濱海熱電1號(hào)機(jī)主汽閥閥體裂紋原因分析與焊接修復(fù)

吳永法

（浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312073）

濱海熱電1號(hào)機(jī)主汽閥閥體裂紋原因分析與焊接修復(fù)

吳永法

（浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312073）

浙能紹興濱海熱電公司1號(hào)機(jī)組在2012年大修時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)右側(cè)高壓主汽閥閥體內(nèi)壁靠近進(jìn)汽濾網(wǎng)導(dǎo)流板部位存在裂紋。通過對(duì)裂紋的宏觀、金相檢查和分析，認(rèn)為裂紋是在閥門殼體鑄件鑄造過程或隨后的熱處理過程中產(chǎn)生的，屬于鑄造缺陷。給出了焊接修復(fù)處理方案及工藝措施，提出了修復(fù)投運(yùn)后的監(jiān)督檢驗(yàn)建議，可為同類型問題的處理提供借鑒。

汽輪機(jī)；主汽閥；內(nèi)壁；裂紋；分析；焊接

1 概況

浙江浙能紹興濱海熱電有限責(zé)任公司1號(hào)機(jī)組的汽輪機(jī)由哈爾濱汽輪機(jī)廠制造，為亞臨界、中間再熱、雙排汽抽汽凝汽式，型號(hào)為 C280/ N300-16.7/538/538型，于2011年6月投產(chǎn)。2012年12月，1號(hào)機(jī)進(jìn)行投產(chǎn)后的第一次檢查性大修，檢查發(fā)現(xiàn)右側(cè)高壓主汽閥閥體存在裂紋，裂紋位于主汽閥閥體內(nèi)壁靠近主蒸汽進(jìn)汽濾網(wǎng)擋流板位置，裂紋斷續(xù)分為3條，總長(zhǎng)度約為250 mm，張口最寬處約為1.5 mm，裂紋宏觀形貌如圖1所示。閥門設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度為541℃、壓力約為17.5 MPa，閥體材質(zhì)為ZG15Cr2Mo1，裂紋區(qū)域閥殼厚度約為130 mm。機(jī)組大修前累計(jì)運(yùn)行時(shí)間約為12 000 h。

2 裂紋性質(zhì)與原因分析

2.1 裂紋形貌觀察及金相檢驗(yàn)

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)裂紋整體走向彎曲，但在局部區(qū)域走向平直，不具備疲勞裂紋的宏觀形貌特征。

采用現(xiàn)場(chǎng)金相技術(shù)，用FeCl3作為腐蝕劑，對(duì)裂紋區(qū)域閥體材料進(jìn)行金相組織檢查，金相組織在光學(xué)顯微鏡下的裂紋形貌如圖2所示。

（1）閥體材料金相組織為鐵素體+貝氏體，晶粒度6～7級(jí)，如圖2（a）所示，但在局部區(qū)域可以觀察到原始的粗大晶粒，如圖2（b）所示。

（2）裂紋邊緣分叉處如圖2（c）所示，裂紋尖端存在脫碳層，脫碳層厚度0.1～0.2 mm，如圖2（d）所示。

2.2 裂紋性質(zhì)與原因分析

圖1 主汽閥閥體內(nèi)壁裂紋形貌

圖2 光學(xué)顯微鏡下的裂紋形貌

脫碳是鋼加熱時(shí)表面碳含量降低的現(xiàn)象。脫碳的過程就是鋼中的碳元素在高溫下與氫或氧發(fā)生作用并生成甲烷或一氧化碳。其化學(xué)方程式分別為：

這些反應(yīng)是可逆的，即氫、氧和二氧化碳使鋼脫碳，而甲烷和一氧化碳則使鋼增碳。

脫碳是擴(kuò)散作用的結(jié)果，脫碳時(shí)一方面是氧向鋼內(nèi)擴(kuò)散，另一方面是鋼中的碳向外擴(kuò)散。從最后的結(jié)果看，脫碳層只在脫碳速度超過氧化速度時(shí)才能形成。當(dāng)氧化速度很大時(shí)，可以不發(fā)生明顯的脫碳現(xiàn)象，即脫碳層產(chǎn)生后鐵即被氧化而形成氧化層。

影響鋼脫碳的因素有鋼料的化學(xué)成分、加熱溫度、保溫時(shí)間和煤氣成分等。其中加熱溫度對(duì)脫碳層的形成有直接影響。一般低于800℃時(shí)，鋼表面的氧化層將阻礙碳的擴(kuò)散，脫碳比氧化慢，因此材料表面形成氧化層而不會(huì)形成脫碳層。但當(dāng)溫度超過800℃以后，一方面氧化層形成速度增加，但另一方面碳的擴(kuò)散速度更快，此時(shí)氧化層失去保護(hù)能力，脫碳速度快于氧化速度，從而形成脫碳層，且隨著加熱溫度的進(jìn)一步提高，脫碳層的深度不斷增加。

