ZG15Cr1Mo1V汽輪機高壓內(nèi)缸裂紋的焊接修復

趙鵬飛 宋永輝 匡清華

(東方汽輪機有限公司，四川618000)

ZG15Cr1Mo1V汽輪機高壓內(nèi)缸裂紋的焊接修復

趙鵬飛 宋永輝 匡清華

(東方汽輪機有限公司，四川618000)

分析了某汽輪機高壓內(nèi)缸裂紋產(chǎn)生的原因，介紹了消缺方案和焊前坡口面處理措施，制定了合理的補焊工藝方案和控制變形措施，最終裂紋一次返修合格。

ZG15Cr1Mo1V；高壓內(nèi)缸；裂紋；焊接修復

火力發(fā)電汽輪機缸體產(chǎn)生裂紋的原因復雜，涉及設計、制造及運行等多方面因素。歸納起來主要有兩種情況：一是存在易產(chǎn)生裂紋的薄弱環(huán)節(jié)，如疏松、夾渣等鑄造缺陷；二是鑄造應力、熱應力和機械應力等應力較大。缸體出現(xiàn)裂紋后，在裂紋兩端存在著很大的應力集中，極易擴展，若裂紋得不到及時處理，或處理方法不當，裂紋將急劇擴張，嚴重影響機組的運行安全。

本文以某超臨界機組缸體大修期發(fā)現(xiàn)的裂紋為例，研究Cr-Mo-V型鑄鋼件裂紋的補焊工藝。

1 裂紋情況分析

該超臨界機組在2010年底開始運行，設計工作溫度566℃，工作壓力24.2 MPa，2013年首次大修時，在高壓內(nèi)缸下半內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)目視可見的9條裂紋，最長裂紋約70 mm，見圖1。

缺陷在缸體的分布位置如圖2所示。

從圖2可以看出，缺陷正對著中壓進汽口位置，汽缸在運行過程中，進汽口處的缸壁長時間受高溫高壓蒸汽沖蝕，缸壁金屬的持久塑性會逐漸降低[1]。隨持久塑性的降低，鑄件應力集中的敏感程度增加，這將促成汽缸裂紋的形成和擴展。在消缺過程中，發(fā)現(xiàn)缺陷處母材存在嚴重的疏松組織，疏松組織是裂紋萌生的起點。

(a)下半氣缸

圖2 缺陷在缸體的分布位置(填充區(qū))Figure 2 The distribution location of defects in the casing (Fill area)

此外，缺陷兩側(cè)的缸體壁厚分別為146.5 mm和112.5 mm，且在缺陷背面的缸體外壁處沿圓周分布著隔熱環(huán)(軸向70 mm，徑向300 mm)，有較強的散熱作用。

圖3 消缺后形貌Figure 3 The appearance after defect elimination

圖4 風槍錘擊及錘擊后坡口底部形貌Figure 4 The hammering with air pressure gun and the appearance of groove bottom after hammering

分析認為，缺陷處母材組織疏松是根源，厚度差產(chǎn)生應力集中，再加上隔熱環(huán)的散熱作用，長期存在著較大的溫度梯度，由此產(chǎn)生熱應力。在熱應力、工作壓力和蠕變的共同作用下，引起開裂。

2 缺陷消除及坡口處理

根據(jù)裂紋情況，在焊接修復前，采用機械加工方法清除缺陷。消缺前，先在裂紋兩端打止裂孔，止裂孔距離裂紋兩端5 mm，裂紋去除后，進行表面檢測確認。消缺后形貌如圖3所示。消缺后，對機床產(chǎn)生的棱角打磨圓滑過渡。由于消缺時發(fā)現(xiàn)缸體內(nèi)部有大量組織疏松，消缺后對坡口表面錘擊以夯實母材，使表面處于壓應力狀態(tài)，見圖4。

3 焊接工藝制定

高壓內(nèi)缸材質(zhì)為ZG15Cr1Mo1V，屬于珠光體耐熱鋼，其化學成分要求見表1。根據(jù)碳當量公式進行計算，其碳當量在0.66%～0.98%之間，焊后易形成淬火組織，導致冷裂紋出現(xiàn)，焊接性較差，因此焊前必須進行預熱，焊后及時進行熱處理，才能保證焊縫質(zhì)量。

3.1 焊材

采用手工電弧焊焊接修復，焊材選用大西洋CHH407型?3.2 mm焊條，電源極性直流反接。焊條使用前按要求烘焙，然后放入保溫桶內(nèi)保溫，隨用隨取。

3.2 預熱

焊前使用天然氣火焰將待補焊區(qū)及附近100 mm范圍內(nèi)局部緩慢加熱至200～300℃，保溫2～3 h。升溫速度不超過150℃/h。

表1 ZG15Cr1Mo1V化學成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The requirements of chemical composition of ZG15Cr1Mo1V (mass fraction, %)

3.3 焊接

由于缺陷處組織疏松嚴重，該疏松組織易在焊接應力作用下開裂。為確保一次補焊合格，首先對坡口面全面打底焊接一層，打底同時對機床消缺臺階和棱角進行填充圓滑處理。打底層焊后進行磁粉檢測，確保打底焊縫的質(zhì)量。

