F级燃机机组主汽调节阀现场修复机器人弧焊研究*

唐 彬，葛圣杰，卢志龙，马耀清，李 芳

（1.上海电力股份有限公司 吴泾热电厂，上海 200241；2.上海交通大学 上海市激光制造与材料改性重点实验室，上海 200240）

1 概 述

广东某电厂1#机组是F 级单轴燃气蒸汽联合循环机组 （三菱M701F3），年启停次数≥200 次。2017 年11 月，在对主汽调节阀进行解体检修中，发现阀座密封面位置存在多处裂纹 （如图1 所示），主要特征表现为沿径向放射状和外圆周向裂纹，直接影响发电机组的经济性和设备正常运行。 由于阀腔内空间狭小，阀座处于深坑部位，为避免返厂修理，必须采用特定的现场自动化装备和技术对其进行修复。

图1 阀座密封面裂纹形貌

2 主汽调节阀技术要求和现场测绘

2.1 主汽调节阀技术要求

主汽调节阀阀体材质符合SA182－F22 标准，与阀座为一体式结构 （即直接在阀体上堆焊密封面），堆焊材料为 12%Cr Steel （AWS ER－410）。主汽调节阀阀芯密封面则采用Stellite 6 合金堆焊，两者相对软硬结合，满足燃气机组在高频率启停的条件下可以保证其密封面的严密性。 高压主汽调节阀密封面如图2 所示。

图2 高压主汽调节阀密封面示意图

2.2 现场测绘

经现场测绘，主汽调节阀阀座为弧面结构，阀座密封面最大直径289 mm，阀盖内孔直径348.5 mm，螺孔中心距离520 mm，阀盖至阀座端面高度770 mm，至圆弧面下沿高度855 mm，喉部通径184 mm （如图3 所示）。 从测量结果可以看出，阀腔内空间狭小，阀座处于深坑部位，无法按照常规的手工方法进行修复，为了保证修复质量及修复的可实施性，本研究制定了 “机器人+数控加工+在线热处理” 的自动化现场修复方案。

图3 高压主汽调节阀现场测绘尺寸

3 现场修复工作技术流程

为保证主汽调节阀阀座的修复质量达到出厂水平，针对现场环境和条件，根据现场测量结果，制定了如图4 所示的现场修复技术流程。

图4 主汽调节阀现场修复技术流程

4 现场修复准备工作

4.1 机加工工装制作

现场机加工的关键是如何将机加工定位，同时确定机加工的基准。 考虑到待加工面与法兰面同心，依据现场设备的尺寸测绘，制作了专用定位工装，包括与阀盖相匹配的固定法兰、 支撑立柱和定位块等。 这些辅助工装可以保证现场机加工设备的强度和精度要求。

4.2 设备安装和调试

将定制工装和数控机加工设备安装在主汽调节阀阀盖上，依据主汽调节阀阀座的尺寸技术要求，进行数控加工编程和设备调试。 机加工设备现场安装如图5 所示。

图5 机加工设备现场安装

4.3 机加工过程控制

4.3.1 现场机加工和检验

图6 现场机加工和检验

现场机加工和检验如图6 所示。 对存在缺陷的阀座密封面部位应先车削干净，车削区域包括原堆焊层材料和焊接热影响区 （厚度确定为10 mm），车削结束后进行光谱检验和着色检验，以确保阀门本体缺陷全部清除。

图7 二次机加工路径规划

4.3.2 二次机加工路径规划二次机加工路径规划如图7 所示。 本修复方案实施过程中，经无损检测结果显示，阀门本体亦存在缺陷，裂纹深度约35 mm，所以对存在的部分缺陷进行第二次车削。 同时，为了防止车削对阀门本体的损伤，车削尺寸作了进一步规划，该规划能够尽可能的减少阀门本体的损伤。

4.3.3 机加工内容

依据主汽调节阀存在的缺陷情况，现场机加工工作包括原始堆焊层缺陷消除、 阀门本体缺陷机加工和修复堆焊后的阀座密封面成形。

5 机器人弧焊技术

由于待堆焊修复部位深度大于800 mm，属于狭小空间内的深坑堆焊。 同时，现场的检修工期较短，需要采用热焊方法才能确保修后质量满足出厂要求。 因此，基本排除了手工修复的可能性，利用弧焊机器人的离线仿真、 参数移植、 三点示教和狭小空间内的焊道及轨迹规划等技术可以较好地克服现场环境条件的限制。

