汽輪機(jī)葉片焊接工藝研究

劉 博，王威彪

(哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150028)

汽輪機(jī)葉片焊接工藝研究

劉 博，王威彪

(哈爾濱電氣股份有限公司，哈爾濱 150028)

結(jié)合個(gè)人實(shí)踐工作經(jīng)驗(yàn)與相關(guān)參考文獻(xiàn)，以N100-90/535型產(chǎn)品為例，對(duì)汽輪機(jī)葉片發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行剖析發(fā)現(xiàn)，造成汽輪機(jī)末級(jí)葉片斷裂的重要原因就是應(yīng)力腐蝕問(wèn)題。制定相應(yīng)焊接工藝，以期對(duì)汽輪機(jī)葉片實(shí)施及時(shí)的修復(fù)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

汽輪機(jī)葉片；斷裂；焊接工藝

1 研究資料

結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)，以哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的N100-90/535型產(chǎn)品為例進(jìn)行闡述，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 基本參數(shù)

已知該汽輪機(jī)的末級(jí)葉片在1998-04斷裂了一片，其斷裂的葉片工作長(zhǎng)度為665 mm，寬度為80～100 mm。葉片沿著進(jìn)汽邊自上而下釬焊了8塊硬質(zhì)合金，以此為基礎(chǔ)對(duì)氣流沖刷進(jìn)行抵抗，其中硬質(zhì)合金中的倒數(shù)第一塊與倒數(shù)第二塊恰恰與葉片斷裂位置相對(duì)應(yīng)。

2 汽輪機(jī)葉片斷裂原因

2.1 斷口宏觀形貌分析

圖1是斷口的宏觀形貌，通過(guò)對(duì)其研究分析可以看到斷口表面已經(jīng)呈現(xiàn)出了暗紅色，且已經(jīng)被氧化銹蝕，進(jìn)汽側(cè)是斷裂發(fā)生的起始區(qū)域，并以此為基礎(chǔ)橫向拓展，斷裂的擴(kuò)展區(qū)域顆粒較為細(xì)小、平整，且具有脆性斷口特征。

圖1 斷口的宏觀形貌Fig.1 The macroscopic morphology of the fracture

2.2 斷口微觀形貌分析

如若將斷口試樣放入到S360掃描電鏡的試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行觀察則可以發(fā)現(xiàn)，釬焊材料與母材之間存有焊接裂紋，此處就是斷裂區(qū)域。斷口的表面有導(dǎo)體性較差的覆蓋物存在，使用WDX-3PC型波譜儀進(jìn)行分析則可以發(fā)現(xiàn)，覆蓋物之中含有氧，且覆蓋層較厚，上面有龜裂，具備著應(yīng)力腐蝕的典型特征。

2.3 汽輪機(jī)葉片斷裂原因

結(jié)合斷裂葉片的實(shí)際運(yùn)行情況可以認(rèn)為，汽輪機(jī)的末級(jí)葉片所處的工作環(huán)境溫度較低，蒸汽濕度較大，因此末級(jí)葉片要承受水滴的不斷沖蝕及濕蒸汽的不斷銹蝕。同時(shí)，3 000 r/min的高速度運(yùn)轉(zhuǎn)和汽輪機(jī)葉片自身的重量，都會(huì)使葉片在長(zhǎng)度方向產(chǎn)生巨大的拉應(yīng)力，加之釬焊時(shí)所產(chǎn)生的焊接裂紋造成的應(yīng)力集中問(wèn)題，使得該區(qū)域內(nèi)在高應(yīng)力、腐蝕介質(zhì)的共同作用下產(chǎn)生了機(jī)械電化學(xué)放映，最終使得葉片發(fā)生斷裂。

3 焊接修復(fù)工藝

3.1 焊接前的準(zhǔn)備工作

A.對(duì)材料的化學(xué)成分進(jìn)行分析。在材料化學(xué)成分的分析上，利用LinK-exl-Ⅱ型能譜儀，其分析結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)對(duì)該化學(xué)成分的分析可以看到，葉片符合GB8732-88 2Crl3的基本標(biāo)準(zhǔn)，所以該葉片的材質(zhì)應(yīng)該為2Crl3。

表2 葉片的化學(xué)成分

B.對(duì)可焊性進(jìn)行分析。選擇適合的焊接方法，因?yàn)?Crl3本身屬于馬氏不銹鋼，所以在焊接過(guò)程中其接頭部分極易發(fā)生冷冽紋、淬硬等問(wèn)題，尤其是該鋼種成分的最大特點(diǎn)是會(huì)使組織處于馬氏體與鐵素體之間。焊接過(guò)程中，如若冷卻的速度較慢，那么焊縫區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生較為粗大的鐵素體及碳化物，使整體的塑性與韌性被大大降低。如若冷卻的速度過(guò)快，那么焊縫區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生較為粗大的馬氏體組織，使接頭的塑性與韌性大大降低。因此，為了確保接頭的韌性，就必須對(duì)冷卻速度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，即在進(jìn)行焊接前實(shí)施必要的預(yù)熱工作，并且在焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制熱輸入量。因?yàn)楹负蠼M織之中往往會(huì)存在著馬氏體與貝氏體，所以在焊后應(yīng)該進(jìn)行必要的熱處理，使馬氏體與貝氏體都能夠轉(zhuǎn)變?yōu)樗魇象w。由于手工電弧焊是在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行的，所以在焊接過(guò)程中造成的合金元素?zé)龘p較少，熱量也較為集中，操作相對(duì)便利，故可采用手工氬弧焊。

