冀潤景
(中國電能成套設備有限公司,北京 100080)
我國作為全球核電建設規(guī)模最大的國家,面臨大量發(fā)電設備需要國產(chǎn)化的情況。在國產(chǎn)化試制階段,受技術(shù)引進方的限制及片面追求進度的影響,一些交付的設備存在一定程度的質(zhì)量問題,這對整個工程的工期、質(zhì)量造成影響。
作為汽輪機設備中的重要承載部件,軸瓦的制造質(zhì)量直接關系到汽輪機的穩(wěn)定運行。而在軸瓦制造中,巴氏合金澆注質(zhì)量、合金與瓦體的結(jié)合質(zhì)量都是衡量軸瓦質(zhì)量水平的主要指標,特別是對大規(guī)格、結(jié)合力要求高的百萬核電軸瓦而言,更是如此。本文針對首批百萬核電汽輪機軸瓦制造中存在的質(zhì)量問題,通過對巴氏合金澆注過程的各個環(huán)節(jié)進行分析,提出建議措施。
本機組汽輪機轉(zhuǎn)子(一高三低)為雙軸承支撐,全部8 副汽輪機軸瓦均為單油楔球面軸瓦。其中,2 副高壓軸瓦規(guī)格分別為Φ510mm、Φ560 mm,6副低壓軸瓦規(guī)格均為Φ785mm。軸瓦澆注巴氏合金,牌號為WL-2。合金層與軸瓦體結(jié)合強度要求為80N/mm2,明顯高于一般軸瓦。
表1 WL-2合金的化學成分要求
澆注完成、冷卻后,對合金表面分三次加工至最終尺寸,其中對上半瓦要進行偏心加工,每次加工后,都要對合金表面和端部、中分面結(jié)合部位進行超聲波探傷和滲透探傷檢查。
軸瓦承制廠家依據(jù)自主制定的工藝,在技術(shù)引進方有限的指導下進行試制,通過鑒定,給出了合格的結(jié)論。盡管首件試制成功,但通過全面的探傷檢查,廠家實際生產(chǎn)的軸瓦暴露出大量問題,主要有:(1)上瓦偏心加工車去一定厚度合金后,頂部出現(xiàn)“裸露本體”的情況,該處合金和瓦體結(jié)合線上出現(xiàn)大量滲透探傷線性顯示;(2)中分面和端面合金與瓦體結(jié)合部位滲透探傷線性顯示;(3)合金表面大量超標的超聲波探傷面積顯示(主要是結(jié)合不良);(4)合金表面大量超標的滲透探傷圓形顯示(主要是氣孔)。以上問題如圖1所示。
圖1 軸瓦主要探傷缺陷
合金澆注屬于特殊過程,澆注工藝的合理性、工藝執(zhí)行情況等對最終合金和瓦體的結(jié)合質(zhì)量有著重大影響,而軸瓦的探傷缺陷恰恰顯示出大量結(jié)合不良情況的存在。經(jīng)驗表明,結(jié)合不良的原因一般歸結(jié)為工藝不合理或不能嚴格執(zhí)行工藝。因此要解決軸瓦的質(zhì)量問題,需從工藝著手剖析,分析工藝中存在的不合理情況以及工藝執(zhí)行不到位的情況,以尋求解決問題的措施。澆注過程主要包括瓦體準備、掛錫、工裝預熱、合金熔煉、合金澆注及冷卻等。
瓦體材料為鑄鋼件,入廠后需進行120小時、650℃的脫氫熱處理。之后在待澆注面加工出燕尾槽。在機加工完成規(guī)定時間內(nèi),進行掛錫和合金澆注。瓦體的準備階段對后續(xù)掛錫質(zhì)量、結(jié)合力有一定的影響,該階段容易出現(xiàn)的問題有:
1)脫氫前粗加工留量較大,致使脫氫后加工量大,瓦體殘余應力大,易變形[1];同時,實際生產(chǎn)中存在精加工階段消缺補焊情況,而此時因結(jié)構(gòu)原因已不能回火,影響脫氫效果。有其他廠家采用鍛件瓦體,加工時基本不需挖補,相應的脫氫時間也短,并能保證脫氫質(zhì)量。
2)掛錫前的瓦體表面處理不干凈,使掛錫不均勻、不全面;另外,掛錫前表面粗糙度不能達標,使掛錫層變厚,影響掛錫質(zhì)量。實踐證明[2],粗糙度越大,錫層厚度越大。
3)因生產(chǎn)安排,不能在機加工完成規(guī)定時間內(nèi)及時進行澆注,使表面形成氧化膜,這將影響錫與瓦體之間的結(jié)合力。因此若不能及時澆注,可采用先掛錫保護的方法,這樣即使錫面出現(xiàn)氧化,也可通過顏色觀察并處理。