5.1 离线仿真

考虑到阀门结构特殊，必须采用特殊的焊枪和一定的姿态才能完成修复任务，所以在整体设计前需要确定特定焊枪的长度、 形状和姿态是否能够满足施焊要求，同时需要确定焊接轨迹和姿态与阀门内部结构无冲突。 为了优化设计，通过离线建立阀门虚拟模型，在机器人的Robot studio 里面虚拟示教焊枪运动的轨迹和路径，实现了焊枪轨迹、 姿态、 路径以及机器人工装、 夹具和焊枪尺寸的预设计。 3D 仿真宏观结构如图8所示。

图8 机器人3D 仿真宏观结构图

5.2 参数移植

由于现场在线修复的周期一般较短，留给现场在线施工的时间有限，所以必须在进入现场前获取机器人运动轨迹、 焊接电流、 电压、 速度及焊枪轨迹等基本参数。 为此，通过在实验室将机器人与高吨位变位机联动来模拟现场阀门的位置与姿态，构建了与现场在线修复环境一样的工作状态和模式，通过这一模拟获取全套工艺参数，将离线模拟的参数移植到现场，只需在线微调即可保证现场修复的高效率及高质量。

5.3 机器人三点示教

阀门内部空间相对狭小，这也是无法进行手工修复的主要原因。 同样，也给机器人的示教工作造成一定的技术难度。 根据阀体的结构设计和制造加工工艺特点，阀门密封面与阀盖法兰端面是一个同心圆，具有很好的同心度。同时，依据几何原理，只需确定3 个点就可以确定一个圆。 因此，在机器人示教时，就可以利用机器人内部的运算功能，通过三点定位计算出圆心，从而规划出一个圆的轨迹，快速完成示教工作。

5.4 狭小空间内的焊道及轨迹规划

阀体和密封面需要堆焊的部分具有一定厚度，同时要控制焊接过程的稀释率，单层单道无法完成修复方案，必须采取多层多道焊。

对狭小空间内的焊道及轨迹进行了周密的规划，三点示教和焊道规划示意如图9 所示。在实际施焊时，在建立了图9 所示的空间几何坐标图前提下，仅需要下面几步即可完成多层多道的焊道规划： ①三点寻位 （通过示教或激光寻位）； ②根据图纸中施焊面与法兰边缘的高度差和半径差计算新的工具坐标系，即仅需输入 ΔH 值和 Δr 值； ③对于多层多道堆焊，根据每道的焊厚确立偏移量，进行焊接轨迹精度校准，即仅需输入 ΔH1值和 Δr1值，然后依据工艺需求切分和偏移圆的轨迹，就可以根据几何位置确定不同的起始和结束焊接位置，满足焊接接头错开的技术需求。

图9 三点示教和焊道规划

同时，通过一系列的工艺试验可根据焊接电流、 送丝速度和焊接速度等参数确立每道焊缝的余高及宽度，进而利用焊接偏移程序来完成多层焊道的实施，即在z 方向确立焊道的位置高度，在y 方向确立焊道的相对偏移位置。 因此，在整个焊接过程中只要在弧焊机器人中输入后续焊道的z 方向和y 方向位置偏移值就可以按照预先规划的轨迹和速度进行焊接，无需再对每一道焊缝进行重新示教工作。

6 中频感应内外加热

主汽调节阀阀体和密封面外形复杂，壁厚尺寸多变。 若采用传统的外壁加热传导方法，温差较大。 中频感应内外加热技术能够根据现场高温、 高压蒸汽阀门密封面结构和环境的复杂性，确保在焊接或修复过程中满足加热工艺和工作时序的要求。 加热工作时序见表1。

表1 加热工作时序

当需要热处理时，先利用阀门端盖螺栓将工装固定在阀盖上，再将特制的内加感应热线圈固定在L 型移动盘上，连接好加热电源和感应线圈的水冷电缆，内壁感应线圈数模见图10。

