汽輪發(fā)電機組汽缸的補焊工藝

中石化齊魯分公司熱電廠 （山東 淄博 255410） 唐行華

1.概述

齊魯石化熱電廠2#發(fā)電機組由上汽制造，型號：CC50—90—42—15—1，缸體材質ZG20CrMo，如圖1所示。工作溫度535℃，自1988年5月1日運行。于2008年3月大檢修中，經金相檢測發(fā)現(xiàn)汽輪機上缸結合面出現(xiàn)近50mm裂紋，如圖2所示。需緊急進行補焊修復處理，以保證設備安全運行。補焊需克服缸體外形尺寸大、焊接變形控制要求高、焊縫易出現(xiàn)裂紋、不易熱處理等不利因素。在對施工條件、檢修工期和經濟效益進行綜合考慮后，通過焊條電弧冷焊接工藝處理后投入運行。本機組于4年后的2012年6月進行了機組常規(guī)解體大檢修，補焊區(qū)域經金相檢測無缺陷，滿足了設備長周期安全運行。

圖1 電機上汽缸

圖2 缺陷位置

2.汽輪機缸體結構特點及鑄鋼材料特性

（1）缸體結構特點 ZG20CrMo屬珠光體耐熱鑄鋼，廣泛應用于電站設備的汽輪機缸體、高壓閥門的殼體。由于汽缸工作時高壓端蒸汽溫度535℃、壓力0.9MPa，高壓蒸汽從高壓缸入口經中壓缸到低壓缸出口溫差超過500℃，低壓缸端則在真空狀態(tài)下受外部壓力，工作壓力及溫度場存在梯度變化，因此汽缸壁受力也在變化。由于汽缸鑄件型體大，屬封閉式或半封閉式回轉殼體，殼體的直徑、截面積、外形的變化都很大，鑄鋼件的壁較厚且壁厚變化也大。還存在鑄造疏松、夾渣、氣孔等缺陷，在長期高溫高壓及交變載荷下工作易產生冷裂紋、熱裂紋或高溫蒸汽吹刷的溝痕等缺陷而影響安全生產。

（2）珠光體耐熱鋼與填充金屬的焊接性分析ZG20CrMo耐熱鑄鋼使用中要求具有足夠的持久強度、高溫抗氧化性和極強的抗氫蝕能力且組織穩(wěn)定性好等特點。鋼中含有鉻、鉬、釩、鎢等元素（化學成分見表1）使過冷奧氏體的穩(wěn)定性提高，焊接熱影響區(qū)有淬硬傾向，隨著Cr、Mo含量的增加，鋼的抗氧化性、高溫強度和抗硫化腐蝕性能也增加。但珠光體耐熱鋼的焊接接頭有諸多的化學成分、金相組織、應力分布場和性能不均勻性。這可以從焊接工藝和選用合適的焊接材料入手，減少焊接熱輸入，來控制近縫區(qū)的硬化和軟化問題。比如選擇保證焊縫性能同母材匹配的焊接材料，保證焊縫應具有必要的熱強性，保證其化學成分及應力要求與母材相近些。焊縫金屬含碳量略低一些，力學性能比母材也低一些。采用小的焊接參數(shù)和合理的坡口形式，以控制熔合比可減小焊接過程中和高溫下長期使用過程中焊接接頭的金相組織變化。從而減少焊縫金屬合金含量的稀釋以及避免焊縫金屬產生碳遷移和產生馬氏體組織，減少兩種母材之間不希望有的相互冶金反應來控制，如形成金屬間化合物，低熔點共晶物等。所以母材與填充金屬的化學成分、焊接方法、焊道層次、焊接工藝以及焊后熱處理等都對金屬組成的焊接接頭的組織不均勻性均有影響。由于焊后熱處理能減小殘余應力，提高焊接接頭綜合力學性能，但在冷卻過程中會造成接頭產生新的熱應力，還因塑性變差和應力增加往往容易引起裂紋。選用線膨脹系數(shù)介于母材與填充金屬之間的過渡段所需預熱溫度，能夠最大限度減小母材之間因線脹系數(shù)差造成的各種熱應力。

表1 ZG20CrMo化學成分（質量分數(shù)）及力學性能

3.填充金屬材料的選擇

根據(jù)缸體母材及填充金屬材料的化學成分對比，選用A507 不銹鋼焊條（化學成分見表2）作為缸體補焊填充金屬。

表2 熔敷金屬化學成分（質量分數(shù)） (%)

