水電站大型進(jìn)水球閥閥體鑄造質(zhì)量缺陷處理

姜學(xué)謙+張辰

摘要：在電站機(jī)組檢修過程中，Cr-Mo鑄鋼閥體閥門開裂的現(xiàn)象較為常見，其原因大多是Cr-Mo鋼閥鑄件的生產(chǎn)制造中存在缺陷。在認(rèn)真分析Cr-Mo鋼的金屬性能以及熱加工性能的基礎(chǔ)上，采用鎳基焊條冷補(bǔ)的方法，嚴(yán)格遵循焊前、焊接以后焊后處理的相關(guān)要求，能夠?qū)r-Mo鑄鋼閥體閥門進(jìn)行修復(fù)，并收到較好的修復(fù)效果。

關(guān)鍵詞：Cr-Mo鋼；閥體閥門開裂；補(bǔ)焊工藝

大型鑄造閥門是電站金屬技術(shù)監(jiān)督的重要部件之一，由于其應(yīng)用范圍很廣，一旦出現(xiàn)問題將會(huì)造成巨大的損失。Cr-Mo鋼是一種合成材料，很有較多的合金元素，具有很好的耐腐蝕性和耐熱性，能夠在高溫下保持良好的工作性能，近些年，因?yàn)榇笮丸T件存在的裂紋缺陷造成了很多惡性事故，嚴(yán)重維系到機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性，電站工作人員必須對(duì)裂紋的形成原因進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的補(bǔ)焊工藝，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

1.Cr-Mo鋼的性能

Cr-Mo鋼含有Cr、Mo和V等合金元素，其合金系統(tǒng)包括Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-W-V-B以及Cr-Mo-V-Ti-B等，其中，Cr元素能夠與O結(jié)合形成Cr2O3和FeO？Cr2O3等致密的合金氧化膜，合金氧化膜能夠與鋼部件表面牢固結(jié)合，能夠阻擋氧原子以及一些腐蝕性物質(zhì)向鋼材內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，因此能夠提高Cr-Mo鋼的抗氧化性能和高溫耐腐蝕性能。Cr-Mo鋼中的鉻元素含量達(dá)到13%及以上時(shí)，鋼材的耐腐蝕性能將會(huì)大大提高，此時(shí)，Cr-Mo鋼將變成不銹鋼。Mo是一種高熔點(diǎn)的金屬，Cr-Mo鋼中含有的Mo元素能夠形成單相固溶體，可以阻擋原子的擴(kuò)散或自擴(kuò)散過程，增加原子之間的結(jié)合力，即便在較高的溫度條件下也能夠避免鋼件內(nèi)部的高強(qiáng)度不平衡組織發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，從而提高Cr-Mo鋼的強(qiáng)度和耐熱性。V是強(qiáng)碳化物形成元素，碳化釩具有很高的硬度和熔點(diǎn)，晶體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。釩的晶格結(jié)構(gòu)與鋼基體組織的晶格結(jié)構(gòu)存在差異，在高溫下具有很好的穩(wěn)定性，不會(huì)發(fā)生溶解，也不會(huì)聚集長大。在高溫下，釩能夠與周圍的組織產(chǎn)生很強(qiáng)的應(yīng)力場(chǎng)，防止鋼組織發(fā)生錯(cuò)位運(yùn)動(dòng)，因此也能夠提高Cr-Mo鋼的強(qiáng)度和耐熱性。以Cr-Mo鋼作為基礎(chǔ)的低、中合金一般都具有很好的抗氧化性能和耐熱性，在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用于蒸汽動(dòng)力發(fā)電設(shè)備的制造。

大部分的耐熱Cr-Mo鋼存在鑄造工藝差、性能差的問題，鑄件的轉(zhuǎn)角及其他部位常常存在缺陷。水電站閥的閥體和閥蓋等鑄件一般厚度較大，因此大口徑Cr-Mo鋼電站閥的閥體和閥蓋逐漸經(jīng)常出現(xiàn)裂縫、砂眼等問題，而且缺陷大都出現(xiàn)在形狀突變處以及壁厚較大的地方。

