超臨界汽輪機(jī)進(jìn)汽插管司太立合金裂紋原因分析及處理

樊琦明，關(guān)運(yùn)奪，吳振華

（山西兆光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

大型汽輪機(jī)由于進(jìn)汽參數(shù)高，為避免缸壁過(guò)厚，高壓缸都采用雙層缸結(jié)構(gòu)，但進(jìn)汽部分與內(nèi)外缸的連接必須滿足2個(gè)條件：一是保證相互間的密封，二是適應(yīng)相互間的脹差。進(jìn)汽插管是應(yīng)用很普遍的主要進(jìn)汽部分形式[1]。汽輪機(jī)主蒸汽插管長(zhǎng)期運(yùn)行在超臨界工況下，受高速氣流的沖刷和振動(dòng)作用，容易在插管和汽缸相連部位附近造成損壞，影響運(yùn)行，危及安全。為提高其耐磨、耐沖擊性能，一般都設(shè)計(jì)在其母材表面進(jìn)行鈷基合金堆焊[2]。

1 開(kāi)裂高壓進(jìn)汽插管基本情況

某廠大型汽輪機(jī)組在大修期間解體發(fā)現(xiàn)高壓缸進(jìn)汽插管處有多道裂紋，存在裂紋缺陷的汽輪機(jī)為上海汽輪機(jī)有限公司引進(jìn)西屋技術(shù)生產(chǎn)的NZK600-24.2/566/566型超臨界汽輪機(jī)。機(jī)組于2009年投產(chǎn)，截至裂紋發(fā)現(xiàn)為止，機(jī)組已累計(jì)運(yùn)行61 320 h。從鍋爐來(lái)的主蒸汽分為4路經(jīng)4根導(dǎo)汽管進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸，2根與上半汽缸相連（稱為3號(hào)、4號(hào)），2根與下半汽缸相連（稱為1號(hào)、2號(hào)）。導(dǎo)汽管與高壓內(nèi)缸的連接方式為高壓進(jìn)汽插管形式。

發(fā)現(xiàn)裂紋的進(jìn)汽插管為位于上半汽缸左側(cè)的3號(hào)進(jìn)汽插管。裂紋發(fā)生在進(jìn)汽插管表面與高壓內(nèi)缸進(jìn)汽口密封環(huán)相接觸部位，裂紋貫穿密封環(huán)與高壓進(jìn)汽插管間的密封線。

3號(hào)高壓進(jìn)汽插管外徑為279.4 mm，內(nèi)徑為185 mm。母材基體材質(zhì)為ZG15Cr1Mo1V，外壁堆焊層為Stellite No.6合金，堆焊層厚度為5～8 mm。高壓進(jìn)汽插管表面裂紋肉眼可見(jiàn)，進(jìn)行滲透復(fù)檢共發(fā)現(xiàn)5處，1號(hào)裂紋長(zhǎng)135 mm，2號(hào)裂紋長(zhǎng)130 mm，3號(hào)裂紋長(zhǎng)110 mm，4號(hào)裂紋長(zhǎng)135 mm，5號(hào)裂紋長(zhǎng)50 mm。裂紋深度貫穿司太立合金堆焊層，未涉及插管母材。

2 司太立合金堆焊層發(fā)生裂紋的原因分析

高壓進(jìn)汽插管表面司太立合金覆蓋范圍較大且厚度達(dá)到6～8 mm。司太立6號(hào)合金屬Co基高硬度耐磨合金，材料硬度高，鈷合金含量大。司太立合金的基本結(jié)構(gòu)是M7C3碳化物和鉻在鈷中的固溶體[3]，在高溫下有很好的抗應(yīng)力松弛性能[4]。在司太立合金堆焊過(guò)程中，焊前預(yù)熱缺乏可靠的溫度控制或者堆焊過(guò)程中未進(jìn)行溫度補(bǔ)償，金屬組織轉(zhuǎn)變過(guò)快，堆焊一層后，焊道及其近縫區(qū)將存在較大的拉伸殘余應(yīng)力，再加上后續(xù)熱處理不當(dāng)，殘余應(yīng)力無(wú)法徹底釋放。

經(jīng)硬度檢查，插管表面司太立合金層硬度為400~420 HB，而模擬堆焊試驗(yàn)中焊態(tài)堆焊層硬度為320~340 HB。高壓進(jìn)汽插管生產(chǎn)加工時(shí)焊前熱處理、焊接中溫度控制、焊后熱處理任何一個(gè)環(huán)節(jié)控制不良都有可能引起堆焊層硬度高。硬度的提高，勢(shì)必引起司太立合金層脆性增大、塑性降低。

該汽輪機(jī)調(diào)門(mén)開(kāi)啟順序?yàn)?-3-4-1，3號(hào)調(diào)節(jié)汽門(mén)基本保持全開(kāi)狀態(tài)。近年來(lái)隨著電網(wǎng)要求，機(jī)組頻繁采用區(qū)域控制誤差方式運(yùn)行，機(jī)組負(fù)荷、調(diào)門(mén)開(kāi)度、汽溫、汽壓快速變化，同時(shí)在插管表面高速汽流沖刷及振動(dòng)影響下，司太立合金內(nèi)部應(yīng)力釋放形成裂紋。

3 修復(fù)方案的確定

方案一：將高中壓缸上半汽缸運(yùn)輸回上海汽輪機(jī)有限公司，由上海汽輪機(jī)有限公司進(jìn)行修復(fù)處理裂紋。方案二：更換3號(hào)高壓進(jìn)汽插管備件，將現(xiàn)有高壓進(jìn)汽插管割除后更換新的高壓進(jìn)汽插管。方案三：咨詢上海汽輪機(jī)廠該裂紋缺陷的修復(fù)工藝，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)。