A507是堿性藥皮的純奧氏體Cr16Ni25Mo6焊條。符合 GB E16—25MoN—15標準。堿性渣中CaO數(shù)量多，熔渣脫硫的能力強，熔敷金屬的抗熱裂紋的能力較強。而且，堿性焊條由于焊縫金屬中氧和氫含量低，非金屬夾雜物較少，具有較高的塑性和沖擊韌性。按照對熔敷缸體金屬化學成分限定的數(shù)值來選用，A507不銹鋼焊條鉻和鎳含量較高、塑性和抗裂性較好，能避免因產生脆性淬硬組織而導致的裂紋，補焊過程中要嚴格按焊接性分析確定的焊接工藝及參數(shù)。

將缸體和A507的化學成分組成，經過計算代入舍夫勒組織圖，如圖3所示。

圖3

從坐標中可得：

鉻當量（缸體）=1.06+0.32+1.5×0.29=1.833%；

鎳當量（缸體）= 3 0×0.1 2+0.5×0.63=3.915%；

鉻當量（焊條）=14+7+1.5×0.9=22.35%；

鎳當量（焊條）=2 2+3 0×0.1 2+0.5×2.5=29.85%；

選用奧氏體Cr16Ni25Mo6不銹鋼焊條得到的焊縫組織是在熔合線附近有少量的鐵素體組織和焊縫中心的純奧氏體。這種組織不但能減少淬硬傾向避免熱裂紋，也有良好的耐腐蝕性、耐熱性，能夠滿足焊縫金屬各項性能要求。

使用高鉻鎳不銹鋼焊材有以下優(yōu)勢：

（1）與缸體金屬化學成分基本一致，防止合金元素擴散而降低焊接接頭高溫性能。鎳基焊縫的成分允許變化范圍較大，減輕了因焊接參數(shù)不同影響焊縫稀釋率，從減小及消除對焊縫成分帶來的影響。

（2）選用奧氏體化穩(wěn)定穩(wěn)定性強的填充金屬，會改善過渡區(qū)域的綜合力學性能。鉻和鎳含量較高，力學性能相近尤其注重了高溫性能，如果焊接填充后使焊縫組織強度過高會使塑性變差冷彎角變小，甚至形成裂紋。

（3）具有與母材相適應的物理性能，奧氏體焊材雖熱膨脹系數(shù)大于母材，但是焊材含碳量低、韌性好能有效地降低焊接殘余應力等。以避免因產生脆性淬硬組織而導致的裂紋。低的含碳量焊材能改善焊縫金屬的可熱處理性、沖擊韌性、鞏固熱強性。

（4）能確保焊縫的完整性，能夠承受母材的稀釋而不產生諸如氣孔、夾雜物以及有害的金屬化合物，保證焊縫金屬具有所要求的綜合性能，如熱強性、耐熱性、耐腐蝕性。

（5）焊接材料中奧氏體形成元素含量高，能減小過渡層寬度，避免組織脆化。在使用條件下能夠保持組織穩(wěn)定。鉻、鎳親和氫與碳，鎳基焊縫對氫不敏感，對氫的溶解度大，不但克服氫對母材的有害作用防止氫致裂紋，而且減小了碳擴散及碳化物析出等問題。

（6）預熱線膨脹系數(shù)較小的金屬缸體側，再者選用線脹系數(shù)介于兩母材之間的填充金屬或過渡段，減小了母材之間線脹系數(shù)差造成的各種熱應力。低溫預熱可減少由于基體金屬與填充金屬熱膨脹系數(shù)不同而引起熱應力，即使這種熱應力不能完全消除。

（7）保證焊接接頭的使用性能，即保證焊縫金屬與基體金屬具有良好的力學性能和綜合性能。

4.焊前準備

（1）焊前用超聲或磁粉無損檢測方法查明缸體疏松和裂紋缺陷深度、長度和走向。

（2）裂紋根據(jù)裂紋性質確定需打止裂孔，深度根據(jù)裂紋深度，預防在修復過程中裂紋進一步延伸。打孔用直徑6～12mm鉆頭在裂紋前部5～10mm處，然后用機械方法將缺陷裂紋仔細處理。

