鑄造堵閥焊接修復(fù)工藝的實(shí)際應(yīng)用

董衛(wèi)東

(青銅峽鋁業(yè)發(fā)電有限責(zé)任公司，寧夏 青銅峽 751603)

鑄鋼件由于其較低的制造加工成本，良好的綜合性能，經(jīng)常被應(yīng)用在火力發(fā)電廠的堵閥[1]，由于其長(zhǎng)期在高溫、高壓、振動(dòng)的苛刻工況下運(yùn)行，并且大型厚壁鑄件通常會(huì)殘存一些制造時(shí)產(chǎn)生并且無(wú)法消除的內(nèi)部缺陷，內(nèi)部的應(yīng)力釋放以及溫度變化所產(chǎn)生的膨脹收縮應(yīng)力導(dǎo)致鑄件本身局部疏松開(kāi)裂。

采用恰當(dāng)焊接工藝對(duì)已經(jīng)存在裂紋的堵閥進(jìn)行修復(fù)[2-4]，可以節(jié)省大量人力、物力和檢修時(shí)間，但如果修復(fù)工藝不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂或脫落的問(wèn)題，造成更嚴(yán)重的安全事故和損失。本文結(jié)合設(shè)備實(shí)際情況對(duì)兩種材料的閥體，分別采用異質(zhì)冷焊、熱焊兩種不同修復(fù)工藝，消除了設(shè)備重大隱患，探討研究了不同材質(zhì)堵閥補(bǔ)焊工藝的差異性。

1 修復(fù)工藝一

寧夏青銅峽鋁業(yè)發(fā)電有限責(zé)任公司為2×330 MW亞臨界鍋爐機(jī)組，鍋爐型號(hào)為SG—1170/17.5—M722，系上海電氣股份有限公司上海鍋爐廠生產(chǎn)的亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐。2018年對(duì)1號(hào)鍋爐再熱器冷段堵閥閥體進(jìn)行磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)右側(cè)堵閥閥體肩部在90 mm長(zhǎng)度范圍內(nèi)存在3處表面裂紋，分別為7 mm、17 mm、27 mm,挖除最大深度22 mm (圖1所示)。堵閥為鑄件，規(guī)格為SUSVSY61H-64-DN600，閥體最大厚度為500 mm,材質(zhì)為WCB。

圖1 再熱器冷段右側(cè)堵閥裂紋位置

1.1 WCB鋼性能

WCB鋼具有一定的韌性及塑性，強(qiáng)度和硬度較高，切削性良好，焊接性較好。

1.2 補(bǔ)焊工藝

本修復(fù)工藝中的堵閥殼體屬于鑄鋼件，其大厚度、大體積、大剛性等特性與汽輪機(jī)鑄鋼件類(lèi)似，因此其補(bǔ)焊工藝可參考標(biāo)準(zhǔn)DL/T753-2015[5]中的相關(guān)規(guī)定來(lái)制定。由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件惡劣，難以保證焊前預(yù)熱、焊后熱處理的效果，有資料顯示[6]，應(yīng)用異質(zhì)冷焊工藝能最大限度地避免母材被過(guò)多的稀釋，確保焊縫金屬的抗高溫氧化性及各項(xiàng)力學(xué)性能，避免出現(xiàn)焊接變形及應(yīng)力問(wèn)題；因此結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采用異質(zhì)冷焊工藝進(jìn)行補(bǔ)焊處理，即焊前不做預(yù)熱，采用鎳基焊條施焊，焊后不做熱處理的工藝方法，可以大大降低現(xiàn)場(chǎng)施工難度，提高補(bǔ)焊成功率。

1.3 焊接準(zhǔn)備

(1)為防止在裂紋挖除過(guò)程中使補(bǔ)焊坡口產(chǎn)生淬硬層和滲碳層，裂紋的挖除采用機(jī)械方法，而非速度更快的碳弧氣刨方法挖除。根據(jù)裂紋挖除深度，將坡口修理為如圖2所示的U型。