2.缺陷的判定及處理

進(jìn)水球閥的采購合同規(guī)定，球閥在出廠之間必須進(jìn)行預(yù)裝，必須進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)、滲漏試驗(yàn)和動(dòng)作試驗(yàn)，合格之后才能出廠。強(qiáng)度試驗(yàn)中，球閥承受的水壓不，得低于5.1MPa，承受的油壓不能低于9.45MPa，試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間一般為10min。在此期間，受壓部件沒有出現(xiàn)永久性的有害變形以及滲漏等情況者視為合格?？諝忾y和伸縮節(jié)應(yīng)當(dāng)在5.1MPa壓力之下進(jìn)行水壓試驗(yàn)，出現(xiàn)滲漏者視為不合格。旁通閥應(yīng)在5.1MPa壓力之下進(jìn)行水壓試驗(yàn)，允許出現(xiàn)點(diǎn)滴滲漏。滲漏試驗(yàn)的壓力為2.7MPa，持續(xù)時(shí)間一般為30min，軸頸密封處、進(jìn)水球閥以及閥殼分半面出現(xiàn)漏水現(xiàn)象則視為不合格。

根據(jù)JB/T 3595-93的規(guī)定，可以將Cr-Mo鋼鑄件存在的缺陷分為三級(jí)。去除缺陷之后，鑄件的壁厚大于圖紙的壁厚最小值則視為微缺陷；重缺陷分為以下三種情況：經(jīng)過水壓試驗(yàn)滲漏；去除缺陷之后，鑄件的凹坑深度超過壁厚最小值的20%或25mm中的較小者；去除缺陷之后，鑄件的凹坑面積超過65cm2；輕缺陷介于微缺陷和重缺陷之間。JB/T 3595規(guī)定，存在微缺陷的鑄件需要進(jìn)行打磨，實(shí)現(xiàn)與周圍區(qū)域的光滑過渡；輕缺陷大于5mm的鑄件應(yīng)當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)焊；對(duì)于存在重缺陷的鑄件，當(dāng)凹坑面積在65cm2以上100cm2以下時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)焊，補(bǔ)焊后要進(jìn)行無損探傷檢查，達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的鑄件要進(jìn)行報(bào)廢處理。當(dāng)缺陷的平均深度超過了壁厚的1/3，而且凹坑面積在100cm2以上時(shí)，應(yīng)當(dāng)經(jīng)由廠級(jí)主管技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)，按照規(guī)定的工藝進(jìn)行補(bǔ)焊，否則應(yīng)當(dāng)報(bào)廢。裂縫處理過程中，同一部位的補(bǔ)焊次數(shù)不能超過2次，對(duì)于存在無法清除干凈的、大面積的氣孔、貫穿性裂縫等缺陷，且所在部位無法進(jìn)行補(bǔ)焊，或者是補(bǔ)焊之后無法達(dá)到規(guī)定質(zhì)量也無法進(jìn)行檢驗(yàn)的鑄件應(yīng)當(dāng)不予補(bǔ)焊，直接進(jìn)行報(bào)廢處理。

3.合理選擇補(bǔ)焊工藝

針對(duì)不同材質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)的鋼鑄件，使用的補(bǔ)焊工藝不盡相同。常用的補(bǔ)焊工藝包括熱補(bǔ)法、異質(zhì)冷補(bǔ)法以及同質(zhì)冷補(bǔ)法，每種工藝都有自己的適用范圍和使用條件。熱補(bǔ)法和同質(zhì)冷補(bǔ)法需要對(duì)鋼鑄件進(jìn)行整體熱處理從而消除焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，因此不具備大型熱處理爐的工廠不能夠使用這兩種補(bǔ)焊工藝。異質(zhì)冷補(bǔ)法采用鎳基焊條，這種焊條具有很好的穩(wěn)定性、可塑性以及抗裂性，焊前不需要預(yù)熱，焊后也不需要進(jìn)行熱處理，適合現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。異質(zhì)冷補(bǔ)法的工藝較為簡(jiǎn)單，補(bǔ)焊成本較低，工作量比較小，產(chǎn)生的形變量也較小，具有較為廣泛的應(yīng)用。

4.冷補(bǔ)焊工藝的操作要點(diǎn)