（3）最好加工U形坡口，坡口底部應有半徑不小于5mm的圓角，不允許有尖角和死角，止裂孔根部也要打磨成緩坡。坡口傾斜度應＞15°，因缺陷處在缸體近邊緣處，坡口修整過程中缸體存在鑄造夾雜、砂眼、等缺陷都要打磨去除，最后形成了如圖4所示形狀。

（4）將修好成形的坡口汽缸接合面周圍用砂紙拋光，經磁粉或著色金相檢測，徹底檢查確認坡口及周圍已不存在溝痕、裂紋等缺陷。

（5）為保證焊接質量，環(huán)境溫度不得小于10℃ ，同時做好防風措施。便可著手補焊工作。

圖4

5. 補焊工藝

（1）采用ZX7—400電焊機，準備A507不銹鋼焊條φ3.2mm，焊前烘干溫度250℃，保溫1h，置于干燥的保溫桶內隨用隨取。

（2）焊前用氧乙炔焰均勻緩慢將缸體坡口及周圍（范圍盡可能大些）加熱至120～150℃，補焊區(qū)周圍加熱范圍盡可能大些。

（3）盡量縮短被焊金屬在液態(tài)下相互接觸的時間，以防止或減少生成金屬間化合物。熔焊時，使材料的加熱和接觸時間盡量短，可以將焊條電弧熱源偏向被焊的缸體側一方，采用焊條直線運條不擺動、直流反接、小電流、窄焊道、多層短弧焊，電弧電壓14～24V，焊接電流80～110A。

（4）要求在坡口內或焊道內引弧并保證每層焊道熔合良好。

（5）先從坡口寬度及深度大的里側焊一層敷焊層（厚度2～4mm），焊后不打藥皮立即保溫，冷卻后用著色無損檢測，仔細檢查補焊區(qū)，如發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷應立即鏟除干凈，待補焊區(qū)檢測合格后，方可重新加熱至100℃方可進行坡口填充的焊接。

（6）每層焊接起弧的位置要交錯，收弧要控制防止弧坑裂紋。層溫不高于100℃，使其在敏化溫度區(qū)停留時間短，有利于防止晶間腐蝕。每層焊完后，藥皮及邊緣飛濺物要清理干凈，并檢查是否有焊接缺陷。

（7）第一層和填充層焊道適當錘擊，以松弛焊道減小填充金屬與缸體拘束應力，但蓋面層禁用。

（8）蓋面層要稍高于結合面，控制不能有咬邊的產生，焊后立即用石棉布覆蓋保溫緩慢冷卻至室溫后進行表面加工。

6.焊后質檢

（1）焊接加工面應高于缸體結合面平面，熔合線兩側圓滑過渡，補焊焊縫不能有咬邊、未填滿、夾渣、裂紋等缺陷。

（2）將補焊區(qū)打磨后研磨，要用長平尺檢查接合面平整度，必要時將缸體試扣安裝，用塞尺檢查接合面，使上下缸體接合面齊平達到密封要求，以避免因補焊產生汽缸接合面變形的發(fā)生。

（3）最后將找平后的補焊區(qū)進行表面著色檢驗，要求達到無缺陷。

7.注意事項

（1）焊前用碳弧氣刨修整坡口時，應用機械方法去掉坡口內側約0.5mm厚的滲碳、銅層。

（2）焊接過程用小熱輸入，以減少變形、焊接殘余應力，改善接頭的加工性能。

（3）焊接過程中要注意坡口與母材間熔合潤濕度，不能產生夾渣、未熔合及弧坑裂紋等缺陷。

（4）焊后不能采用磁粉檢測。

8.結語

（1）補焊應按照對熔敷金屬化學成分限定的數(shù)值來選用焊條，選用鉻和鎳含量較高的、塑性和抗裂性較好的焊材。

（2）按焊接性較差的不銹鋼確定焊接工藝及規(guī)范，低溫預熱線膨脹系數(shù)較小的金屬。

（3）補焊應依據(jù)缺陷大小、長短、分布疏密程度補焊區(qū)的深淺寬窄、焊件厚薄，施工條件，使用環(huán)境及補焊時能否翻轉等因素來定。

（4）根據(jù)材質的焊接性能, 采用鎳基焊條焊接冷焊方法，滿足了機組長周期運行要求，節(jié)約大量的費用和時間，取得了滿意的效果。

（20130102）