陳得潤，馬 進

（寧夏共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

隨著汽輪機技術(shù)的發(fā)展，大功率火電、核電機組逐漸成為主流，而大功率火電機組又逐步向超臨界、超超臨界發(fā)展，這也給汽輪機鑄件提出更高的要求［1］。要實現(xiàn)更高要求的超臨界、超超臨界的自主化生產(chǎn)就必須克服內(nèi)部核心部件主汽閥殼體、調(diào)節(jié)閥殼體和聯(lián)合汽閥殼體等一系列產(chǎn)品鑄造與組焊等關(guān)鍵技術(shù)。

該類鑄件材質(zhì)采用目前汽輪機閥體件較為廣泛應(yīng)用的ZG1Cr10Mo1NiWVNbN高合金鋼材料，屬于超低碳復(fù)相馬氏體鋼，金相組織主要為馬氏體及少量的鐵素體［2］，該材料焊接裂紋傾向極其嚴重。國內(nèi)外能夠掌握此類閥體及其管件焊接制造技術(shù)更是少之又少，僅為幾家大公司所壟斷。因此，在成功鑄造此類閥體鑄件的先決條件下，如何突破其管件焊接制造技術(shù)成為寧夏共享鑄鋼公司的一項重要攻關(guān)課題。本文以寧夏共享鑄鋼公司近期研發(fā)制造的百萬千瓦超超臨界汽輪機閥殼鑄件為例，主要討論了閥殼體大壁厚管件坡口焊接技術(shù)的研究及應(yīng)用。

1 產(chǎn)品特點及難點分析

此套汽輪機閥殼分主汽閥閥殼、中壓聯(lián)合汽閥及調(diào)節(jié)閥閥殼三類共五個鑄件組成，其中最大 件 尺 寸 為 3 230×2 481×2 200（mm），壁 厚 尺寸60～200 mm，最大鑄件質(zhì)量達到21.2 t，材質(zhì)為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN。與其組焊的最大管件單件質(zhì)量2.8 t，單個焊件最大坡口厚度尺寸達到214 mm，材質(zhì)與鑄件相同，閥體管件坡口組焊裝配圖見圖1。

圖1 閥體管件坡口組焊圖

由于殼體處于汽輪機內(nèi)承受高壓部位，工作環(huán)境惡劣，因此焊接接頭無損檢測要求非常高，坡口焊縫表面要求進行磁粉檢測，焊縫接頭要求進行超聲波檢測和射線探傷，且全部要求ASMEⅠ級合格，因此如何確保焊接質(zhì)量將是整個鑄件組裝的關(guān)鍵步驟。

2 技術(shù)解決方案

2.1 材料焊接性分析

材質(zhì)ZG1Cr10Mo1NiWVNbN的化學(xué)成分及機械性能見表1和表2，可以看出該鋼種的合金含量較高，有較大的淬硬傾向，因此材料的焊接性很差，焊接時需要正確選擇焊前預(yù)熱、焊后熱處理和焊接工藝參數(shù)。以避免焊接裂紋，并控制焊縫的含氫量，從而獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

表1 ZG1Cr10Mo1NiWVNbN化學(xué)成分含量 (wt)%

表2 室溫下的機械性能

2.2 焊接工藝試驗及制定

根據(jù)鑄鋼件常用焊接規(guī)范《ASME Ⅸ焊接與釬焊評定標準》制作ZG1Cr10Mo1NiWVNbN焊板各一塊，采用對接方式，按照鎢極氬弧焊ER90S-B9焊材打底、手工電弧焊E9015-B9焊材進行填充蓋面的方式進行預(yù)焊接工藝評定施焊操作，并根據(jù)規(guī)范對焊接試板進行無損檢測（射線探傷、超聲波探傷和磁粉探傷）和力學(xué)性能檢測，以上指標合格后，判定焊材選用及工藝符合要求，焊接工藝制定完成，可應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

2.3 焊接方法的選用

鑒于鑄件及管件本體截面積較大，坡口處易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，而焊接應(yīng)力分布情況復(fù)雜，因此在打底焊接時極有可能在焊縫根部出現(xiàn)裂紋源，因此打底焊在確保熔透和良好融合的情況下盡可能采用小的熱輸入，以減小焊接熱影響區(qū)的寬度，避免焊縫脆性組織的產(chǎn)生[3]。坡口焊縫打底焊接時選用熱輸入集中、焊接質(zhì)量好的鎢極氬弧焊焊接方法，填充焊接過程選用目前工藝成熟、技能要求相對較低、操作熟練的手工焊焊接并蓋面。

