适用于坑腔空间的现场修复方法与流程

--原申请的申请日：2018年09月30日

--原申请的申请号：201811163163.6

--原申请的发明创造名称：适用于坑腔空间的现场修复方法

本发明涉及机组现场修复领域，具体地，涉及适用于坑腔空间的现场修复方法，尤其是基于弧焊机器人的燃机机组主汽调节阀现场修复方法。

背景技术：

电厂对于单轴燃气蒸汽联合循环等机组的年启停次数具有较高的要求，通常年启停次数≮200。在对主汽调节阀进行解体检修中，阀座密封面为检修对象之一。对于阀座密封面位置存在多处裂纹的情况，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。但是由于阀腔内空间狭小，阀座处于深坑部位，不宜返厂修理，因此有必要采用现场自动化装备和技术对其进行修复。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于坑腔空间的现场修复方法。

根据本发明提供的一种适用于坑腔空间的现场修复方法，包括如下步骤：

对存在缺陷的待加工面部位车削清除；

规划用机器人进行弧焊；

通过中频感应进行内外加热；

利用机器人对待加工面部分进行焊接修复。

优选地，所述车削的区域包括原堆焊层材料和焊接热影响区；车削结束后进行光谱检验确认和着色检验以确保缺陷全部清除。

优选地，所述通过机器人进行弧焊的步骤，包括：

离线仿真步骤：离线建立坑腔的虚拟模型，根据坑腔结构确定匹配的焊枪的长度、形状和姿态，虚拟示教焊枪运动的轨迹和路径，确定焊接轨迹和姿态均与坑腔内部结构无冲突；

参数移植步骤：在实验室将机器人与变位机联动来模拟现场待加工面所属部件的位置与姿态，构建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；

机器人三点示教步骤：通过三点定位计算出圆心，从而规划出一个圆的轨迹，完成示教工作；

焊道及轨迹规划步骤：必须采取多层多道焊，在实际施焊时，根据已建立的空间几何坐标图，通过如下步骤完成多层多道的焊道规划：

1)三点寻位；

2)根据图纸中施焊面与待加工面所属部件的法兰边缘的高度差和半径差计算新的工具坐标系；

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；然后依据工艺需求切分和偏移圆的轨迹，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；

通过工艺试验根据焊接电流、送丝速度和焊接速度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；在整个焊接过程中在弧焊机器人中输入后续焊道的z向和y向位置偏移值实现按照预先规划的轨迹和速度进行焊接。

优选地，所述通过中频感应进行内外加热的步骤，包括：

对于内壁热处理，将内加热感应热线圈固定在l型移动盘上，连接好加热电源和内加热感应线圈的水冷电缆；焊接或修复前，内加热感应线圈通过升降台工装先移动到坑腔的法兰口，然后再进入到坑腔的腔体内直至待加工面的位置；

对于外壁热处理，将柔性空冷加热电缆直接缠绕在待加工面所属部件的外壁，从阀待加工面所属部件开始预热到整个焊接结束时柔性空冷加热电缆一直处于工作状态，在柔性空冷加热电缆外壁形成一道热坝；

内壁和外壁热处理同时开始工作，预热温度恒定后，只退出内加热感应热线圈，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，内加热感应热线圈进入，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。

优选地，所述利用机器人对待加工面部分进行焊接修复的步骤，包括：

预热步骤：采用现场热处理设备进行焊前预热并保温，保温结束后用红外线测温仪进行温度测量，满足范围后执行下一补焊步骤；

补焊步骤：采用弧焊机器人对待加工面的消缺部位进行堆焊，堆焊尺寸恢复至原尺寸；采用分层分道焊接；补焊后进行保温及热处理，最终热处理在密封面堆焊后一并执行；

堆焊坡口车削步骤：采用数控加工设备对堆焊面进行堆焊坡口加工，对坡口面及堆焊位置进行着色检验；

堆焊步骤：对堆焊进行预热，采用分层分道进行堆焊；

热处理步骤：热处理温度与基材的回火温度保持一致，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；

成形机加工步骤：确认最终待加工面的轮廓尺寸，进行数控编程并确认程序正确，最后进行待加工面的成形加工。

优选地，待加工面为密封面，待加工面所属部件为阀座。

优选地，还包括修后检验步骤。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明采用弧焊机器人、现场数控加工和中频感应内外加热技术，消除了主汽高压调节阀阀体内腔的本体裂纹和阀座开裂等缺陷，修复后的阀门达到出厂水平，保证了发电设备的安全性，为短期内现场解决同类型机组高温高压蒸汽阀门的重大设备隐患提供了方法和技术路线。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为阀门中阀座的结构示意图。

