N40—42型汽輪機汽封座裂紋焊接修復技術(shù)應用

吳友良

摘要：本文針對N40-42型汽輪機上、下缸汽封座在運行中產(chǎn)生裂紋的原因進行分析；對母材的可焊性、焊接方法及材料的選擇、焊接變形與殘余應力控制進行分析；對在現(xiàn)場進行的焊接工藝進行了詳細敘述，此工藝對現(xiàn)場修復大型珠光體耐熱鋼具有修復效率高，成本低，焊工勞動條件好，對減少汽輪機上、下缸汽封座的應力和變形具有較高的實用價值。

關(guān)鍵詞：焊條電弧焊冷焊法；裂紋；錘擊

前言

我廠#1汽輪機工作壓力為4.2Mpa，蒸汽溫度為460℃，機組在運行中發(fā)出金屬磨擦聲和震動，停機檢查發(fā)現(xiàn)汽輪機上、下缸汽封座有27處深淺不一，長短不等的縱向裂紋，最長的裂紋約300mm、深36mm。為盡快恢復機組運行，采用現(xiàn)場挖補處理。

1.裂紋產(chǎn)生原因

我們針對汽封座產(chǎn)生裂紋原因進行綜合分析：一是汽輪機在運行過程中汽轉(zhuǎn)子發(fā)生前竄與汽封座產(chǎn)生摩擦溫度劇升，致使汽封局部半溶化狀態(tài)，造成汽封座局部材料強度降低產(chǎn)生裂紋；二是汽封座表面受到汽室溫度與摩擦形成溫差，使局部產(chǎn)生較大應力，同時受汽轉(zhuǎn)子前后竄動撞擊，形成裂紋。

2.可焊性分析

2.1母材的分析

2.1.1母材的可焊性差

汽封座材質(zhì)為ZG20GrMo，屬珠光體耐熱鋼，運行溫度460℃，工作壓力為4.2Mpa。碳當量在0.41～0.66﹪之間，厚度為800mm，拘束度大。因而，補焊區(qū)不僅需要足夠的強度，還要一定的高溫性能和疲勞強度。

2.1.2焊接變形

因汽封座和汽缸是一個整體，焊后變形最大撓度不得超過0.5mm，徑向和軸向的線變形不超過1.0mm。因而，如何降低焊后殘余應力，防止焊縫產(chǎn)生淬硬組織，是必須解決的問題。

2.1.3焊縫綜合性能

機組需經(jīng)常停機、啟動或瞬間增減負荷，補焊區(qū)不僅處于高溫條件下工作，而且處在交變熱應力作用下工作。因此，要求焊縫必須具有一定的抗熱疲勞性能和高溫穩(wěn)定等性能。

2.2焊接方法選擇

汽封座補焊的困難是如何防止產(chǎn)生裂紋、夾渣、未熔合和應力變形等缺陷，選擇正確的焊接方法尤為重要。由于汽封座體積大，剛性強，若用熱焊法則焊前預熱、焊后熱處理困難，施焊環(huán)境差。若用冷焊法，焊前不需預熱，焊后變形小，工作效率高，成本低，施焊條件好，只要焊材選擇得當，選擇工藝措施有效，所得焊縫金屬與母材具有相當?shù)臋C械性能。

2.3焊條的選擇

采用冷焊工藝焊接汽封座裂紋，如果焊條選擇不當則易產(chǎn)生裂紋、未熔合、白口等缺陷。為此，過渡層選用純鎳鑄鐵焊條（Z308），填充層選用（A507）不銹鋼焊條進行補焊。過渡層Z308焊條，焊芯是純鎳，鎳是強度較高的石墨化元素，藥皮中加入了大量強還原性石墨，有利于消除熔合區(qū)的白口，降低碳化物穩(wěn)定性，削弱碳化物形成元素對碳的親和力，可以減弱擴散層。填充層采用A507不銹鋼焊條，焊縫組織是奧氏體加少量鐵素體，具有較好的抗裂性能。鉻可提高鋼的淬透性和強度，具有良好的抗氧化性和耐腐蝕能力。過渡層Z308焊條與填充層A507焊條配合使用可提高鋼的強度、韌性及高溫性能。