2.4 坡口工藝設(shè)計

為保證焊接質(zhì)量，制備形式和尺寸合理的坡口是非常重要的[4]。本項目閥體鑄件管口截面厚度較大，最厚部分達到214 mm，坡口設(shè)計尤為重要，考慮到管口內(nèi)徑只有120 mm，因此環(huán)形焊縫只能開單面坡口，在參考坡口設(shè)計規(guī)范的情況下采取對稱式“U”型坡口 。

3 焊接質(zhì)量控制

裝配前將鑄件置于焊接平臺，保證坡口端面與焊接平臺之間水平夾角控制在5°以內(nèi)，然后以內(nèi)腔加工面為基準，保證內(nèi)壁齊平，錯邊值不大于1 mm，且坡口間隙1～2 mm，最后采用工裝將鑄件與管件焊接點固。裝配后，采用鎢極氬弧焊對坡口焊縫進行點固，在管子圓周上分別均勻焊接三處，焊道長度為40 mm左右，并對焊縫兩端打磨，避免二次焊接時接頭處形成缺陷。

裝配點固后利用特制加熱工裝對焊接坡口及其周邊200 mm范圍內(nèi)進行預(yù)熱，溫度達到200～250℃時配合使用鎢極氬弧焊和TIG焊機，對坡口進行打底焊接，焊接采用單面焊雙面成型技術(shù)，且焊接厚度不小于4 mm。當焊到定位塊時應(yīng)將定位塊磨掉，并將焊點用砂輪機打磨干凈，然后以肉眼或低倍放大鏡觀察，確認無裂紋等缺陷后方可繼續(xù)施焊。打底焊接完成后，及時對打底部分進行打磨，并采用放大鏡等工具檢查，返修未焊透、弧坑裂紋等對焊接質(zhì)量有影響的缺陷。

填充焊接時將坡口置于立焊位置或立向上位置行填充焊接，焊接時第一層使用直徑φ2.5 mm的焊條焊接，后續(xù)采用多層多道焊的焊接方法，根據(jù)焊接坡口的寬度確定焊條直徑，具體參照表3進行選用[4]。為確保良好的焊接質(zhì)量，焊接時應(yīng)注意以下幾點：

a）電弧焊時，每層焊接厚度≤焊條直徑，焊條擺動的寬度＜焊條直徑的3倍；

b）嚴格采用多層多道法焊接，接頭之間應(yīng)錯開，收弧時應(yīng)填滿弧坑，衰減收弧；

c）層與層之間,道與道之間焊完后,應(yīng)用電動工具、鋼絲刷或砂輪機等將焊渣、飛濺等雜物清理干凈，道與道之間應(yīng)避免出現(xiàn)焊接死角。

表3 坡口焊接參數(shù)對照表

為提高焊接質(zhì)量，管件坡口焊縫采用多次分階段方式進行填充焊，焊接厚度控制在60～80 mm以內(nèi)為宜，且分階段對焊縫進行射線探傷。在生產(chǎn)過程中一旦存在超標缺陷時，應(yīng)采用射線和超聲波聯(lián)合探傷的方法對焊縫缺陷進行定位，再返修，直至合格。依此工藝執(zhí)行，保證在前一階段焊接并檢測合格的情況下，方能進行下一階段坡口焊縫的填充焊接工作。

通過以上方案措施，百萬千瓦超超臨界汽輪機閥殼鑄件管件組焊及焊接質(zhì)量得到有效控制，焊接后經(jīng)射線探傷、超聲波探傷和磁粉探傷，均滿足顧客規(guī)范要求，尺寸驗收后也符合公差要求，控制符合率達到98%以上，順利通過顧客驗收并發(fā)運。

4 結(jié)論

通過材料的焊接性分析、坡口的設(shè)計及焊接方法、工藝試驗等方面工作的開展，很好地控制了管件的焊接及焊補返修過程，達到了管件焊接技術(shù)要求，確保了焊接質(zhì)量，同時掌握了高合金鋼管件對焊工藝技術(shù)，百萬千瓦超超臨界蒸汽輪機閥殼鑄件及管件焊接質(zhì)量、返修及焊接過程得到大大提高，焊接質(zhì)量較好，工藝方案可操作性強，效果顯著。

[1]黃天佑，劉小剛，康進武，等.我國大型鑄鋼件生產(chǎn)的現(xiàn)狀與關(guān)鍵技術(shù) [J].鑄造 ,2007（09）.

[2]邵建華.A335-P91鋼主蒸汽管道焊接技術(shù)[C].第二屆中國北方焊接學(xué)術(shù)會議論文集.2001年.

[3]蔡娟.焊工之友[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2009.

[4]洪松濤，胡寶良，彭偉華.焊工常用技術(shù)手冊[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2009.