焊接采用多層多道方式，后道焊縫覆蓋前道焊縫的1/3～1/2，息弧時稍慢，將弧坑填滿，防止弧坑裂紋。焊接時，后一層的焊接方向與前一層相反，控制柱狀晶生長方向。同時，為減小焊縫橫向收縮，焊道從兩側(cè)向中間壓道，每側(cè)焊完后立即采用大號風槍錘擊焊縫，錘擊須充分、均勻，直到焊縫表面呈密集蜂窩狀麻點方可停止錘擊，進行另一側(cè)焊接。

為降低坡口底部(焊層)與坡口壁夾角處應力集中，此部位焊接時有意填充實現(xiàn)圓滑過渡，過渡圓角不小于R20 mm。

由于缸體結(jié)構(gòu)剛性很大，且缺陷較深，每焊接50 mm左右，須停止焊接，進行中間去氫處理，去氫溫度250～350℃，保溫2 h。

3.4 熱處理

焊后立即采用天然氣+氧氣火焰進行局部熱處理，如圖5所示。

圖5 焊后局部熱處理工藝曲線Figure 5 The curve of local heat treatment process after repair welding

圖6 中分面拉筋布置Figure6 Thearrangementoftiebaronthesplitsurface圖7 汽缸支撐示意圖Figure7 Thesketchofsupportingpointforcasing

圖8 汽缸補焊后中分面平面度Figure 8 The flatness of split surface of casing after repair welding

3.5 無損檢測

(1)焊后打磨焊縫，表面粗糙度達Ra6.3 μm。

(2)對補焊區(qū)域進行超聲檢測和磁粉檢測，按JB/T 4730—2005 II級驗收合格。

(3)割除防變形拉筋，打磨拉筋切割部位平整并進行磁粉檢測，合格。

4 汽缸變形控制

汽缸為已運行機組，返修過程的變形控制尤為重要。通過分析汽缸結(jié)構(gòu)和加工面重要程度，主要從以下幾方面入手來控制變形。

4.1 防變形拉筋布置

從消缺照片可以看出，焊縫沿軸向和徑向收縮趨勢都較大，為控制變形。在汽缸中分面架設“井”字型方箱拉筋，見圖6。

4.2 汽缸焊前支撐

設計圖紙要求汽缸上下半中分面自由狀態(tài)(未把合螺栓前)合口間隙不大于0.05 mm，可見中分面平面度是變形控制重點。從汽缸結(jié)構(gòu)和返修過程分析，可能引起中分面變形的主要因素除焊接收縮外還有自重引起塌腰和局部受熱引起的不均勻變形。從圖2可以看出，缺陷靠近汽缸中壓端，分布于垂直中分面兩側(cè)，局部加熱變形量在徑向是大致對稱的，軸向不對稱。

為降低返修過程中汽缸因自重和局部加熱在軸向的不對稱變形，汽缸采取5點支撐方式找平，見圖7，并采用橫向水平儀檢測中分面水平度不大于0.05 mm。其中對角線4點為主支撐，中部支點為輔助支撐。

4.3 汽缸最終變形數(shù)據(jù)

汽缸補焊后在數(shù)控龍門銑床上測量中分面平面度數(shù)據(jù)，得到變形數(shù)據(jù)，見圖8。從圖8可看出，補焊處中分面下塌量最大0.15 mm，在可接受范圍內(nèi)，由此也可看出，圖7中部的輔助支撐是必要的。

5 結(jié)論

(1)汽缸開裂主因是鑄件材質(zhì)疏松、缸體結(jié)構(gòu)應力、熱應力和長期高溫運行蠕變綜合作用下引起疏松組織開裂和裂紋擴展。

(2)重大裂紋缺陷采用機床消缺可大幅提升效率，但因此也會帶來消缺棱角和臺階面等應力集中點，焊前打磨倒鈍和焊接時有意填充圓滑是必要的。

(3)針對疏松組織引起開裂的問題，焊前錘擊坡口面夯實母材形成表面壓應力可有效防止打底層反泡和再次開裂。

(4)焊前布置剛性拉筋和合理的支撐方式可有效控制缸體的焊接變形和局部熱處理變形。

[1] 姜保米，周欽．4#機氣缸開裂的成因分析與處理[J]．無損探傷，2009，27(4)：38-40．

[2] 盧超，葛兆祥．電站汽輪機缸體常見材質(zhì)及焊接工藝介紹[J]．江蘇電機工程，2008，27(3)：81-84．

[3] 許江曉，崔文濤．汽輪機高壓缸體裂紋補焊[J]．河南電力，1996，27(4)：19-20.

[4] 張文鉞．焊接冶金學[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002.

編輯 杜青泉

Repair Welding of Crack of ZG15Cr1Mo1VHigh Pressure Inner Casing for Steam Turbine

Zhao Pengfei, Song Yonghui, Kuang Qinghua

The cause of crack of high pressure inner casing for steam turbine has been analyzed. Then the defect elimination plan and the treatment measures for groove surface before repair welding have been introduced. Meanwhile, the reasonable repair welding process and the deformation controlling measures have been prepared. Eventually, the product meets the requirements after the crack repair welding for the first time.

ZG15Cr1Mo1V; inner casing; crack; repair welding

2016—11—20

趙鵬飛(1981—)，男，工程師，主要從事汽輪機高溫部套焊接技術(shù)研究。

TG40

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