張 力，朱 寧

（攀鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司檢修分公司，四川 攀枝花 617023）

淺析汽輪機(jī)高壓缸蓋裂紋產(chǎn)生的原因及焊接修復(fù)工藝

張 力，朱 寧

（攀鋼集團(tuán)工程技術(shù)有限公司檢修分公司，四川 攀枝花 617023）

通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)高壓缸蓋裂紋產(chǎn)生的原因及焊接性能進(jìn)行分析，選用奧氏體焊接材料，制定合理的焊接工藝，成功地修復(fù)了裂紋，滿足了使用性能和安全生產(chǎn)要求。

裂紋原因；焊接材料；工藝及措施

引言

在攀鋼發(fā)電廠1號(hào)機(jī)組大修中，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)高壓缸蓋筒體原有角焊縫連接處的有3條裂紋，長(zhǎng)度分別為168mm、174mm和245mm。經(jīng)探傷檢查裂紋最深處達(dá)24mm，且沿原有角焊縫內(nèi)側(cè)深度方向延伸。缸蓋的材質(zhì)為ZG20CrMoV，角焊縫兩側(cè)的圓筒體厚度δ=60mm，兩筒體直徑分別為400mm，600mm，由于汽輪機(jī)高壓缸蓋是發(fā)電設(shè)備系統(tǒng)中的重要部件，直接關(guān)系到電力設(shè)備的安全運(yùn)行，一旦出現(xiàn)安全問(wèn)題后果不堪設(shè)想。因此，必須對(duì)裂紋缺陷進(jìn)行修復(fù)。

1 裂紋產(chǎn)生原因分析

1.1 焊縫外觀成形質(zhì)量的影響

因原有角焊縫的焊趾處都有不同程度的咬邊缺陷，致使在原焊趾處存在應(yīng)力集中，當(dāng)有拉應(yīng)力的作用下就易產(chǎn)生裂紋，裂紋處分布在原有角焊縫與母材過(guò)渡的焊趾部位。

1.2 溫度應(yīng)力的影響

在機(jī)組的啟動(dòng)和停止過(guò)程中會(huì)引起較大的溫度變化。由于缸蓋厚度較大，當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，內(nèi)壁溫度很快就上升到工作溫度，與外壁形成一個(gè)明顯的溫度梯度，內(nèi)壁金屬膨脹受阻，受到壓應(yīng)力的作用，在高溫下材料的強(qiáng)度有所降低，這種壓應(yīng)力可導(dǎo)致內(nèi)壁金屬產(chǎn)生壓縮塑性變形。當(dāng)機(jī)組缸蓋停運(yùn)冷卻恢復(fù)到原有狀態(tài)時(shí)，這種壓縮變形部分就被保留下來(lái)產(chǎn)生一個(gè)殘余的拉應(yīng)力。盡管這種塑性變形是很微小的，但在長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用下，會(huì)對(duì)在高溫高壓條件下工作的金屬部件造成損傷的累積，最終導(dǎo)致破壞。特別是當(dāng)焊縫存在缺陷時(shí)，容易在缺陷應(yīng)力集中點(diǎn)處提早形成裂紋。

1.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響

由于缸蓋位于汽輪機(jī)組的中段，體積和厚度都較大，結(jié)構(gòu)應(yīng)力相對(duì)較大，在焊接缸蓋角焊縫時(shí)，焊縫冷卻過(guò)程中的收縮受到一定的拘束，焊后焊縫將產(chǎn)生較大的拘束應(yīng)力。在機(jī)組工作載荷的作用下，容易在應(yīng)力集中點(diǎn)產(chǎn)生裂紋，造成裂紋延伸擴(kuò)展。

2 焊接性能分析

表1：化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）

表2：力學(xué)性能

（2）因ZG20CrMoV鋼的物理性能與同類低合金鋼相比具有導(dǎo)熱系數(shù)?。?00℃時(shí)為43.1），線膨脹系數(shù)大（常溫下為12.18），它對(duì)加熱和冷卻溫度及速度等較敏感，在焊接熱循環(huán)的作用下，會(huì)造成較大的焊接應(yīng)力和變形，增加了產(chǎn)生裂紋的傾向。

（3）由于需修復(fù)的裂紋缺陷均處于整體角焊縫中的分散小段，在修復(fù)焊補(bǔ)時(shí)的焊縫將受到拘束，不能自由地膨脹和收縮，冷卻過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大的收縮拉應(yīng)力，易于開(kāi)裂。