C.焊接機(jī)具與焊接材料的選擇。在焊接機(jī)具的選擇上采用美國(guó)米勒公司SYNCROWAVE250型焊槍，鎢級(jí)2.5mm，JL-15型氬氣流量計(jì)，不超過(guò)15m的專用氬氣輸送皮管。為了能夠確保焊縫區(qū)域與材料性能保持一致，填充材料可采用H1Cr13焊絲，并截下另一個(gè)與斷裂葉片同樣材質(zhì)、同樣規(guī)格的新葉片頂部作為修復(fù)焊接時(shí)的對(duì)接葉片。

D.焊接位置、坡口形狀、對(duì)口要求。應(yīng)該選擇汽輪機(jī)葉片綜合應(yīng)力最低的部位作為焊接位置。坡口采取X型，單側(cè)的坡口角度應(yīng)該控制在25°～30°，應(yīng)該隨著葉片厚度的增加而相應(yīng)地增加坡口角度，對(duì)于最薄處可不開(kāi)坡口。在對(duì)口上應(yīng)該選擇專用的夾具。為了使葉片橫截面上局部有焊縫，在接葉片時(shí)應(yīng)該選擇斜接方式，將角度控制在40°～60°。如圖2所示，將對(duì)口間隙控制在0.5～2 mm，且要避免出現(xiàn)錯(cuò)口、彎折現(xiàn)象。在坡口兩側(cè)30 mm之內(nèi)不得出現(xiàn)繡、水及油污。

圖2 焊接前裝配圖Fig.2 Assembly diagram before welding

3.2 具體焊接工藝

為了盡可能降低殘余應(yīng)力及熱影響區(qū)，在焊接過(guò)程中應(yīng)該嚴(yán)格遵循表3中的焊接規(guī)范。

焊接前，應(yīng)該用中性氧乙炔焰對(duì)坡口周圍的50 mm內(nèi)實(shí)施均勻加熱，直至加熱溫度達(dá)到250℃，在整個(gè)加熱過(guò)程中還應(yīng)該運(yùn)用紅外線測(cè)溫儀器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。為了方便焊接，應(yīng)該將汽輪機(jī)葉片放在水平位置上。為確保熔池背面不會(huì)被氧化，可以在焊縫的背面由另外一個(gè)焊工使用同樣規(guī)格的氬氣實(shí)施保護(hù)，即焊槍與氬氣同步進(jìn)行。除了打底層不容易被控制需要進(jìn)行分段焊接以外，其余的焊道都應(yīng)該一次焊接完成，從而有效降低焊頭數(shù)量。在焊接過(guò)程中，應(yīng)該先焊接凸面。對(duì)于葉片較薄的部分，則應(yīng)該使用單面焊雙面成型的加工方法。對(duì)于葉片較厚的部分，則應(yīng)該使用多層焊的加工方法。為了防止焊縫表面被氧化，滅弧以后，還應(yīng)該將焊槍停留在焊縫的紅熱之處8～10 s。

表3 焊接規(guī)范

3.3 進(jìn)行熱處理

在焊接完成后，應(yīng)該用石棉布包裹葉片與夾具，待到焊縫中心溫度降低到100℃以后，可用履帶式加熱片進(jìn)行加熱處理。之后，去掉夾具，用手鋸鋸掉引弧板與滅弧板，并利用砂布將釬焊處打磨干凈。

3.4 焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

成型的焊縫十分美觀，葉片并未出現(xiàn)明顯的變形問(wèn)題。著色探傷表面并未出現(xiàn)裂紋。在焊縫區(qū)域、熱影響區(qū)域分別找3個(gè)點(diǎn)，對(duì)其硬度實(shí)施試驗(yàn)，確定該硬度符合葉片焊接后焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的硬度值規(guī)定。

4 結(jié)語(yǔ)

造成汽輪機(jī)末級(jí)葉片斷裂的重要原因就是應(yīng)力腐蝕問(wèn)題。為防止應(yīng)力腐蝕問(wèn)題的發(fā)生，應(yīng)對(duì)蒸汽品質(zhì)、濕度進(jìn)行控制，從而降低蒸汽中的腐蝕介質(zhì)濃度。運(yùn)用上述闡述的焊接方法對(duì)葉片進(jìn)行修復(fù)，不僅能避免更換葉片的人力、物力損失，還能避免對(duì)其他葉片造成損壞，具有一定的實(shí)用性，應(yīng)加以深入研究與探討。

[1] 賈治.汽輪機(jī)葉片的焊接工藝[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，(02)：80.

[2] 侯世勇.665 mm汽輪機(jī)葉片斷裂原因分析及焊接修復(fù)[J].內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2001，(05)：28.

[3] 趙建倉(cāng)，楊富，曾富強(qiáng)，等.330 MW汽輪機(jī)末級(jí)葉片裂紋焊接修復(fù)工藝[J].電力設(shè)備， 2005，(10)：59.

Study on welding technology of steam turbine blade

LIU Bo, WANG Wei-biao

(Harbin Electric Co., Ltd., Harbin 150028, China)

Based on the experience of individual practice and related references, taking N100-90/535 as an example, it is found that the main reason for the fracture of the turbine blade is the stress corrosion. To develop the corresponding welding process, it is hoped that steam turbine blades can be timely repaired to improve economic efficiency.

Steam turbine blade; Fracture; Welding process

2017-05-23

劉博(1982-)，男，本科，工程師。

TK266

B

1674-8646(2017)14-0026-02