圖2 U型坡口

其中坡口深度H和坡口寬度L取決于缺陷自身形狀，坡口底角半徑R≥5 mm，坡口角度α≥10°，以避免在焊接過(guò)程中形成死角。

(2)坡口表面及其周?chē)?0 m范圍內(nèi)的母材應(yīng)做滲透探傷或磁粉探傷，不得有裂紋等缺陷。

(3)磁粉探傷或滲透探傷合格后，用無(wú)水酒精或丙酮清洗坡口及兩側(cè)50 mm范圍內(nèi)區(qū)域，以徹底去除表面污物。

(4)實(shí)踐表明：焊條ENiCrFe-3是一種塑性較好、抗裂性較強(qiáng)焊條[7]，因此補(bǔ)焊選用ENiCrFe-3焊條進(jìn)行。

(5)ENiCrFe-3屬于堿性焊條，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T869-2012[8]要求，提前將鎳基焊條放入焊條烘干箱在350 ℃烘干焊條，現(xiàn)場(chǎng)放入焊條保溫桶，通電保溫，隨用隨取。

1.4 焊接要求

(1)本次消除缺陷的焊工由取得相應(yīng)焊接資格證書(shū)熟練焊工施焊，焊工應(yīng)熟悉施工現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備，并充分了解施工內(nèi)容及工藝要求。

(2)焊前預(yù)熱。為防止母材與焊縫溫差太大，冷卻速度過(guò)快而產(chǎn)生淬硬組織和焊接裂紋，焊前采用氧-乙炔火焰對(duì)補(bǔ)焊區(qū)周?chē)?00 mm內(nèi)進(jìn)行緩慢預(yù)熱，預(yù)熱溫度為(100～150) ℃。

(3)根層焊接。預(yù)熱后即可進(jìn)行焊接，選用焊條直徑為φ2.5 mm，焊接電流80～90 A直流反接、直線運(yùn)條施焊。沿長(zhǎng)度方向焊接，一次焊接長(zhǎng)度小于100 mm，先焊兩側(cè)后焊中間，焊層厚度控制在2 mm左右。

(4)填充層焊接。第2、第3層仍采用直徑為φ2.5 mm焊條，第3層以上采用直徑為φ3.2 mm焊條，焊接電流為105～115 A，仍然采用直線運(yùn)條，下一焊層與上一焊層呈90°交錯(cuò)，每層焊層厚度均控制在2～2.5 mm。每次先焊兩側(cè)，后焊中間。兩側(cè)焊接時(shí)，電弧應(yīng)盡量偏向母材以保證與母材熔合良好。焊接過(guò)程中應(yīng)盡量控制閥體溫度，不得高于100 ℃。焊完第2層后，用風(fēng)鎬進(jìn)行錘擊，錘頭直徑為10 mm，重量200 g左右，風(fēng)鎬壓力為0.35 MPa。錘擊從焊縫中間開(kāi)始，逐漸錘向兩側(cè)，直到焊縫表面有密集的麻點(diǎn)，錘擊應(yīng)避開(kāi)熔合線，以防止焊縫打裂。打底和蓋面層焊縫不錘擊。

(5)焊縫層間檢驗(yàn)。每層焊縫焊完并錘擊后應(yīng)清理焊渣，用10倍放大鏡進(jìn)行焊縫檢驗(yàn)。如發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷，應(yīng)磨掉重焊。

(6)蓋面層的焊接。蓋面層焊縫應(yīng)保證補(bǔ)焊區(qū)全部填滿并留有一定的修磨量。蓋面層焊接不得有裂紋、咬邊、表面未熔合、夾渣等焊接缺陷。

(7)焊接完成后，包上石棉布等保溫材料，緩慢冷卻至室溫。

1.5 焊后檢驗(yàn)

補(bǔ)焊結(jié)束后，采用機(jī)械的方法對(duì)工件表面進(jìn)行修型，使其恢復(fù)原來(lái)形狀。焊接完成24 h后對(duì)所有的補(bǔ)焊區(qū)進(jìn)行PT檢測(cè)，補(bǔ)焊區(qū)、熔合線及熱影響區(qū)未見(jiàn)有裂紋、未熔合等缺陷。為防止該處有新缺陷萌生，定期結(jié)合機(jī)組檢修對(duì)修復(fù)區(qū)域復(fù)檢一次。

2 修復(fù)工藝二

寧夏臨河發(fā)電分公司3×350 MW超臨界機(jī)組鍋爐設(shè)備由東方鍋爐廠提供。鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、采用前后墻對(duì)沖燃燒方式、平衡通風(fēng)、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼懸吊結(jié)構(gòu)Π型鍋爐。

