650 MW汽輪機(jī)高壓缸接管焊縫缺陷焊接修復(fù)

余 迎 崔樺楠

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、引言

對于剛性和拘束度較大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的汽輪機(jī)高壓缸大型鑄件，其底部接管焊縫由于母材具有較強(qiáng)的冷裂紋敏感性，較易產(chǎn)生冷裂紋，在機(jī)組冷熱循環(huán)的沖擊下，極易造成接管的開裂泄漏，必須進(jìn)行焊接修復(fù)。然而，對于汽輪機(jī)高壓缸這樣的大型鑄件，在現(xiàn)場進(jìn)行補(bǔ)焊具有一定的難度，主要是因?yàn)槭墁F(xiàn)場條件限制，不能像制造廠那樣按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采取傳統(tǒng)的焊接方法進(jìn)行焊接修復(fù)。因此，應(yīng)依據(jù)現(xiàn)場條件，合理制定焊接工藝對汽輪機(jī)缸體進(jìn)行修復(fù)，使之滿足運(yùn)行使用條件需要。

二、機(jī)組概況及存在的缺陷

某核電廠機(jī)組為650 MW飽和汽輪機(jī)組，采用哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HN650-6.41型單軸、4缸6排汽、反動(dòng)凝汽式汽輪機(jī)，是消化吸收美國西屋公司核電汽輪機(jī)技術(shù)，在秦山二期1#、2#汽輪機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)完善的自主設(shè)計(jì)制造的國產(chǎn)首臺650 MW核電汽輪機(jī)。

2010年11月，作為經(jīng)驗(yàn)反饋項(xiàng)目，對高壓缸焊縫進(jìn)行PT復(fù)檢，發(fā)現(xiàn)高壓缸24條接管上的28條焊縫存在超標(biāo)線性或圓形顯示。上述超標(biāo)顯示雖未裂穿，但如不處理將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，危及機(jī)組的運(yùn)行安全。經(jīng)研究決定對上述超標(biāo)顯示區(qū)域進(jìn)行機(jī)械打磨，裂紋源清除后，發(fā)現(xiàn)有19處接管需要補(bǔ)焊。部分缺陷接管焊縫如圖1所示。

三、高壓缸鑄件可焊性分析

圖1 部分缺陷接管焊縫

高壓缸內(nèi)、外缸材料均為ZG15Cr2Mo1，ZG15Cr2Mo1各元素化學(xué)成分見 表 1， 其 碳當(dāng)量 0.74%～0.98%，焊接接頭具有較強(qiáng)的冷裂紋敏感性。在力學(xué)性能上，厚壁鑄鋼件的韌性通常不高。因此，高壓缸體補(bǔ)焊具有冷卻速度快，拘束度大的特殊性，決定了補(bǔ)焊區(qū)較易產(chǎn)生冷裂紋，因此必須采用合理的工藝措施加以預(yù)防，使其不但能夠防止冷裂紋，而且還應(yīng)保證補(bǔ)焊區(qū)金屬的熱強(qiáng)性、抗熱疲勞性、組織穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生附加變形和應(yīng)力。

表1 ZG15Cr2Mo1各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

四、焊接方法選擇

補(bǔ)焊工藝要根據(jù)缸體材料種類、原始組織狀態(tài)及不同的缸體結(jié)構(gòu)而定，一般可選用同質(zhì)熱補(bǔ)焊和異質(zhì)冷補(bǔ)焊工藝。

表2 ZG15Cr2Mo1焊接工藝

1.同質(zhì)熱補(bǔ)焊方法

采用化學(xué)成分與力學(xué)性能與缸體相近的珠光體耐熱鋼焊條如R307或R317焊條進(jìn)行焊條電弧焊。這種焊接方法的優(yōu)點(diǎn)是，同種材料焊接，金屬組織相同，不存在異種鋼焊接問題；機(jī)組在運(yùn)行啟停過程中，膨脹收縮一致，產(chǎn)生應(yīng)力??；所用焊接材料價(jià)格低廉，成本低。缺點(diǎn)是，焊接變形難于控制；需要專門的熱處理設(shè)備；施工條件差，由于預(yù)熱溫度高，焊接及熱處理時(shí)，施工人員不易接近缸體。如果采用熱補(bǔ)焊方法進(jìn)行補(bǔ)焊，由于缸體的體積龐大、壁厚、散熱快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，現(xiàn)場難以采用電加熱的方法進(jìn)行整體預(yù)熱和焊后熱處理，難以控制焊接時(shí)的冷卻速度，易產(chǎn)生淬硬組織，造成冷裂紋。如果采用局部熱處理，局部高溫預(yù)熱易導(dǎo)致缸體變形，產(chǎn)生的附加應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間變化危及機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.異質(zhì)冷補(bǔ)焊方法

采用化學(xué)成分與力學(xué)性能與缸體不同的奧氏體焊條如A307、A407、A507 進(jìn)行焊條電弧焊。焊前預(yù)熱 150～200 ℃，焊接過程中始終保持預(yù)熱溫度，控制層間溫度不超過預(yù)熱溫度100℃，同時(shí)每焊一道即錘擊焊道，連續(xù)完成焊補(bǔ)。焊后立即用保溫棉覆蓋，保溫緩冷。這種焊接方法的優(yōu)點(diǎn)是，由于采用冷焊方法，焊接變形小；所用焊接材料價(jià)格低廉，成本低。缺點(diǎn)是，由于奧氏體焊縫的線膨脹系數(shù)約是珠光體母材的1.5倍，因此接頭中的熱應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力較大。