（4）有再熱裂紋敏感性。在ZG20CrMoV鋼中有一定含量的Cr、Mo、V等能起沉淀強(qiáng)化作用的元素，這些元素對(duì)產(chǎn)生再熱裂紋有較大影響。通過(guò)合金元素對(duì)鋼的再熱裂紋敏感性經(jīng)驗(yàn)公式△G=Cr+3.3Mo+8.1V-2，得到ZG20CrMoV鋼的△G=2.17～3.94。根據(jù)數(shù)據(jù)判斷，當(dāng)△G＞0時(shí)材料就有再熱裂紋的敏感性，如果焊接殘余應(yīng)力大時(shí)，產(chǎn)生再熱裂紋的敏感性更高。

3 焊接材料的選擇

（1）高溫、高壓工作的焊縫，主要是保證焊接材料的化學(xué)成分應(yīng)與被焊材料的化學(xué)成分相同或相近。ZG20CrMoV鋼，采用手工焊條電弧焊時(shí)，一般常采用與母材材質(zhì)相同的R317焊條焊接。焊前母材須預(yù)熱300℃～350℃，焊接過(guò)程中應(yīng)控制層間溫度，焊后還要進(jìn)行720℃～750℃高溫回火熱處理，保溫不少于5～6h。因ZG20CrMoV耐熱合金鑄鋼，基體為珠光體+鐵素體，它對(duì)加熱和冷卻的速度、溫度敏感。如在進(jìn)行預(yù)熱及焊后熱處理的過(guò)程中未嚴(yán)格控制參數(shù)時(shí)，容易造成鑄件內(nèi)力學(xué)性能不均勻，影響使用性能；汽輪機(jī)高壓缸蓋的壁厚、體積較大，服役環(huán)境條件差等，對(duì)焊縫局部或整體預(yù)熱、熱處理控制難度大，如果出現(xiàn)問(wèn)題就易造成焊接修復(fù)失敗，甚至設(shè)備報(bào)廢。所以，通過(guò)全面分析比較和綜合考慮，決定選用A507奧氏體不銹鋼焊條進(jìn)行焊接修復(fù)。A507焊條化學(xué)成分和力學(xué)性能表3、表4所示。

表3：熔敷金屬的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）

表4：力學(xué)性能

（2）奧氏體焊條焊接的焊縫金屬為奧氏體組織，對(duì)焊接ZG20CrMoV鋼有以下一些優(yōu)點(diǎn)：

1）在焊接熱循環(huán)中奧氏體不發(fā)生相變。一般情況下選擇奧氏體焊條焊接時(shí)，焊前不需預(yù)熱，焊后不需熱處理。

2）奧氏體焊縫金屬有良好的塑性和韌性，具有良好的抗裂性能?？晌蘸附舆^(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力，并且對(duì)氫的溶解度較高，不會(huì)在冷卻過(guò)程中因擴(kuò)散氫的富集而產(chǎn)生裂紋；它還對(duì)開(kāi)槽的敏感性遠(yuǎn)較珠光體焊縫低。若在補(bǔ)焊中產(chǎn)生如少量氣孔、夾渣等缺陷，在一般情況下，不易產(chǎn)生裂紋，也不易使裂紋延伸擴(kuò)展。

3）奧氏體焊縫金屬屈服極限（Rp0.2）值較ZG20CrMoV鋼低約20%，對(duì)整個(gè)接頭的應(yīng)力水平將起到很大的緩沖作用；

因此，選擇A507焊條焊接ZG20CrMoV鋼時(shí)焊前可以不預(yù)熱，或者只預(yù)熱到80℃～150℃；焊后不需進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，可以避免焊縫再熱裂紋的產(chǎn)生；同時(shí)簡(jiǎn)化了焊接工藝，改善施焊條件。A507焊條焊接的焊縫還能滿足母材的高溫使用性能。

4 焊接工藝措施

4.1 焊前準(zhǔn)備

（1）先用Ф8mm的合金鉆頭在距裂紋末端10mm處鉆深度為30mm的止裂孔，以防裂紋繼續(xù)延伸和擴(kuò)展。

（2）選擇角向砂輪機(jī)來(lái)清除裂紋缺陷，并修磨成U型坡口形狀。然后經(jīng)滲透無(wú)損檢測(cè)檢驗(yàn)無(wú)缺陷后，再將坡口兩側(cè)30mm范圍內(nèi)的油、銹等清理干凈。在保證缺陷徹底清除的前提下，坡口的寬度盡量要小，以減小焊接收縮應(yīng)力。