图2为主汽调节阀现场修复技术路线图。

图3为二次机加工路径规划图。

图4为三点示教和焊道规划之间的关联示意图。

图5为内壁感应线圈结构示意图。

图中示出：

阀座密封面101

阀盖内孔102

螺孔103

阀盖位置104

阀座端面位置105

圆弧面下沿106

喉部107

阀腔108

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

根据本发明提供的一种适用于坑腔空间的现场修复方法，包括如下步骤：

对存在缺陷的待加工面部位车削清除；

规划用机器人进行弧焊；

通过中频感应进行内外加热；

利用机器人对待加工面部分进行焊接修复。

优选地，所述车削的区域包括原堆焊层材料和焊接热影响区；车削结束后进行光谱检验确认和着色检验以确保缺陷全部清除。

优选地，所述通过机器人进行弧焊的步骤，包括：

离线仿真步骤：离线建立坑腔的虚拟模型，根据坑腔结构确定匹配的焊枪的长度、形状和姿态，虚拟示教焊枪运动的轨迹和路径，确定焊接轨迹和姿态均与坑腔内部结构无冲突；

参数移植步骤：在实验室将机器人与变位机联动来模拟现场待加工面所属部件的位置与姿态，构建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；

机器人三点示教步骤：通过三点定位计算出圆心，从而规划出一个圆的轨迹，完成示教工作；

焊道及轨迹规划步骤：必须采取多层多道焊，在实际施焊时，根据已建立的空间几何坐标图，通过如下步骤完成多层多道的焊道规划：

1)三点寻位；

2)根据图纸中施焊面与待加工面所属部件的法兰边缘的高度差和半径差计算新的工具坐标系；

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；然后依据工艺需求切分和偏移圆的轨迹，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；

通过工艺试验根据焊接电流、送丝速度和焊接速度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；在整个焊接过程中在弧焊机器人中输入后续焊道的z向和y向位置偏移值实现按照预先规划的轨迹和速度进行焊接。

优选地，所述通过中频感应进行内外加热的步骤，包括：

对于内壁热处理，将内加热感应热线圈固定在l型移动盘上，连接好加热电源和内加热感应线圈的水冷电缆；焊接或修复前，内加热感应线圈通过升降台工装先移动到坑腔的法兰口，然后再进入到坑腔的腔体内直至待加工面的位置；

对于外壁热处理，将柔性空冷加热电缆直接缠绕在待加工面所属部件的外壁，从阀待加工面所属部件开始预热到整个焊接结束时柔性空冷加热电缆一直处于工作状态，在柔性空冷加热电缆外壁形成一道热坝；

内壁和外壁热处理同时开始工作，预热温度恒定后，只退出内加热感应热线圈，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，内加热感应热线圈进入，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。

优选地，所述利用机器人对待加工面部分进行焊接修复的步骤，包括：

预热步骤：采用现场热处理设备进行焊前预热并保温，保温结束后用红外线测温仪进行温度测量，满足范围后执行下一补焊步骤；

补焊步骤：采用弧焊机器人对待加工面的消缺部位进行堆焊，堆焊尺寸恢复至原尺寸；采用分层分道焊接；补焊后进行保温及热处理，最终热处理在密封面堆焊后一并执行；

堆焊坡口车削步骤：采用数控加工设备对堆焊面进行堆焊坡口加工，对坡口面及堆焊位置进行着色检验；

堆焊步骤：对堆焊进行预热，采用分层分道进行堆焊；

热处理步骤：热处理温度与基材的回火温度保持一致，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；

成形机加工步骤：确认最终待加工面的轮廓尺寸，进行数控编程并确认程序正确，最后进行待加工面的成形加工。

优选地，待加工面为密封面，待加工面所属部件为阀座。

优选地，还包括修后检验步骤。

下面通过一个优选的实施例，以f级单轴燃气蒸汽联合循环机组为例，对本发明进一步具体的说明。

步骤1：调查主汽调节阀技术要求和现场测绘

1.1：调查主汽调节阀技术要求

主汽调节阀阀体材质符合sa182-f22标准，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％crsteel(awser-410)。主汽调节阀阀芯密封面则采用stellite6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保证其密封面的严密性。