掛錫的作用是在瓦體和合金之間形成過渡層(FeSn-FeSn2)[3],以增強結(jié)合力。掛錫質(zhì)量是影響澆注質(zhì)量的關鍵因素,存在的主要問題包括:
1)工藝中給出的錫液溫度范圍過大,不易操作。工藝要求熱浸方法掛錫,錫液溫度控制在260~300℃。而錫的熔點為232℃,錫液溫度若太低,高出熔點不多,流動性就不好。若太高,則易使掛錫表面氧化,且溫差大會造成熱應力大,形成不良的過渡層。不同的文獻[2,4]中給出的錫液溫度有所不同,應根據(jù)實際情況,優(yōu)化工藝中的錫液溫度范圍。
2)工藝未給出對掛錫層厚度的控制措施。錫層雖有利于結(jié)合,但硬而脆,應盡量薄。過厚的掛錫層易氧化,結(jié)合力降低。一些工廠利用錫液流動性好的特點,采取垂直抖動方式,使錫層盡量薄。實踐證明錫層厚度隨粗糙度的改善和抖動次數(shù)增加而減薄。
3)工藝中未規(guī)定掛錫前預熱瓦體。瓦體若不預熱,因溫差大造成熱應力大,會形成不良的過渡層。但溫度不宜過高,否則瓦體表面會氧化。具體預熱溫度應根據(jù)經(jīng)驗制定,有的文獻給出溫度為270~300℃[3]。實踐也證明,廠家往往忽視掛錫前的預熱。
4)未嚴格執(zhí)行掛錫時間,導致掛錫不完全。
澆注中工裝的溫度,會局部影響澆注質(zhì)量,溫度過高會使合金局部過熱,不利于結(jié)晶;過低則過早結(jié)晶使隨后的結(jié)晶過程不均勻。嚴重時使局部產(chǎn)生熱裂傾向。因此對工裝進行合適的預熱非常必要,而實際澆注時,往往存在不能按工藝嚴格執(zhí)行,忽視預熱要求的情況。
經(jīng)調(diào)查分析,合金熔煉過程存在的問題有:
1)不能嚴格控制舊料的用量。往往受成本影響,回爐舊料的數(shù)量超過工藝要求。回爐舊料中的雜質(zhì)可能對合金金相組織、硬度、夾雜物有一定影響,但不會直接造成脫胎。
2)熔煉、澆注溫度(390~420℃)的范圍不合理。巴氏合金液體冷卻中,首先結(jié)晶析出針狀ε相(Cu6Sn5),隨后降溫過程中方形結(jié)晶β′相(SnSb),β′相易偏析,先形成的ε相呈骨架狀分布在液相中,防止β′上浮形成偏析。如果合金液體溫度過低,則流動性差,澆注時易產(chǎn)生冷隔、氣孔及砂眼缺陷;若過高,則會增加熔化過程中合金燒毀的可能性,并使合金組織粗大,影響力學性能。錫基合金的ε相結(jié)晶溫度為370℃[5],一般澆注溫度應高于初始結(jié)晶溫度50~100℃。因此可在工藝規(guī)定范圍內(nèi),使?jié)沧囟冉咏?20℃。
盡管經(jīng)驗表明,相對靜態(tài)澆注、離心澆注能消除合金中的氣孔、夾渣缺陷,得到更精細的組織[7],但因ε相比重大,受離心力作用會在結(jié)合部位聚集,產(chǎn)生較大偏析。曾有國內(nèi)百萬火電機組離心澆注軸瓦運行不滿2年就發(fā)生合金層剝落的問題[8],原因是結(jié)合部位ε相比重過多,使合金變硬,韌性不足,在交變和沖擊載荷下碎裂和剝落。本軸瓦結(jié)合力要求80N/mm2,遠高于同類項目機組50~60N/mm2的要求,因此,只能采用靜態(tài)澆注。該環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題有:
1)澆注方法不合理。采用直立連續(xù)澆注方法,合金層從液態(tài)冷卻至固態(tài)時是作為一個整體,由于軸承合金WL-2(α=19.32×10-6)與瓦體ZG225-450(α=12.9×10-6)線膨脹系數(shù)相差大,在合金從固相線以下冷卻到常溫過程中,兩種金屬的收縮變形量不同,產(chǎn)生一定的內(nèi)應力,可能導致結(jié)合不良。其次,結(jié)晶過程中ε相(Cu6Sn5)因比重大出現(xiàn)偏析,實踐中曾出現(xiàn)過在下部取樣進行化學分析時,銅含量明顯過高。另外,澆注時下部首先凝固,上部液體因澆注空間面積大而且寬度窄,補縮距離長而來不及補縮,易造成縮孔和疏松。實踐表明[6],采取間歇澆注的方法,能一定程度上解決或緩解上述問題。同時,還有廠家嘗試底注方法,在解決補縮問題的同時,也能避免從頂部澆入時氣泡不易排出的情況,改善澆注質(zhì)量。