高溫再熱器堵閥D2500.11L。閥體材料為 ASME SA217C12A，閥體最大厚度900 mm,屬馬氏體耐熱鑄鋼。該鋼種是在9Cr1MoV的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的鑄鋼鋼種，與其相對(duì)應(yīng)的鍛件牌號(hào)是 ASME SA82F91。

2019年2號(hào)機(jī)組檢修期間對(duì)鍋爐再熱器出口左側(cè)堵閥進(jìn)行磁粉檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)堵閥外表面存在不同長(zhǎng)度的裂紋磁痕顯示，磁痕顯示長(zhǎng)度范圍在3～10 mm之間,典型缺陷形貌如圖3所示，裂紋挖除后深度24 mm。

圖3 再熱器出口左側(cè)堵閥裂紋位置

2.1 F91鋼性能

該鋼具有高的抗氧化性、抗高溫蒸汽腐蝕性能和良好的沖擊韌性，同時(shí)又兼具高而穩(wěn)定的持久塑性及熱強(qiáng)性能，以及優(yōu)良的導(dǎo)熱系數(shù)和較小的線膨脹系數(shù)，該鋼無(wú)熱裂紋和在熱裂紋，但有一定的冷裂紋敏感性。

2.2 補(bǔ)焊工藝

2.2.1 缺陷挖補(bǔ)

現(xiàn)場(chǎng)采用電動(dòng)砂輪消除缺陷，修磨消缺處表面及周邊20 mm范圍內(nèi)露出金屬光澤，根部要圓滑過(guò)渡，以避免存在難以焊透的死角；消缺處進(jìn)行磁粉探傷，確認(rèn)無(wú)缺陷。為徹底消除該隱患，保證機(jī)組安全運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)采取熱焊工藝進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)。

2.2.2 施焊準(zhǔn)備

施焊焊工按照DL/T 679-2012[9]規(guī)定取得相應(yīng)焊接資質(zhì)。焊工施焊前，進(jìn)行與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件相適應(yīng)的模擬練習(xí)并經(jīng)檢驗(yàn)合格。施工人員必須熟悉施工現(xiàn)場(chǎng)及設(shè)備、充分了解施工內(nèi)容，熟悉焊接技術(shù)規(guī)范和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，上崗前經(jīng)過(guò)技術(shù)交底。

2.2.3 焊接材料

資料顯示[10],同質(zhì)補(bǔ)焊具有閥體整體受熱均勻，焊后組織均勻，補(bǔ)焊區(qū)焊接應(yīng)力小，組織轉(zhuǎn)變徹底，改善焊接區(qū)域力學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，對(duì)防止再次產(chǎn)生裂紋等缺陷意義重大。為徹底消除該隱患，保證機(jī)組安全運(yùn)行，修復(fù)采用同質(zhì)熱焊工藝進(jìn)行修復(fù)。選用焊材牌號(hào)為T(mén)GS-9cb，規(guī)格為φ3.2 mm，焊條烘焙溫度(325～375)℃/h，現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，焊條存放在保溫筒中逐根取用，溫度保持在(100～150)℃。

2.2.4 坡口要求

為保證焊接質(zhì)量，便于操作，需用盡量少的填充金屬、減小焊接應(yīng)力和變形。坡口形狀的要求與如圖2所示一致。閥體表面距坡口邊緣10～15 mm范圍，打磨出金屬光澤，嚴(yán)禁有銹、垢和油污等雜物，坡口面無(wú)裂紋、重皮等缺陷。制備好的坡口如圖4所示。

圖4 制備好的坡口

2.3 焊接規(guī)范

焊接方法采用手工電弧焊、焊材牌號(hào)TGS-9cb，焊條直徑φ3.2 mm，焊接電流90～120 A，焊接電壓20～24 V。

2.4 預(yù)熱工藝

閥體整體采用履帶式柔性陶瓷電阻加熱器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度(200～250)℃。

2.5 焊接要求

打底焊、填充及蓋面均采用規(guī)格為φ3.2 mm焊條，多層多道焊接方式，盡量降低焊接熱輸入，按照對(duì)稱、分段施焊原則，減小焊接應(yīng)力。焊道布置如圖5所示。

圖5 焊道次序

打底層厚度不小于3 mm，完成后及時(shí)進(jìn)行次層焊接，其它焊道單層厚度不大于所用焊條直徑加2 mm(約為4～5 mm) ；單道焊擺動(dòng)寬度不大于所用焊條直徑4倍；施焊過(guò)程中，每焊完一層后，應(yīng)將藥皮和飛濺清理干凈，并仔細(xì)檢查有無(wú)缺陷；如存在缺陷，進(jìn)行清除后，進(jìn)行下一層焊接。