1.2：现场测绘

经现场测绘和尺寸复核，主汽调节阀阀座为弧面结构；阀座密封面最大直径为289.17mm；阀盖内孔直径为345.5mm；螺孔中心距离为520mm；阀盖至阀座端面高度为770mm，至圆弧面下沿高度为855.01mm；喉部通径为184mm，见图1。从测量结果可以看出，阀腔内空间狭小，阀座处于深坑部位，待修复面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，本发明制定了机器人+数控加工+在线热处理的自动化现场修复方案。

步骤2：拟定现场修复工作技术路线

为保证主汽调节阀阀座的修复质量达到出厂水平，在掌握其制造工艺后，针对现场环境和条件，根据现场测量结果，本发明制定了如图2所示的现场修复工作技术路线。其中，若没有吹损、裂纹、气孔、脱落，则认为没有发现需修复对象，结束工作；若不满足技术要求，则返回重新执行破损面机加工；若预热温度没有达到要求，饿返回重新执行内外壁加热；若堆焊质量不满足要求，则返回重新执行机器人深坑堆焊；若热处理未完成，则返回继续使用内加热装置加热；若加工尺寸、表面硬度没有达到要求，则返回重新执行修复面加工；若研磨精度、密封面结合没有达到要求，则返回重新执行施加研磨装置。

步骤3：现场数控加工

3.1：制作机加工工装

现场机加工的关键核心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，制作了定位工装，其中，所述定位工装包括与阀盖相匹配的固定法兰、支撑立柱、定位块等，这些辅助工装可以确保现场机加工设备的强度和精度要求。本领域技术人员可以结合现有技术实现对辅助工装的加工，由于辅助工装不是本发明的重点，在此不予赘述。

3.2：安装和调试设备

将定位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。

3.3：机加工过程控制

3.3.1：现场机加工和检验

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10mm)车削结束后进行光谱检验确认和着色检验以确保阀门本体缺陷全部清除。

3.3.2：二次机加工路径规划

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35mm，所以对存在的部分缺陷进行第二次的车削。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，该规划可以尽可能的减少阀门本体的损伤，如图3所示。

3.3.3：机加工内容

依据主汽调节阀存在的缺陷情况，现场的机加工工作分为三部分组成，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。

步骤4：规划用机器人弧焊技术进行弧焊

由于待堆焊修复部位深度大于800mm，属于狭小空间内的深坑堆焊。同时，现场的检修工期较短，需要采用热焊的方法才能确保修后质量达到或超过出厂水平。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的克服现场环境和条件的限制。

4.1：离线仿真

考虑到阀门结构特殊，必须采用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robotstudio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。

4.2：参数移植

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，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。

4.3：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圆心圆，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。

4.4：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。在实际施焊时，在建立了空间几何坐标图前提下，仅需要如下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⊿h值和⊿r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⊿h1值和⊿r1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去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。

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向和y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。

步骤5：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加热方法，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。如表1所示。

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，再将内加热感应热线圈固定在l型移动盘上，连接好加热电源和感应线圈的水冷电缆。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。

步骤6：修复工艺控制

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亦不同，见表2。因此，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

6.1：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1h。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。

6.2：阀体补焊

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℃，焊缝成型良好，外观平整，无咬边等缺陷。阀体补焊后进行350-400℃保温2h后热处理，最终热处理在密封面堆焊后一并执行。

6.3：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7mm；对坡口面及堆焊位置进行着色检验，满足nb/t47013，i级合格。

6.4：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。严格控制层间温度到300-350℃，焊缝成型良好，外观平整，无咬边等缺陷。

6.5：热处理

由于阀座密封面堆焊材料是awser-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＝6250÷δ且≯150℃/h，≤80℃拆保温棉。保留完整工艺曲线，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。

6.6：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<0.4μm。

步骤7：修后检验

修复后的主汽调节阀必须达到出厂的质量验收标准，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，硬度值范围为hb＝200～260。经最终检验，主汽高压调门的现场修复质量达到了预期效果。

综上所述，在本优选例中，本发明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。现场数控加工、弧焊机器人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。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。