（3）施焊前焊條按規(guī)定要求進(jìn)行烘干，并放在100℃的保溫筒內(nèi)隨用隨取。

（4）焊前在焊縫的周圍400mm范圍內(nèi)均勻、緩慢的預(yù)熱到80℃～100℃，以降低焊接過(guò)程中焊縫和熱影響區(qū)的冷卻速度，預(yù)熱升溫速度不超過(guò)100℃/h。

4.2 焊接要點(diǎn)

（1）焊接時(shí)選擇直流焊接電源，反接。采用小規(guī)范焊接，焊條不作橫向擺動(dòng)，短弧操作，在熔合良好的情況下提高焊接速度等，以減少熱輸入量。焊接工藝參數(shù)表5所示。

表5 焊接工藝參數(shù)

（2）采取多層多道焊。每一道又分兩段或三段（短焊縫兩段，長(zhǎng)焊縫三段）進(jìn)行退焊，中間接頭處應(yīng)錯(cuò)開(kāi)至少30mm，使整條焊縫盡量受熱均勻，以使應(yīng)力分布較均勻，圖3所示。每?jī)珊傅乐g的迭壓面不小于焊道寬度的1/3，且必須使兩側(cè)與母材的過(guò)渡區(qū)圓滑過(guò)渡，熔合良好。

圖3

（3）每焊完一段后立即用帶圓頭的小錘進(jìn)行錘擊（錘重0.5Kg，錘頭圓弧直徑5mm），先錘擊焊道中部，再錘擊焊道兩側(cè)，達(dá)到布滿麻點(diǎn)為止，以消除部分應(yīng)力和改拉應(yīng)力為壓應(yīng)力。錘擊后用10倍的放大鏡檢查表面，確認(rèn)無(wú)缺陷后繼續(xù)施焊。

（4）焊接過(guò)程中應(yīng)控制層間溫度等于或略高于預(yù)熱溫度，整個(gè)焊補(bǔ)過(guò)程必須持續(xù)進(jìn)行，中途如因故被迫中斷，應(yīng)重新加熱到預(yù)熱溫度后才能繼續(xù)。

（5）焊補(bǔ)結(jié)束后立即用已烘干的石棉覆蓋在焊縫表面，使其緩冷，緩慢冷卻速度不超過(guò)100℃/h。

5 焊后檢驗(yàn)和表面處理

（1）外觀檢查焊縫表面無(wú)氣孔、夾渣、咬邊等缺陷，余高在3mm范圍內(nèi)。

（2）焊縫表面及周圍進(jìn)行滲透檢驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)有裂紋出現(xiàn)。

（3）最后用角向砂輪機(jī)修磨焊縫表面余高與原焊縫表面齊平并與邊緣熔合處過(guò)渡圓滑。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)汽輪機(jī)缸蓋裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)備的使用環(huán)境條件、現(xiàn)場(chǎng)施工情況、材料焊接性能等綜合考慮，選用奧氏體焊接材料焊補(bǔ)修復(fù)ZG20CrMoV鋼的裂紋。焊前不預(yù)熱，焊后不進(jìn)行熱處理，簡(jiǎn)化了工藝，改善了施焊條件；采取合理的工藝及措施，減少焊接殘余應(yīng)力，使焊補(bǔ)部位的組織成分一致，防止了裂紋的產(chǎn)生，增強(qiáng)了抗裂性能。設(shè)備運(yùn)行至今未出現(xiàn)裂紋現(xiàn)象，驗(yàn)證了該工藝的可實(shí)施性，保證了焊補(bǔ)修復(fù)質(zhì)量，滿足了使用性能和安全生產(chǎn)要求。

［1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)編.焊接手冊(cè)（第二卷，材料的焊接）［M]機(jī)械工業(yè)出版社.2001

［2]李亞江等編著.焊接修復(fù)技術(shù)［M].化學(xué)工業(yè)出版社.2005

［3]劉云龍.焊接技師手冊(cè)［M].機(jī)械工業(yè)出版社

［4]英采若.熔焊原理及金屬材料焊接［M].機(jī)械工業(yè)出版社

［5]傅積和、孫玉林主編.焊接數(shù)據(jù)資料手冊(cè)［M].機(jī)械工業(yè)出版社，1994年4月，P622-623