汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片開裂修復(fù)

孫 偉，董再勝，高 昕

（1.山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250002；2.濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司，山東 濟(jì)南 250101；3.山東石橫發(fā)電廠，山東 肥城 271621）

0 引言

轉(zhuǎn)子是汽輪機(jī)最重要的部分之一，它是汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分的總稱，主要由主軸、葉輪、動(dòng)葉和聯(lián)軸器等組成，起著工質(zhì)能量轉(zhuǎn)換及扭矩傳遞的任務(wù)。動(dòng)葉片的作用是將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，再將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子承受很大的離心力，實(shí)際轉(zhuǎn)速為3 000 r/min（50 Hz）［1］。 葉片裝機(jī)運(yùn)行，只要其中的一片發(fā)生問題，就可能導(dǎo)致嚴(yán)重的危害。尾帶部位線速度最高，如果堆焊金屬塊開裂，隨時(shí)可能斷掉被高速拋出，擊損其它葉片和部件，同時(shí)帶來連鎖破壞；次末級(jí)葉片為無拉筋葉片，整級(jí)葉片的振動(dòng)頻率和振幅的約束是依賴于葉片之間尾帶結(jié)合面的緊密配合，只要有一片尾帶缺失，整級(jí)葉片約束破壞，后果將不堪設(shè)想。

1 問題綜述

某電廠對(duì)125 MW機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)容 （135 MW），需改造汽輪機(jī)。由于在造的低壓轉(zhuǎn)子次末級(jí)葉片第二十四級(jí)和第三十級(jí)（對(duì)稱左右旋）振動(dòng)頻率試驗(yàn)不符合要求，經(jīng)多方協(xié)商決定，由制造廠對(duì)全部次末級(jí)葉片（材質(zhì)為2Cr12NiW1Mo1V，兩級(jí)共208片）葉肩部的尾帶進(jìn)行堆焊加厚，堆焊層厚度約為8～10mm，以改善振動(dòng)頻率滿足要求。葉片裝配后，在對(duì)整個(gè)低壓轉(zhuǎn)子的精車加工過程中，發(fā)現(xiàn)車刀經(jīng)過堆焊金屬與葉片尾帶熔合區(qū)及附近熱影響區(qū)時(shí)打滑，成形不良；同時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)別葉片的堆焊金屬與尾帶熔合線處有肉眼可見的裂紋。后經(jīng)全部次末級(jí)葉片進(jìn)行硬度及著色探傷檢查，發(fā)現(xiàn)熔合線及附近熱影響區(qū)的硬度均在HRC50以上，甚者達(dá)HRC53，并存在較寬的淬硬帶（約3 mm）；著色探傷發(fā)現(xiàn)表面存在嚴(yán)重連續(xù)裂紋的為11片 （內(nèi)部裂紋未查），如圖1、圖2箭頭所示。其余的均帶有不同程度的焊接缺陷。大量焊接缺陷說明焊接及熱處理工藝不當(dāng)，需進(jìn)行改進(jìn)，重新制定焊接及熱處理工藝。

圖1 葉片表面裂紋位置

圖2 尾帶堆焊處的連續(xù)裂紋

修復(fù)2Cr12NiMo1W1V鋼種無經(jīng)驗(yàn)可借鑒，制定合理焊接工藝將面臨三個(gè)主要問題：1）焊后淬硬裂紋的預(yù)防；2）堆焊完成后熱處理問題：如將葉片放入熱處理爐整體高溫回火，可良好改善焊后熔合區(qū)硬度超標(biāo)問題，但將導(dǎo)致葉片的變形，無法完成精密裝配工作，如采用局部熱處理，溫度和時(shí)間無法妥善控制，亦會(huì)局部超溫變形；3）焊接材料以及焊接方法的選用。

2 2Cr12NiW1Mo1V鋼性能分析

次末級(jí)葉片材質(zhì)2Cr12NiMo1W1V是國產(chǎn)鋼種，屬高合金熱強(qiáng)馬氏體不銹鋼，該鋼具有高的強(qiáng)度水平及良好的韌性配合，抗蝕性好，冷熱加工性能良好，抗回火能力強(qiáng)。該鋼種相當(dāng)于美國Crucible-422鋼和AISI616鋼以及日本的SUH616鋼，是12%鉻鋼的改型鋼種之一。其化學(xué)成分與機(jī)械性能見表 1、表 2［2］。

表1 2Cr12NiMo1WV鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表2 2Cr12NiMo1WV鋼的機(jī)械性能

表3 2Cr12NiMo1WV鋼的供貨狀態(tài)

2Cr12NiW1Mo1V目前已推廣為我國優(yōu)化200MW汽輪機(jī)800 mm末級(jí)葉片用鋼。與lCrl2WMoV（?И802）鋼相比，2Cr12NiW1Mo1V 鋼的碳與鎢、鉬含量均有所增加，并加入了少量的鎳元素，從而使鋼的高溫長(zhǎng)期性能得到提高。鋼的使用溫度可達(dá)649℃，當(dāng)使用于低應(yīng)力抗氧化零件時(shí)，可用到788℃。該鋼與冶標(biāo)YB/Z8-75序號(hào)l給出的鋼號(hào)2Crl2NiWMoV化學(xué)成分與性能均有差別，應(yīng)予注意。該鋼調(diào)質(zhì)狀態(tài)下為回火馬氏體，目前為止，2Cr12NiMo1W1V鋼焊接性受限制［2］。

3 修復(fù)措施

提高預(yù)熱溫度。挖補(bǔ)預(yù)熱溫度由原來的150℃提高到250～300℃，在箱形電爐內(nèi)整體緩慢加熱，爐口處焊接，焊接過程控制溫度不易過高，焊后立即回爐恒溫1 h，隨爐緩冷至室溫。

采用小直徑Ni基焊條或高Ni奧氏體焊條（A507）進(jìn)行焊接均可取得成功。使用手工電弧焊進(jìn)行焊補(bǔ)，直流正接，小規(guī)范，低電弧焊接。焊接全過程用石棉布包裹葉片，只露尾帶焊接處。防止葉片整體溫度散失過快，減小焊接過程中各部位溫差梯度及變形；防止飛濺造成葉片表面損傷。

焊后熱處理采用高溫回火。為防止葉片變形以及更好的控制時(shí)間與溫度，將葉片葉根部位懸掛倒置，僅將堆焊部位及少部分葉片基體放入脫氧后的鹽浴爐內(nèi)加熱。加熱溫度620～640℃，恒溫15min。事先將葉片放入350℃恒溫箱形電爐內(nèi)等溫預(yù)熱，再將其放入鹽浴爐高溫回火，等鹽爐加熱完成后立即再次放入350℃恒溫箱形電爐內(nèi)等溫，最后隨爐緩冷至室溫。此舉目的達(dá)到了減少溫度梯度，更好的防止了因材質(zhì)線膨脹系數(shù)相差過大在快速升溫過程造成的損害，并完善解決了變形及應(yīng)力集中問題。

4 結(jié)語

焊接工作完成后經(jīng)探傷檢驗(yàn)全部合格，硬度值均在HRC30以下，且經(jīng)多處檢查，硬度均勻。至今為止，葉片修復(fù)后已投入安全運(yùn)行3年，取得了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。