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        580 mm 末級葉片高頻釬焊司太立合金防水蝕工藝研究

        2020-11-04 11:07:32黃有為武彥榮石聯(lián)峰梁剛向沖
        東方汽輪機 2020年3期
        關(guān)鍵詞:焊劑試板末級

        黃有為, 武彥榮, 石聯(lián)峰, 梁剛, 向沖

        (東方汽輪機有限公司, 四川 德陽, 618000 )

        0 引言

        汽輪機低壓部分葉片工作在含有水滴的濕蒸汽腐蝕介質(zhì)環(huán)境下, 承受離心力、 蒸汽作用力、激振力及濕蒸汽所攜帶水滴沖刷的共同作用, 極易遭到水蝕。 發(fā)生水蝕不僅使汽輪機做功能力和效率下降, 改變?nèi)~片的震動特性, 嚴(yán)重則使葉片進(jìn)出汽邊緣呈現(xiàn)鋸齒狀, 形成很多細(xì)小的裂紋,甚至出現(xiàn)缺口, 進(jìn)一步惡化很可能造成汽輪機的葉片事故。 司太立合金具有硬度高、 耐磨損、 抗氧化、 組織穩(wěn)定、 有較好的抗水蝕性能等特點,水滴撞擊時僅引起小量變形。 實踐證明, 使用釬焊司太立合金片的末級葉片, 其壽命可得到大幅度提高, 減少電廠更換葉片的成本。

        公司新設(shè)計的透平給水泵汽輪機末級葉片(材料: 05Cr17Ni4Cu4Nb, 汽道長度: 580 mm)的防水蝕工藝選用高頻釬焊司太立合金片。 該葉片尺寸較小, 進(jìn)汽邊釬焊部位結(jié)構(gòu)與常規(guī)大尺寸末級葉片有所不同, 需用試驗來對其高頻釬焊參數(shù)進(jìn)行確定。

        1 試驗材料及設(shè)備

        1.1 試驗材料

        (1)模擬葉片

        試驗件采用與產(chǎn)品葉片相同材質(zhì)的模擬葉片,模擬產(chǎn)品葉片拉筋以上的全部結(jié)構(gòu), 能最大程度反映產(chǎn)品葉片在釬焊過程中的受熱狀態(tài), 并且節(jié)約了試驗成本。

        (2)司太立合金片

        材料: Co6Cr30W5, 長度173.5 mm, 寬度11.72 mm。 主要化學(xué)成分如表1 所示。

        表1 司太立合金片化學(xué)成分 wt.%

        (3)銀釬焊片

        規(guī)格: 厚度0.8 mm×寬度8 mm。 主要化學(xué)成分如表2 所示。

        表2 銀焊片化學(xué)成分

        (4)銀釬焊焊劑

        焊劑性狀: 粉狀。 活性溫度:550~870 ℃。

        1.2 試驗設(shè)備及工裝

        本試驗加熱設(shè)備采用GP-100 型高頻感應(yīng)加熱器。 葉片變位及夾持裝置采用了專為580 mm 葉片葉根型線設(shè)計制作的專用葉冠與葉根夾具。

        釬焊所使用感應(yīng)器采用Φ5 mm 的銅管, 根據(jù)580 mm 葉片進(jìn)汽邊型線手工彎制、 焊接而成, 保證了葉片釬焊部位在感應(yīng)器有效加熱區(qū)。

        鎖緊壓頭采用實心陶瓷管制作, 作用是保證司太立合金片與葉片進(jìn)汽邊開槽在加熱過程中緊密貼合防止松動。

        2 試驗方法

        2.1 釬焊流程

        釬焊流程主要包括以下步驟:

        (1)焊前準(zhǔn)備: 葉片及司太立合金片打磨、 配片、 清洗、 焊劑調(diào)制;

        (2)涂刷焊劑:在葉片合金槽、 司太立合金片、銀焊片上涂刷焊劑;

        (3)壓緊壓頭: 固定合金片;

        (4)高頻釬焊;

        (5)補焊: 高頻釬焊后需要對未熔合的部位進(jìn)行手工補焊。

        2.2 試驗方法

        公司在燃機項目ST 部分的低壓末級葉片有較為成功的釬焊技術(shù)儲備, 利用燃機參數(shù)對試驗葉片進(jìn)行釬焊, 根據(jù)無損檢測結(jié)果, 判定參數(shù)效果。再通過調(diào)整參數(shù), 結(jié)合無損檢測結(jié)果確定參數(shù),利用該參數(shù)進(jìn)行焊接試板和微觀組織檢測, 最終確定適用于580 mm 葉片的專用高頻釬焊參數(shù)。