焊接時(shí)應(yīng)注意操作手法，防止產(chǎn)生夾渣、氣孔缺陷，并與本體圓滑相接，每焊接1～2根焊條，即停焊清渣，用尖圓頭鏟，先敲掉焊縫藥皮，再對(duì)焊縫細(xì)密捶擊3個(gè)來(lái)回，以釋放焊接應(yīng)力，除打底層不錘擊之外，其余各層在清渣后均需進(jìn)行錘擊；使用風(fēng)鎬時(shí)，風(fēng)鎬風(fēng)壓一般為0.25～0.45 MPa，錘痕應(yīng)緊湊整齊，避免重復(fù)，錘擊時(shí)先捶擊焊道中間再錘擊焊道邊界，完成錘擊后再焊接下一層。

采用多層多道交錯(cuò)施焊，即各道焊縫方向交替反向，使疊加應(yīng)力能部分抵消；焊道不擺動(dòng)或較小擺動(dòng)幅度，尤其重視收弧處的弧坑填滿，防止產(chǎn)生弧坑裂紋；層間溫度不低于預(yù)熱溫度下限；蓋面層焊縫略高于毛坯面以保證有打磨余量。

2.6 預(yù)熱及焊后熱處理

使用1臺(tái)溫度控制儀進(jìn)行補(bǔ)焊預(yù)熱和焊后熱處理，輸出均編號(hào)與輸出電纜編號(hào)對(duì)應(yīng)，溫度儀、記錄儀、熱電偶使用前均需經(jīng)校驗(yàn)合格。

(1)加熱器布置。預(yù)熱和焊后熱處理均采用10 kW遠(yuǎn)紅外履帶式加熱器，規(guī)格540 mm×415 mm；履帶式加熱器在閥體缺陷部位兩側(cè)各布置1組，留出待補(bǔ)焊區(qū)域。補(bǔ)焊結(jié)束后采用加熱片覆蓋補(bǔ)焊區(qū)。加熱片上采用3層(約70 mm厚)硅酸鋁纖維棉包裹保溫。

(2)熱電偶布置。在閥體缺陷部位外側(cè)加熱器下布置2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。用于控制加熱過(guò)程中溫度，補(bǔ)焊區(qū)域溫度差小于50 ℃。

(3)焊后熱處理方式。當(dāng)補(bǔ)焊施焊完畢，閥體冷卻至(80～120)℃恒溫1 h后及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理。補(bǔ)焊區(qū)域2組遠(yuǎn)紅外履帶式加熱器升溫至(760±10)℃，到溫后恒溫4 h。溫度在300 ℃以上時(shí)升、降溫速度小于等于100 ℃/h。熱處理工藝曲線如圖6所示。

圖6 熱處理工藝曲線

2.7 焊后檢驗(yàn)

補(bǔ)焊后應(yīng)清除熔渣及飛濺物等，補(bǔ)焊金屬表面平整，并平滑過(guò)渡至母材。補(bǔ)焊區(qū)不允許存在咬邊、裂紋、未熔合、氣孔、夾渣及低于相鄰母材表面質(zhì)量要求的缺陷，全部補(bǔ)焊后進(jìn)行表面打磨，保持焊縫表面平整光滑，熱處理完成24 h后對(duì)焊補(bǔ)區(qū)域及周邊做MT檢測(cè)、硬度檢測(cè)。

3 結(jié) 論

(1)采用鎳基焊接材料對(duì)鑄造件進(jìn)行異質(zhì)冷焊工藝修復(fù)，對(duì)工作環(huán)境要求不高，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、便于實(shí)施等特點(diǎn)，適用低合金鋼材料制造的堵閥補(bǔ)焊工藝。

(2)對(duì)于冷裂紋敏感性較高的高合金鋼材料制造的堵閥而言，采用熱焊接工藝需要進(jìn)行預(yù)熱及焊后熱處理等工藝，雖然增加了焊接工藝復(fù)雜性，但閥體整體受熱均勻，焊接殘余應(yīng)力較小，焊后閥體組織均勻。針對(duì)不同材料制造的大型堵閥，有針對(duì)性地采用補(bǔ)焊工藝，可得到良好的效果。