2)冷卻方式不能起到效果。合理地控制各部位溫度,是結(jié)合力達到要求的關鍵。通過對比試驗,合理的溫度如圖2所示:瓦面中下部A 最低,由此向瓦面放散性升高,兩邊高于中部、上部高于下部,模具內(nèi)表面溫度應顯著高于瓦面溫度,一般應控制在250~290℃,這樣可增大合金擠向瓦面的凝縮力,加強結(jié)合力。
圖2 冷卻時合理的溫度分布
而在實際澆注時按傳統(tǒng)離心澆注方式用水槍噴水,無法控制溫度分布。某工廠針對此情況,設計出一種半環(huán)形空心鋼制水管,澆注時水管圍繞瓦體背部布置,水管面向瓦背設置很多噴水孔,水由水管兩頭以一定的壓力進入,從噴水孔中噴出進行冷卻。而且,還可通過提升水管,達到不同高度的冷卻,此工裝一定程度上解決了冷卻時的溫度分布要求。
3)忽視一些細節(jié)。如工作銜接不好,未能保證掛錫后在5分鐘內(nèi)澆注,使得錫層可能出現(xiàn)氧化,影響結(jié)合,也使得瓦體澆注前245℃的溫度難以保證。
1)設計結(jié)構(gòu)不合理。如上瓦經(jīng)偏心加工,加工時車刀正好位于燕尾槽邊緣,車刀和燕尾槽邊緣對合金共同作用,導致合金表面層被剪開或合金層處被壓開,出現(xiàn)裂紋。后續(xù)升版了圖紙,減少了偏心加工量,解決了此問題。
2)澆注時冒口不夠高。冒口位置合金暴露在外表面,與內(nèi)部相比應力少了一維方向,更容易脫胎。因此,適當增加冒口高度,澆注后通過機加工去除,可解決端面線性顯示問題。另外,有廠家將上下瓦合成整圓澆注,使中分面不暴露,也能一定程度上解決問題。
在工藝中應明確在掛錫前預熱瓦體,以及在掛錫后通過抖動減少錫層厚度的要求,并通過工藝試驗,優(yōu)化掛錫溫度。調(diào)整澆注方法,選用間歇式澆注或底注;調(diào)整冷卻用裝備及方式,確保按自下而上順序凝固;優(yōu)化合金熔煉、澆注溫度;澆注時適度增加冒口高度或采用上下半整體澆注。
盡量保證在規(guī)定時間掛錫澆注,如實在不能保證,則至少應先掛錫保存。確保掛錫表面的加工粗糙度符合要求;嚴格執(zhí)行工藝所要求的掛錫時間。確保按工藝要求執(zhí)行工裝預熱。
合理設計脫氫前的加工留量。選用質(zhì)量好的軸瓦體鑄件,也可選用鍛件;加工時注意控制走刀方向、走刀速度和吃刀量。加強軸瓦制造過程各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量監(jiān)督。
本文通過對國內(nèi)某百萬核電汽輪機軸瓦制造過程中探傷發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問題進行總結(jié)分析,剖析了影響軸瓦最終質(zhì)量的關鍵工藝,即巴氏合金的澆注過程各個環(huán)節(jié)的工藝重點和難點,在此基礎上分析了本項目汽輪機軸瓦合金澆注工藝及其執(zhí)行中存在的問題,并進一步提出了改善措施和建議。
隨著核電汽輪機組容量的不斷增大以及設備質(zhì)量要求的不斷提高,高結(jié)合力要求的巴氏合金軸瓦的應用將會成為趨勢,本文從工程實踐出發(fā),對合金澆注這一特殊工藝環(huán)節(jié)進行的經(jīng)驗反饋,將為提升百萬核電汽輪機軸瓦的國產(chǎn)化質(zhì)量提供具有重要價值的建議。
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