3.焊接工藝

ZG20GrMo鋼焊接性較差，必須采取嚴格的工藝措施。我們在對母材、焊接方法及焊接材料選擇進行充分分析后，采用異質(zhì)焊縫冷焊法工藝，焊縫金屬具有較好的綜合機械性能。

3.1焊前準備

3.1.1檢查缺陷

利用肉眼和著色探傷法確定所有裂紋的位置和形狀。

3.1.2清除裂紋、開坡口

用角向砂輪機將裂紋挖干凈，開成V形坡口。坡口表面平整，過度圓滑。坡口兩側(cè)20～30mm內(nèi)油污、鐵渣清理干凈，并打磨出金屬光澤。

3.1.3焊條選擇

為把應力與變形控制在最小范圍內(nèi)，用直徑∮3.2的焊條。焊前將兩種焊條加熱200～250℃，烘培1～2小時，使用時放置在80℃恒溫的焊條保溫筒里，隨用隨取。

3.2焊接

過渡層焊縫采用Z308焊條，填充層采用A507不銹鋼焊條進行焊接。焊接時，由坡口底部開始，先焊兩側(cè)后焊中間，沿坡口面逐步向上施焊，厚度控制在3～4mm，則可使焊縫金屬橫向收縮量控制在最小值。焊接時應注意，后一道焊縫要覆蓋先一道焊縫的1/2～1/3處。每層盡量選用較小的焊接電流，焊條不擺動，以減小母材對焊縫的稀釋。收弧時，要填滿弧坑，避免弧裂紋。

焊接過程中采用多層多道、分段、分散焊法，短弧操作，每段焊縫長度不超過50mm，并待溫度降低到不燙手為止，再進行下一段焊縫的焊接。

3.2.1焊接變形與應力控制

焊接時，為降低焊接應力與變形，每層盡量選用較小的焊接線能量；每焊完一道必須等到紅熱狀態(tài)消失，再用尖頭小錘錘擊焊縫周圍，至不燙手為止（60℃左右），再焊下道焊縫。因焊接應力是在600℃以下開始產(chǎn)生的，而600℃以下的錘擊才能起到松馳應力的作用，故錘擊應在600℃以下開始實施。這樣交替作業(yè)可細化晶粒，降低應力，防止產(chǎn)生裂紋。

3.2.2檢查、清理

焊接時，每焊完一層，應檢查焊縫有無裂紋或其它缺陷，若發(fā)現(xiàn)立即進行處理，不致使缺陷帶至最終。每焊完一段錘擊好后，將表面的藥渣、飛濺等清刷干凈，可防止焊接時產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷。在焊接過程中，應時刻注意熔合線開裂，若發(fā)現(xiàn)應清理后再焊下道焊縫。焊接時應避風，尤其不可用電風扇吹。

3.2.3蓋面層焊接

為便于焊縫表面機械加工，在距蓋面層坡口面2mm左右用Z308焊條堆焊，余高1～2mm，表面不允許咬邊。

4.焊后檢驗

補焊24小時后，對汽封座進行修磨，用著色探傷進行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋和剝離現(xiàn)象。

汽輪機運行至今，每次大修開缸做超聲波檢查和著色探傷檢查，補焊處都未發(fā)現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象。這表明，用Z308鑄鐵焊條和A507不銹鋼焊條對汽封座裂紋修復是可靠的，所采用的補焊工藝是合理的，為今后補焊大型耐熱鋼提供了借鑒的經(jīng)驗。

5.結(jié)論

采用Z308和A507焊條對焊縫裂紋補焊的工藝，可改善焊縫金屬結(jié)合性能，減小焊接應力，阻止碳擴散，提高焊縫綜合機械性能。

參考文獻：

[1]中國機械工程焊接學會編.焊接手冊.北京機械工業(yè)出版社，1992.

[2]葛兆祥主編.焊接工藝及原理.北京電力工藝出版社，1997.