方案一存在高中壓外上缸尺寸、質(zhì)量過(guò)大無(wú)法進(jìn)行長(zhǎng)途運(yùn)輸?shù)葐?wèn)題，且返廠處理工期較長(zhǎng)；方案二，高壓進(jìn)汽插管與高中壓外缸的焊接在出廠前完成，現(xiàn)場(chǎng)更換無(wú)法保證安裝精度，且割除過(guò)程中存在管道損耗，影響導(dǎo)汽管法蘭回裝；方案三，司太立合金裂紋部位位于密封面，對(duì)施工水平要求較高，優(yōu)勢(shì)是成本低、工期短。

綜合上述3個(gè)方案后最終決定采用方案三，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)3號(hào)高壓進(jìn)汽插管裂紋進(jìn)行修復(fù)。

4 裂紋缺陷的焊接修復(fù)

司太立合金屬Co基高硬度耐磨合金，材料硬度高、合金含量大，同時(shí)插管表面司太立合金覆蓋范圍較大，焊接過(guò)程中極易產(chǎn)生裂紋。3號(hào)高壓進(jìn)汽插管表面司太立合金硬度為400~420 HB，較焊態(tài)司太立合金堆焊層硬度大幅提高。硬度的進(jìn)一步提高，勢(shì)必導(dǎo)致材料脆性增大、塑性降低，焊接性差。同時(shí)高壓進(jìn)汽插管表面堆焊的司太立合金范圍較大，裂紋修復(fù)部位還需要恢復(fù)設(shè)計(jì)尺寸，采用司太立合金重新修復(fù)的開(kāi)裂傾向較大，另參照上海汽輪機(jī)有限公司出具的修復(fù)技術(shù)方案，最終采用塑性較好的Ni基合金焊材對(duì)裂紋進(jìn)行修復(fù)處理，并在模擬試驗(yàn)中進(jìn)行了驗(yàn)證。

4.1 模擬焊接試驗(yàn)

焊接試驗(yàn)時(shí)采用手工鎢極氬弧焊，用Stellite No.6焊絲在P22鋼母材上堆焊制備模擬試件，堆焊層厚度3～5 mm。檢測(cè)結(jié)果表明，采用手工鎢極氬弧焊方法，配合合理的焊前預(yù)熱和嚴(yán)格的焊接熱輸入，可以在P22鋼表面制備完整無(wú)裂紋的堆焊層；焊后未失效狀態(tài)焊層的硬度為320～340 HB；司太立合金堆焊層為柱狀?yuàn)W氏體+沿晶分布的顆粒狀碳化物，與P22鋼母材熔合良好，無(wú)顯微裂紋。

模擬焊接試驗(yàn)采用焊前預(yù)熱+脈沖點(diǎn)焊+消應(yīng)力處理的方式對(duì)模擬裂紋坡口進(jìn)行填充，采用高能微弧冷焊工藝對(duì)配合面尺寸進(jìn)行修復(fù)處理。檢測(cè)結(jié)果表明，通過(guò)焊接工藝的嚴(yán)格控制，可以采用Ni基焊材進(jìn)行焊接修復(fù)，P22鋼、司太立合金堆焊層都與修復(fù)層熔合良好。試驗(yàn)得到的工藝參數(shù)如表1、表2所示。

表1 脈沖點(diǎn)焊修復(fù)工藝參數(shù)

表2 高能微弧冷焊修復(fù)工藝參數(shù)

4.2 裂紋缺陷修復(fù)

4.2.1 焊接實(shí)施

采用焊前預(yù)熱+脈沖點(diǎn)焊+消應(yīng)力處理的方式對(duì)裂紋坡口進(jìn)行填充。焊接工藝按表1執(zhí)行，在坡口部位進(jìn)行堆焊修復(fù)，逐點(diǎn)焊接，盡量減少焊接熱輸入，焊縫金屬呈金黃色澤，不產(chǎn)生焊接咬邊缺陷。

為了防止司太立合金層在焊接熱應(yīng)力的作用下開(kāi)裂，脈沖點(diǎn)焊焊接完成后立即進(jìn)行焊后消應(yīng)力處理。焊后消應(yīng)力熱處理的恒溫溫度580～640℃，恒溫時(shí)間1～2 h，升降溫速度≤150℃/h，電加熱，處理溫度曲線如圖1所示。

圖1 焊后去應(yīng)力處理溫度曲線

采用高能微弧冷焊，對(duì)缺陷處進(jìn)行分層堆焊，并對(duì)堆焊區(qū)域進(jìn)行修磨，修復(fù)配合面尺寸。

4.2.2 焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

修復(fù)完成后模擬機(jī)組運(yùn)行工況，對(duì)3號(hào)高壓進(jìn)汽插管進(jìn)行了溫度600℃、恒溫1 h的高溫考核試驗(yàn)，試驗(yàn)后進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果表明：所修復(fù)的進(jìn)汽插管表面平滑，無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象，滲透檢測(cè)無(wú)缺陷顯示跡痕。尺寸測(cè)量結(jié)果表明，修復(fù)部位尺寸與設(shè)計(jì)尺寸的偏差為±0.03 mm，符合設(shè)計(jì)要求[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

超臨界汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽插管表面堆焊的司太立合金，堆焊范圍較大，堆焊層較厚，在進(jìn)行裂紋補(bǔ)焊時(shí)處理措施不當(dāng)極易出現(xiàn)新裂紋，經(jīng)模擬試驗(yàn)及實(shí)踐檢驗(yàn)，成功在現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，不僅完成了超臨界600 MW機(jī)組高壓進(jìn)汽插管表面司太立合金裂紋的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，而且為同類(lèi)型機(jī)組在處理相似問(wèn)題時(shí)提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。