火力發(fā)電廠主汽聯(lián)合調(diào)節(jié)閥裂紋修復(fù)研究

柴玉成，嚴(yán)金虎，楊占君，鄭準(zhǔn)備，張 駿

（1.中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司西北電力試驗研究院，陜西西安710021；2.大唐渭河熱電廠，陜西咸陽712085）

0 前言

大唐渭河熱電廠2號機(jī)組汽輪機(jī)是哈爾濱汽輪機(jī)廠有限公司制造的N300/C250－16.7/537/537型300 MW亞臨界、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、單抽供熱凝汽式汽輪機(jī)，主汽門前蒸汽壓力17.5 MPa，蒸汽溫度537℃。

2018年9月，在該機(jī)組首次A修過程中發(fā)現(xiàn)右側(cè)材質(zhì)為ZG15Cr2Mo1-Ⅱ主汽聯(lián)合調(diào)節(jié)閥閥座存在一處長約140 mm、深40 mm裂紋?？紤]到經(jīng)濟(jì)性及機(jī)組的安全運(yùn)行，決定采用挖補(bǔ)方式處理有缺陷的閥門。

1 ZG15Cr2Mo1焊接性分析

ZG15Cr2Mo1屬于2.25Cr-Mo鐵素體、珠光體熱強(qiáng)鑄鋼，綜合性能及工藝性能良好，主要用于工作溫度不超過570℃的汽輪機(jī)缸體、閥殼等[1]。ZG15Cr2Mo1是通過Cr及Mo固溶強(qiáng)化的熱強(qiáng)鋼，Ceq高達(dá)1.37%[2]。根據(jù)CCT曲線可知，ZG15Cr2Mo1脆硬傾向較大，當(dāng)焊后冷卻速度較大時極易產(chǎn)生冷裂紋，尤其是焊件厚度超過50 mm時，焊接區(qū)將處于三向應(yīng)力狀態(tài)，加之焊縫中氫的影響，裂紋問題更為明顯[2]。同時ZG15Cr2Mo1具有一定的再熱裂紋傾向，這是焊后熱處理的二次析出形成的密集金屬碳化物沉淀造成的[2]。通過焊前預(yù)熱、控制層間溫度，低的線能量和減小焊接過熱區(qū)寬度，可有效控制再熱裂紋傾向[2]。

2 焊接方法的選擇

根據(jù)鑄件的組織及結(jié)構(gòu)，鑄件補(bǔ)焊一般分為熱補(bǔ)焊、同質(zhì)冷補(bǔ)焊和異質(zhì)冷補(bǔ)焊。從熱力學(xué)及冶金角度講，熱補(bǔ)焊和同質(zhì)冷補(bǔ)焊工藝較為理想；但從焊接工藝、預(yù)熱和熱處理等條件考慮，該方法存在不利因素——工件變形難以控制，且勞動條件差，現(xiàn)場不宜采用[3]。異質(zhì)冷補(bǔ)焊主要采用鐵基奧氏體鋼焊條或鎳基焊條進(jìn)行補(bǔ)焊，焊后焊縫組織為奧氏體，其焊接熱循環(huán)過程中不發(fā)生相變，理論上奧氏體焊縫可不進(jìn)行焊前預(yù)熱及焊后熱處理，因此可簡化焊接工藝，減小焊接過程的熱作用范圍，使工件的變形量減小，降低殘余應(yīng)力。同時奧氏體組織塑性較好，對氫的溶解度較大，具有很好的抗裂性能。因此，異質(zhì)冷補(bǔ)焊具有工作量小、工件變形小、可操作性強(qiáng)、不需要熱處理等優(yōu)點(diǎn)。

然而，當(dāng)采用鐵基奧氏體鋼焊條補(bǔ)焊時，由于奧氏體與珠光體線膨脹系數(shù)相差較大，容易在焊后冷卻及機(jī)組啟停過程中形成應(yīng)力集中，且焊接過程中珠光體的稀釋導(dǎo)致奧氏體形成元素含量下降，不可避免地會在焊縫熔合線附近形成低塑性帶，降低焊接接頭韌性。當(dāng)采用鎳基焊條補(bǔ)焊時，由于鎳基焊條線膨脹系數(shù)與珠光體鋼相近，且鎳的增加使奧氏體穩(wěn)定性較好，可更好地彌補(bǔ)鐵基奧氏體焊條的不足。本次修復(fù)采用鎳基焊條進(jìn)行冷補(bǔ)焊，由于裂紋較深，采用手工焊打底及填充蓋面。