4.1裂紋挖除

Cr-Mo鋼鑄件的補(bǔ)焊方法與碳鋼和不銹鋼不同，由于補(bǔ)焊過程中，焊接熔池區(qū)域的溫度能夠達(dá)到2500℃以上，在焊接冷卻時(shí)可能產(chǎn)生馬氏體等硬脆組織，也可能產(chǎn)生裂紋，因此必須嚴(yán)格遵守焊接操作規(guī)范，減少一切不利因素的影響。補(bǔ)焊開始之前要烘焙焊條，將其放置在保溫筒中備用，鋼鑄件上的裂紋必須徹底挖除，先在裂紋兩端打上止裂孔然后再進(jìn)行清理。裂紋挖除應(yīng)當(dāng)盡量采取機(jī)械加工方法，不能夠采用熱加工方法，避免裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。焊接區(qū)域周圍20mm內(nèi)的油污、銹蝕等都要清理干凈，缺陷清除之后要將其加工成熱加工方法，并采用滲透探傷等方法來檢測(cè)清除效果。

4.2坡口設(shè)計(jì)

補(bǔ)焊部位的坡口設(shè)計(jì)應(yīng)合理，坡口過大會(huì)增加填充金屬量，擴(kuò)大焊縫的熱影響區(qū)，坡口過小會(huì)影響焊縫、坡口以及母材的熔化效果，影響焊接質(zhì)量。坡口一般為U形，內(nèi)部應(yīng)當(dāng)平滑，不能出現(xiàn)尖角槽或者棱角，角度在20°左右。補(bǔ)焊過程中要嚴(yán)格控制形變量和焊接應(yīng)力，盡量縮短工期。

4.3焊前預(yù)熱與焊接處理

焊接之前應(yīng)對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱應(yīng)均勻，溫度控制在200℃左右，可以一邊進(jìn)行預(yù)熱，一邊用紅外測(cè)溫儀測(cè)量溫度。焊材選用一般選取ENiCrFe-3焊條，焊接時(shí)一般采用多層多道焊，第一層一般用直徑比較小（3.2mm直徑）的焊條，進(jìn)行小電流短弧焊接，焊接時(shí)應(yīng)固定焊條，不能出現(xiàn)擺動(dòng)，之后可以選擇直徑較大的焊條，無需固定。焊接電特性參數(shù)須嚴(yán)格按照相應(yīng)的焊接工藝評(píng)定。一般4.0mm焊條電流：140～180A，5.0mm：180～240A。

4.4打底層檢驗(yàn)

每焊接一道焊縫之后都要進(jìn)行焊渣清理，復(fù)層焊接應(yīng)當(dāng)控制層間的溫度，一般在300℃以下為宜。焊接完打底層之后要用石棉被遮蓋補(bǔ)焊區(qū)對(duì)其保溫，當(dāng)其溫度降至室溫后開始進(jìn)行磁粉檢驗(yàn)，確認(rèn)沒有缺陷之后再進(jìn)行填充層的焊接，這樣的處理方式能夠提高一次焊接成功的幾率。補(bǔ)焊完畢之后要將補(bǔ)焊區(qū)域周圍的焊接飛濺清理干凈，并對(duì)焊縫進(jìn)行打磨，使焊縫與周圍區(qū)域?qū)崿F(xiàn)圓滑過渡。補(bǔ)焊完畢之后還要對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域進(jìn)行超聲探傷評(píng)定，評(píng)定等級(jí)達(dá)到三級(jí)則視為合格，必要時(shí)還要進(jìn)行磁粉探傷或者著色探傷評(píng)定。

4.5錘擊焊道

焊接過程中要錘擊除打底層焊縫之外的各層焊縫，每焊接30 mm應(yīng)立即使用圓頂錘進(jìn)行順序跟蹤錘擊，直到焊縫上布滿麻點(diǎn)為止，從而有效消除焊接應(yīng)力。

結(jié)語：

球閥的制造質(zhì)量對(duì)于保證機(jī)組的安全運(yùn)行至關(guān)重要，尤其是對(duì)于大型球閥，更要注重其質(zhì)量控制，防止球閥存在先天性不足而給水電站的運(yùn)行埋下安全隱患。在球閥的制造和驗(yàn)收過程中應(yīng)特別注意Cr-Mo鋼閥體鑄件的質(zhì)量，從Cr-Mo鋼的金屬學(xué)原理出發(fā)，采取合適的鑄件補(bǔ)焊工藝并嚴(yán)格執(zhí)行，能夠很好的解決Cr-Mo鋼鑄件存在的缺陷和問題，能夠達(dá)到和滿足Cr-Mo鋼電站閥門的力學(xué)性能要求。

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