和顯微硬度梯度（圖5）。熔覆層截面金相圖片顯示：表面平整、光滑，無(wú)氣孔、微裂紋等焊接缺陷，母材焊接熱影響區(qū)小，約0.3mm，此熱影響區(qū)對(duì)體積300mm的閥體相比變形可忽略不計(jì)；顯微維氏硬度梯度顯示：熔覆層金屬硬度值270～320HV0.3，分布均勻，270～320HV0.3為調(diào)質(zhì)硬度，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

圖3 3組式樣的力學(xué)性能

圖4 激光熔覆層截面金相組織

圖5 激光熔覆層截面顯微硬度梯度

經(jīng)確認(rèn)后選用如下工藝參數(shù)：半導(dǎo)體光纖激光器激光光斑φ3mm、功率1.8kW、熔覆速度400mm/min、送粉量13g/min，氬氣保護(hù)及氣載式送粉，選用粉末流直線度優(yōu)越的3錐孔噴嘴。

現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工（去除閥體內(nèi)螺紋）：以閥體上法蘭面為基準(zhǔn)安裝便攜式3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控螺紋銑床，以閥體內(nèi)螺紋上方未磨損部位為基準(zhǔn)，調(diào)節(jié)設(shè)備安裝垂直度及找內(nèi)孔中心點(diǎn)，編程銑削去除原內(nèi)螺紋，至閥體裸露新鮮金屬表面，銑削結(jié)束后進(jìn)行光譜檢驗(yàn)和著色檢驗(yàn)，確保閥體本身缺陷全部清除。

在線激光內(nèi)孔熔覆技術(shù)：利用6軸關(guān)節(jié)機(jī)械手柔性制造單元在ABB機(jī)器人的Robot Studio里面虛擬激光頭運(yùn)動(dòng)軌跡和路徑，實(shí)現(xiàn)了激光頭、姿態(tài)、路徑以及機(jī)器人工裝、夾具的預(yù)設(shè)計(jì)，最終離線編程激光光頭螺旋上升軌跡?，F(xiàn)場(chǎng)通過(guò)設(shè)置工件坐標(biāo)Z軸方向，3點(diǎn)確定圓弧、Z軸偏移量，最終形成3層厚約4.5mm的熔覆層金屬（圖6）。

圖6 在線激光熔覆內(nèi)孔方案

超聲波沖擊強(qiáng)化去應(yīng)力：為延長(zhǎng)熔覆層金屬服役壽命，本維修方案創(chuàng)新性的引入超聲波沖擊強(qiáng)化振動(dòng)應(yīng)力消除工藝，降低熔覆層金屬和母材的拉應(yīng)力和變形，并產(chǎn)生有益的殘余壓應(yīng)力，有效抑制微裂紋的萌生與生長(zhǎng)，提高焊接部件的抗疲勞強(qiáng)度。

現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控加工設(shè)備安裝與調(diào)試：現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工的關(guān)鍵是如何將機(jī)加工定位，同時(shí)確定機(jī)加工的基準(zhǔn)?？紤]到待加工面與閥體上法蘭面垂直，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的尺寸測(cè)繪制作了專用可靈活調(diào)節(jié)的定位工裝（如圖8綠色板），以閥體上法蘭面為基準(zhǔn)，用螺栓固定在閥殼法蘭上，工裝板上安裝便攜式3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控螺紋銑床（圖8），同時(shí)安裝調(diào)節(jié)腳手架，承載設(shè)備主要重量。以閥體內(nèi)螺紋上方未磨損部位為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)設(shè)備安裝垂直度，確保數(shù)控螺紋銑床的中心與被加工的螺紋內(nèi)孔中心基本一致。這些輔助工裝可保證現(xiàn)場(chǎng)機(jī)加工設(shè)備的強(qiáng)度和精度要求。用分中棒將XY兩軸中心找出（公差在±0.02mm）設(shè)置為加工零點(diǎn)，同時(shí)也是內(nèi)孔中心點(diǎn)。

圖7 超聲波沖擊強(qiáng)化振動(dòng)應(yīng)力消除裝置

圖8 便攜式3軸數(shù)控聯(lián)動(dòng)螺紋銑床

現(xiàn)場(chǎng)銑削內(nèi)螺紋：依據(jù)汽動(dòng)循環(huán)調(diào)節(jié)閥的尺寸技術(shù)要求，進(jìn)行數(shù)控加工編程和設(shè)備調(diào)試。先用普通銑刀粗加工內(nèi)螺紋的底孔，單邊預(yù)留0.2mm做精加工；待PT著色探傷&超聲波無(wú)損探傷均合格后更換為英制M12的螺紋銑刀，設(shè)置好起始位置，編寫螺紋數(shù)控加工程序，以0.1mm進(jìn)刀量多刀次加工至復(fù)核尺寸的負(fù)0.1mm的余量。

精加工螺紋：檢測(cè)尺寸，用帶圓柱體的三針內(nèi)徑千分尺多點(diǎn)測(cè)量?jī)?nèi)螺紋的牙頂圓，待尺寸接近目標(biāo)值旋入內(nèi)螺紋（閥籠壓緊螺母）進(jìn)行試配，檢測(cè)旋入旋出是否順暢，以及配合間隙等確認(rèn)，通過(guò)反復(fù)加工、測(cè)量、試配，直至可將螺栓完全旋進(jìn)且旋入扭力大小合適。待加工完畢后對(duì)內(nèi)螺紋表面進(jìn)行著色探傷檢測(cè)。

綜上，針對(duì)大型結(jié)構(gòu)件的大孔徑內(nèi)螺紋（直徑＞150mm）的損壞特征，通過(guò)制定和執(zhí)行在線內(nèi)孔激光熔覆→現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控銑削內(nèi)螺紋的技術(shù)路線，原尺寸恢復(fù)螺紋緊固，避免因局部損壞而導(dǎo)致部件報(bào)廢更換，或是犧牲其它尺寸性能的讓步維修方案，修復(fù)后質(zhì)量滿足各項(xiàng)技術(shù)要求，修復(fù)后的設(shè)備安全運(yùn)行至今。激光增材+便攜式數(shù)控加工設(shè)備的綜合應(yīng)用為電力行業(yè)相關(guān)設(shè)備缺陷的現(xiàn)場(chǎng)維修提供新思路。

圖9 產(chǎn)品驗(yàn)收結(jié)果合格圖