工程上，常常根據(jù)脫碳層的存在來判斷裂紋形成的大致溫度或經(jīng)歷的熱循環(huán)[1-3]。如文獻(xiàn)[2]對(duì)ZG42Cr1Mo鋼托輪斷口觀察發(fā)現(xiàn)，在疏松、氣孔等鑄造缺陷邊緣存在明顯脫碳層；文獻(xiàn)[3]對(duì)28Cr2Mo鋼的斷坯裂紋觀察發(fā)現(xiàn)，鑄造坯是在軋制過程中斷裂，由于軋制溫度為1 000℃，因此表面脫碳層很淺。圖3是12Cr1MoVG鋼在720℃× 6 h條件下產(chǎn)生的裂紋，表面僅存在氧化層，而不存在脫碳層[4]。圖4是某電廠再熱管道15Cr1Mo1V鋼在540℃溫度下長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)形成的裂紋形貌，裂紋尖端上存在氧化層但并不存在脫碳層[5]。

圖3 12Cr1MoVG鋼720℃×6 h下產(chǎn)生的裂紋形貌

本主汽閥閥體實(shí)際運(yùn)行溫度為538℃，該溫度下若裂紋發(fā)生擴(kuò)展，則會(huì)在裂紋面上產(chǎn)生氧化層，而不會(huì)產(chǎn)生脫碳層。

根據(jù)裂紋形貌可以判斷，該裂紋是閥體在鑄造過程中或者隨后的熱處理過程中產(chǎn)生的鑄造缺陷，裂紋尖端存在脫碳層表明：該部件服役時(shí)裂紋并未發(fā)生擴(kuò)展。

圖4 15Cr1Mo1V鋼540℃運(yùn)行下產(chǎn)生的裂紋形貌

3 焊接修復(fù)方案

為保證焊接修復(fù)方案的安全性、可操作性并滿足大修工期的要求，濱海熱電公司邀請(qǐng)?zhí)K州熱工院、浙能技術(shù)研究院、浙江電科院等單位的金屬材料專家對(duì)哈爾濱汽輪機(jī)廠出具的補(bǔ)焊工藝進(jìn)行了補(bǔ)充完善，修正后的焊接修復(fù)方案如下：

（1）采用砂輪或旋轉(zhuǎn)銼等機(jī)械打磨方式磨除裂紋，磨除時(shí)在裂紋兩端鉆止裂孔，清除裂紋。如裂紋較淺，采用單側(cè)焊接坡口；如裂紋較深（接近裂透）則采用雙面“X”型焊接坡口。焊接坡口制備后需經(jīng)著色檢查，確認(rèn)坡口側(cè)壁無缺陷后方可補(bǔ)焊。

（2）采用敷焊加填充焊方式進(jìn)行補(bǔ)焊。敷焊層采用Φ3.2的ENiCrFe-3焊條；填充層采用Φ3.2的E16-25MoN-15（A507）Φ3.2焊條。

（3）閥體外部鋪設(shè)遠(yuǎn)紅外電加熱片進(jìn)行焊前預(yù)熱，敷焊層焊前預(yù)熱至100℃。

（4）敷焊層焊接2層，厚度控制為4～6 mm。要求連續(xù)施焊，焊道排列整齊，焊道之間要有1/3的覆蓋量，敷焊層與坡口邊緣基材圓滑過渡。

（5）全部敷焊完成后，用石棉布覆蓋，緩慢冷卻至常溫后打磨并著色檢查，不允許有裂紋、夾渣、氣孔、咬邊等缺陷。

（6）填充補(bǔ)焊采用多道多層焊，斷續(xù)進(jìn)行，每道焊接前要等前一道焊縫冷卻至50℃以下再焊。

（7）填充層每焊一道，焊工用氣動(dòng)風(fēng)鎬進(jìn)行錘擊。敷焊層與填充蓋面層不錘擊。

（8）Ni基合金焊條與A507焊條熔敷金屬均具有一定的熱裂紋敏感性，特別是在收弧處易出現(xiàn)裂紋，因此收弧處要填滿，每道焊縫收弧處要進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋則通過打磨的方法清除，不能以下一道焊道重熔的方法來清除。

（9）焊接時(shí)，高壓調(diào)節(jié)閥管孔處裝設(shè)換氣扇，以排出閥體內(nèi)的熱空氣與焊接煙塵，改善焊接操作條件并保證焊接操作者安全。