图10 内壁感应线圈数模

焊接或修复前，感应线圈通过升降台工装先移动到阀体的阀盖法兰口，然后再进入到阀门腔体内直至密封面的内孔位置。 对于外壁热处理，其柔性空冷加热电缆可直接缠绕在不规则阀体外壁，从阀门开始预热到整个焊接结束时其一直处于工作状态，在阀门外壁形成一道 “热坝”，防止过度散热，以保证密封面加热效果。 内壁和外壁热处理同时开始工作，预热温度恒定后，只退出内加热线圈，外壁热处理继续恒定温度，以保证焊接或修复过程中的层间温度。 完成焊接或修复后，内加热线圈进入，与外加热线圈以相同的升温速率、 恒温时间、 降温速率开始进行焊后热处理，直至整个热处理过程全部完成。

7 修复过程

本次修复工作包括主汽调节阀阀座密封面和相邻阀体两部分，必须先修复阀体再堆焊密封面。 两者材质不同，选用的修复和堆焊材料不同，工艺也不同 （见表2），因此，其技术难度高、 工艺复杂。 为此，修复工艺的制定必须合理和准确，整个工艺过程要严格控制。

表2 修复和堆焊材料

7.1 预热

在确认缺陷全部车削消除的前提下，采用现场热处理设备进行焊前预热，完成热处理设备安装和调试，确认无误后进行预热。 预热温度为250～300 ℃，保温 1 h。 保温结束后用红外线测温仪进行温度测量，满足范围后方能执行下一工序。

7.2 阀体补焊

图11 阀体补焊修复现场

阀体补焊修复现场如图11 所示。 采用弧焊机器人对阀体消缺部位进行堆焊，堆焊尺寸恢复至原密封面尺寸。 采用分层分道焊接，严格控制层间温度到 300～350 ℃，焊缝成形良好，外观平整，无咬边等缺陷。 阀体补焊后进行 350～400 ℃保温，2 h 后热处理，最终热处理在密封面堆焊后一并执行。

7.3 密封面堆焊坡口车削

采用数控加工设备对阀体堆焊面进行密封面堆焊坡口加工，坡口深度不小于7 mm，对坡口面及堆焊位置进行着色检验，满足NB/T 47013标准要求，I 级合格。

7.4 密封面堆焊

对堆焊进行预热，预热温度300～350 ℃。采用分层分道进行密封面堆焊 （如图12 所示），严格控制层间温度 （300～350 ℃）。 焊缝成形良好，外观平整，无咬边等缺陷。

图12 密封面堆焊现场

7.5 热处理

由于阀座密封面堆焊材料是AWS ER－410，焊后需冷却至MS 点以下进行马氏体温度转变，再进行升温热处理。 热处理温度与基材的回火温度保持一致，恒温时间=δ÷25×2 h，升降温速率=6 250÷δ，且≤150 ℃/h、 ≤80 ℃时拆保温棉。 保留完整热处理工艺曲线，升温速度、 保温温度、保温时间、 降温速度、 拆包温度均以监控热电偶显示为准。

7.6 成形机加工

依据主汽调节阀的制造技术标准和现场测绘尺寸，确认最终密封面轮廓尺寸，进行数控编程并确认程序正确，最后进行密封面的成形加工，表面加工精度＜0.4 μm。 成形加工后效果如图13 所示。

图13 成形加工后效果图

7.7 修后检验

修复后的主汽调节阀必须达到出厂时的质量验收标准，包括无损检测、 硬度检验和密封面阀线校核等工作。 其中，硬度检验应在热处理结束后进行，包括本体和阀座密封面，硬度值为 200～260HB。 经最终检验，主汽高压调节阀的现场修复质量达到了预期效果 （如图14 所示）。

图14 密封面校核效果图

8 结束语

针对阀腔内空间狭小，阀座处于深坑部位的修复特征，通过制定和执行 “机器人+数控加工+在线热处理” 的自动化修复方案，消除了F级单轴燃气蒸汽联合循环机组主汽高压调门阀体内腔的本体裂纹和阀座开裂等缺陷，修后质量满足各项技术要求，修复后的设备安全运行至今。

现场数控加工、 机器人弧焊和中频感应内外加热等技术的综合应用，为消除同类型高温高压蒸汽阀门内腔的重大缺陷提供了新的技术路线，也为相关设备的现场检修提供了方法和途径。