3 焊前準(zhǔn)備

3.1 材質(zhì)復(fù)核

焊接修復(fù)選用規(guī)格φ3.2 mm的ENiCrFe-2（GB/T13814-1992）焊條，為指導(dǎo)焊接工作、防止焊材錯用，正式施焊前對閥體母材及焊材熔敷金屬進(jìn)行材質(zhì)復(fù)核。為避免試板母材稀釋對熔敷金屬成分影響，必須在試板上堆焊3層以上再進(jìn)行材質(zhì)復(fù)核，結(jié)果如表1所示，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[4-5]。

表1 材質(zhì)復(fù)核結(jié)果 %

3.2 消缺及坡口修磨

使用電動角磨機(jī)對裂紋部位進(jìn)行消缺處理，待缺陷肉眼不可見后對消缺部位進(jìn)行滲透檢測，以確保裂紋徹底消除。缺陷消除后使用電動角磨機(jī)修磨待補(bǔ)焊部位，使其呈U型坡口，打磨表面即周邊30～50 mm范圍內(nèi)呈金屬光澤，U型坡口根部應(yīng)圓滑過渡，不允許存在尖角等應(yīng)力集中部位。坡口修磨完成后進(jìn)行滲透檢測，以確保無裂紋等缺陷存在。

3.3 焊接材料準(zhǔn)備

焊條入場前均驗收合格，焊條使用前在300～350℃環(huán)境中烘干2 h，烘干后焊條置于100～150℃保溫桶中以備焊接過程隨取隨用。

圖1 消缺及坡口修磨

4 焊接過程控制

4.1 焊前預(yù)熱

閥體采用烤把局部預(yù)熱，預(yù)熱范圍為待焊補(bǔ)部位及周邊100 mm范圍內(nèi)。采用遠(yuǎn)紅外測溫儀測量預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度100～150℃。

4.2 焊接

閥體修復(fù)焊接工藝規(guī)范如表2所示。選用ZX7系列焊機(jī)，待預(yù)熱至100～150℃后采用焊條電弧焊進(jìn)行打底焊，厚度3～5 mm，打底焊時盡量選用較小的焊接電流，以減少母材稀釋。打底焊完成后立即用石棉布保溫緩冷，至室溫后清渣進(jìn)行宏觀檢查，若發(fā)現(xiàn)缺陷及時處理，然后采用同種鎳基焊條在室溫下進(jìn)行填充及蓋面。為減少變形和應(yīng)力，采用多層多道焊連續(xù)施焊方法，焊條不擺動，每道焊道的單層厚度約為所用焊條直徑，后焊道壓先焊道的1/3。焊接速度70～160 mm/min。

表2 焊接材料及工藝規(guī)范

每施焊完一層應(yīng)及時清理焊渣，檢查補(bǔ)焊質(zhì)量，若有缺陷要及時打磨清除，在整個焊接過程中基體金屬溫度不允許高于100℃。

除打底層外，其余各層在清渣后均需進(jìn)行錘擊，錘擊時先錘擊焊道中部，后錘擊焊道兩側(cè)，錘痕應(yīng)緊湊整齊，避免重復(fù)。

焊接過程中嚴(yán)禁在工件表面引弧、試電流。施焊過程中應(yīng)特別注意接頭和收弧的質(zhì)量，收弧時注意填滿弧坑，多層多道焊的接頭應(yīng)錯開。焊接工作完成后自然冷卻至室溫。

5 焊后檢驗

焊后檢驗如圖2所示。待冷卻至室溫后，對補(bǔ)焊部位表面進(jìn)行修磨，使其平滑過渡到母材并保持焊縫表面平整光滑。修磨后依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6－7]對補(bǔ)焊部位進(jìn)行滲透檢測及硬度檢測，滲透檢測未發(fā)現(xiàn)異常，焊后焊縫硬度150～160 HB，母材硬度130 HB，證明補(bǔ)焊效果良好。

6 結(jié)論

圖2 焊后檢驗

本次焊接修復(fù)選用鎳基焊條補(bǔ)焊，U型坡口，以φ3.2 mm的ENiCrFe-2焊條作為焊接材料，采用手工焊打底及蓋面的修復(fù)方式，多層多道焊連續(xù)施焊，焊接過程中嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)及操作規(guī)范，焊后檢驗未發(fā)現(xiàn)異常，證明該修復(fù)工藝能夠較好地實現(xiàn)火電廠主汽聯(lián)合調(diào)閥閥體修復(fù)工作。