（10）焊接修復(fù)過程中，專業(yè)技術(shù)人員全程旁站監(jiān)督檢查。

（11）修復(fù)后對(duì)修補(bǔ)部位進(jìn)行宏觀、著色、金相、硬度等各項(xiàng)檢查。

4 修復(fù)質(zhì)量控制

4.1 裂紋的清除

（1）清除方法：機(jī)械打磨清除缺陷。（2）控制要點(diǎn)：裂紋是否清除完全。

（3）結(jié)果：長(zhǎng)約 20 mm區(qū)域清除深度至53 mm，其他區(qū)域清除至45 mm時(shí)，裂紋清除完全，并經(jīng)著色探傷確認(rèn)。

4.2 焊接過程控制

（1）預(yù)熱溫度100～150℃，層間溫度控制約100℃，焊接2層，敷焊層厚4～6 mm。對(duì)焊道逐道檢查，未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷。

（2）控制層間溫度100℃以下；每道焊縫收弧處檢查。檢查中多次在收弧處發(fā)現(xiàn)裂紋，對(duì)此進(jìn)行了打磨清除。

5 修復(fù)后的檢驗(yàn)

5.1 外觀檢驗(yàn)

焊接完畢后，對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行了打磨和著色滲透檢查。檢查結(jié)果表明，焊縫金屬與母材圓滑過渡，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)焊接缺陷。

5.2 硬度檢查

對(duì)閥體補(bǔ)焊區(qū)域用里氏硬度計(jì)進(jìn)行了硬度測(cè)試，測(cè)定結(jié)果表明母材HB為158，敷焊層HB為176，填充層HB為194，硬度符合要求。

5.3 金相組織檢查

采用現(xiàn)場(chǎng)復(fù)膜金相技術(shù)，用王水作為腐蝕劑，對(duì)焊接區(qū)域閥體材料進(jìn)行金相組織檢查，發(fā)現(xiàn)：

（1）母材閥體材料金相組織為鐵素體+貝氏體，晶粒度6～7級(jí)，如圖5所示。

圖5 母材金相組織

（2）敷焊層焊縫金屬組織為鑄態(tài)奧氏體，晶間有較多析出物，如圖6所示。

圖6 敷焊層金相組織

（3）填充層焊縫金相組織為奧氏體，如圖7所示。

圖7 填充層金相組織

（4）熔合線熔合良好，未見裂紋、夾渣、未熔合等缺陷，如圖8所示。

（5）檢查未發(fā)現(xiàn)裂紋或其他超標(biāo)缺陷。

圖8 熔合線形貌

6 結(jié)論

綜合修復(fù)工藝、修復(fù)過程的控制和焊后檢驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為，該閥體修復(fù)質(zhì)量滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，能保證部件的安全運(yùn)行。

[1]孫盛玉，戴雅康.熱處理裂紋分析圖譜[M].大連：大連出版社，2002.

[2]郭海霞.ZG42Cr1Mo鋼托輪斷裂原因分析[J].熱處理，2010，5（25）:65-68.

[3]付勇濤，劉靜，劉武群，等.28Cr2Mo鋼鑄坯軋制斷裂原因分析[J].鋼鐵研究，2009，4（37）:15-18.

[4]陳忠兵.華塑股份熱電1號(hào)鍋爐末過出口三通焊接接頭裂紋原因分析及修復(fù)技術(shù)報(bào)告[R].蘇州熱工研究院有限公司，2011.

[5]陳忠兵，張立君，梁軍，等.在役15X1M1Φ鋼焊接接頭早期失效分析及其預(yù)防[J].金屬熱處理，2012（11）:119-124.

[6]鄭天艷.汽輪機(jī)主汽閥裂紋原因分析及修復(fù)[J].浙江電力，2014，33（2）:38-42.

（本文編輯：徐 晗）

Cause Analysis and Welding Repair of Crack in Main Throttle Valve

WU Yongfa
（Zhejiang Zheneng Shaoxing Binhai Thermal Power Generation Co.，Ltd.，Shaoxing Zhejiang 312073，China）

During the maintenance in Binhai Thermal Power Generation Co.，Ltd.in year 2012，a crack was found in the inner wall of right high-pressure main throttle valve of units 1 near skirt the plate of feed-in steam strainer.Based on the visual inspection and metallographic examination of the crack，it is believed that the crack is formed in the manufacturing process,such as casting or subsequent heat-treating.This paper offers the crack repairing scheme and technical measures of welding repair；besides，it brings forward suggestions on supervision and test after the crack is repaired and put into operation，providing reference for the solution to such problems.

steam turbine；main throttle valve；inner-wall；crack；analysis；weld

TK265

B

1007-1881（2015）02-0045-05

2014-09-03

吳永法（1973），男，工程師，主要從事火力發(fā)電廠生產(chǎn)技術(shù)管理。