采用化學(xué)成分與力學(xué)性能與缸體不同的鎳基焊條如ENiCrFe-3進(jìn)行焊條電弧焊。焊前不預(yù)熱，焊后不緩冷，只在焊接過程中每焊完一道，錘擊焊道即可。這種焊接方法的優(yōu)點(diǎn)是，焊接工藝簡單，工作量小，施工環(huán)境條件好。缺點(diǎn)是鎳基焊條價(jià)格非常昂貴。

綜上所述，考慮到缸體體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁較厚、散熱快，現(xiàn)場難以采用電加熱的方法進(jìn)行整體預(yù)熱和焊后熱處理，采用奧氏體不銹鋼異質(zhì)冷補(bǔ)焊的焊接工藝。使用E16-25MoN-15（A507）直徑3.2 mm、4 mm焊條進(jìn)行填充焊接。在現(xiàn)場選定缺陷最深、施焊難度最大的焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊，缺陷用冷機(jī)械加工方法打磨至缺陷消除或剩余壁厚3 mm，用冷焊工藝（A507焊條）施焊2道，焊后 48 h，做PT檢查，PT合格后再施焊2層，48 h后重復(fù)做PT檢查，合格后即可進(jìn)行其余缺陷的補(bǔ)焊。

五、焊前準(zhǔn)備

用砂輪、旋轉(zhuǎn)銼或碳弧氣刨等方法去除接頭焊縫上所有超標(biāo)缺陷，若直至剩余焊縫厚度在3 mm以內(nèi)仍未清除徹底時(shí)，可不再進(jìn)行挖除而現(xiàn)狀使用。在施焊方便的前提下，補(bǔ)焊坡口應(yīng)盡量小。坡口形狀不應(yīng)有急劇變化，表面應(yīng)平整、底部平緩，不允許有尖角存在且補(bǔ)焊坡口及周圍10 mm范圍內(nèi)的表面應(yīng)露出完好的金屬光澤。

著色檢查，坡口表面及其周圍20 mm內(nèi)不得有任何裂紋、成排氣孔和長度＞1.5 mm的線性顯示。用酒精或丙酮清潔補(bǔ)焊區(qū)及周圍區(qū)域≥150 mm的范圍，去除油脂等雜質(zhì)，保證焊接時(shí)不會(huì)有污染物流進(jìn)焊縫影響焊接質(zhì)量。采用碳弧氣刨鏟除缺陷時(shí)，缺陷區(qū)域及其周圍30 mm內(nèi)均勻預(yù)熱至150～200℃，刨后用砂輪、旋轉(zhuǎn)銼打磨掉1 mm左右去除表面滲碳層。

焊條使用前應(yīng)進(jìn)行250℃，1 h烘干處理，使用時(shí)應(yīng)放在80～120℃的便攜式保溫桶內(nèi)隨用隨取。

六、焊接工藝

焊接工藝見表2，選用A507直徑3.2 mm焊條，手工電話焊，直流反接，在保證熔合良好的前提下，盡量選用80～110 A的焊接電流，以減小母材對焊縫的稀釋。

焊接過程中采用斷續(xù)焊，從下至上堆高將坡口全部覆蓋，后焊道壓先焊道，用直徑3.2焊條堆焊3～4 mm過渡層，道間應(yīng)有1/3疊加，堆焊應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，焊后蓋上石棉布緩冷至室溫。焊條使用完后不能立即熄弧，應(yīng)停止焊條移動(dòng)，待弧坑填滿后，緩慢逐漸拉長電弧至熄滅，以防止出現(xiàn)弧坑裂紋。打磨焊縫表面粗糙度不低于Ry12.5，待檢面及其鄰近至少25 mm范圍之內(nèi)應(yīng)是干燥狀態(tài)，無灰塵、油脂、棉織物、銹、焊劑、焊接飛濺、油或者其他妨礙探傷進(jìn)行的外來物。為了盡量減小汽缸的變形和應(yīng)力，應(yīng)采用多層多道焊，所有焊接過程中均采用逐層逐道焊接，層間仔細(xì)檢查。自檢每層焊縫的表面質(zhì)量，焊縫表面及其周圍20 mm內(nèi)不得有任何裂紋、成排氣孔和長度＞1.5 mm的線性顯示，如發(fā)現(xiàn)有氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等缺陷，應(yīng)徹底清除，確認(rèn)無焊接缺陷后才能繼續(xù)焊接。用A507焊條進(jìn)行填充焊接，道間溫度控制在≤50℃，每道焊后目視檢查應(yīng)無裂紋。

冷焊每1層后，錘擊焊縫約15 s，以消除應(yīng)力或減小應(yīng)力集中。錘擊的方法是先錘擊焊縫的中部，后錘擊焊縫兩端，錘痕排列應(yīng)緊湊，錘擊的程度以肉眼清晰可見錘痕為準(zhǔn)。必須把焊縫上的每點(diǎn)都錘擊到。最后1層焊道應(yīng)覆蓋前一層焊道寬度1/3，且焊道長度不宜超過50 mm。每個(gè)補(bǔ)焊區(qū)焊接完畢，錘擊30 s，再對焊縫及其周圍150 mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行局部均勻預(yù)熱至300℃左右，保溫時(shí)間約10 min后用保溫棉包裹，使其自然冷卻。

七、結(jié)束語

焊接及熱處理完成后，使用角磨機(jī)對補(bǔ)焊區(qū)與進(jìn)行表面修磨。使之與母材圓滑過度，然后依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對補(bǔ)焊區(qū)與進(jìn)行了各項(xiàng)檢驗(yàn)。依據(jù)DL/T 869-2004《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》對補(bǔ)焊區(qū)與進(jìn)行外觀檢驗(yàn)，未見超標(biāo)缺陷。對補(bǔ)焊區(qū)與進(jìn)行滲透探傷檢驗(yàn)，未見表面裂紋等缺陷存在。