        3 試驗過程

        580 mm 葉片與燃機項目末級葉片結(jié)構(gòu)相似,但580 mm 葉片的進(jìn)汽邊開槽的厚度減少很多, 在加熱過程中容易使該部位過熱甚至熔化, 如圖1所示。 因此需要對燃機項目使用的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后使用。 考慮到580 mm 葉片厚度較小, 因此先調(diào)整預(yù)熱電壓至100 V, 并縮短預(yù)熱時間至50 s, 避免預(yù)熱時將釬料中的水分蒸發(fā)過多, 造成釬料無法在熔化時自然流動, 具體參數(shù)如表3 所示。

        表3 第一次試驗參數(shù)

        采用表3 中的參數(shù)進(jìn)行了5 片葉片釬焊后,通過射線探傷發(fā)現(xiàn), 5 片葉片均不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。其中一片頂部貼合面積小于60%。 為了確定底片中所反映的缺陷類型和形態(tài), 對該葉片葉冠位置進(jìn)行了解剖。 通過對比底片和觀察截面可以看出,葉冠頂部前3 個樣共計9 mm 的區(qū)域有明顯的未貼合情況, 符合小于60%的判斷, 后16 mm 區(qū)域的解剖面有點缺陷顯示, 如圖2 所示。

        初步判斷產(chǎn)生缺陷的原因可能是預(yù)熱電壓過小, 焊劑中的水分并未得到有效蒸發(fā), 在釬焊過程中, 司太立合金片與葉片之間形成了大量汽孔,隨著焊劑的凝固, 最終形成射線探傷底片中所反映的未熔合現(xiàn)象。 因此, 為了充分蒸發(fā)水分, 對初選參數(shù)再次進(jìn)行調(diào)整, 將預(yù)熱電壓恢復(fù)至燃機項目所用的120 V, 將預(yù)熱時間適當(dāng)縮短至45 s。同時, 在使用初選參數(shù)進(jìn)行試驗時發(fā)現(xiàn)保溫結(jié)束后, 葉片溫度較高, 遂將降溫時間縮短至10 s,具體參數(shù)如表4 所示。

        圖2 不合格葉片解剖形貌

        表4 優(yōu)化后試驗參數(shù)

        4 試驗結(jié)果

        4.1 無損檢測

        根據(jù)無損檢驗標(biāo)準(zhǔn), 對采用優(yōu)化后參數(shù)進(jìn)行釬焊的4 片模擬葉片進(jìn)行射線探傷、 超聲波探傷和著色探傷, 檢驗結(jié)果均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求, 并未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

        4.2 解剖檢驗

        對這4 片無損檢驗合格的葉片進(jìn)氣邊葉冠、釬焊部位中部、 尾部這3 個區(qū)域進(jìn)行解剖檢驗,并對葉片基體、 合金片硬度、 焊部位基材的晶粒度進(jìn)行檢測, 結(jié)果如圖3 所示。 通過檢測結(jié)果可以看出司太立合金片的硬度在360~420 HV 之間,滿足材料性能要求的HRC33-50, 加熱區(qū)基材的硬度在282~296 HV 之間, 滿足材料性能要求的277~321 HB。 熱影響區(qū)晶粒度為5 級, 母材晶粒度為4 級。

        圖3 葉片硬度情況

        4.3 抗拉試板檢驗結(jié)果

        根據(jù)ASME IX, QB-451.3 的要求, 對釬焊工藝進(jìn)行拉伸試驗。 試板采用QB-462.1 (C) 中的“板材搭接和嵌接接頭的縮截面” 拉伸試樣, 如圖4 所示。 其中紅色的部分為司太立合金板, 采用與葉片釬焊相同的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。

        圖4 抗拉試板

        通過試板的斷裂情況可以看出, 試板的斷裂位置為司太立合金板, 如圖4 所示。 由此可知焊縫的結(jié)合強度大于司太立合金的最低強度。

        剪切強度τ0=最大拉力×1 000 N/(貼合面積×貼合率)

        通過對試板的底片進(jìn)行貼合率計算, 獲得貼合率, 并根據(jù)剪切強度計算公式進(jìn)行計算, 最終算出了釬焊處剪切強度值如表5 所示。

        表5 試板剪切強度

        從剪切強度的計算結(jié)果可以看出, 使用優(yōu)化后參數(shù)焊接的試板的剪切強度不小于46 kg/mm2,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的10 kg/mm2。

        5 結(jié)論

        (1)通過試驗, 確定580 mm 葉片高頻釬焊工藝參數(shù)為: 120 V 電壓下預(yù)熱45 s, 升至230 V 后保溫20 s, 保溫結(jié)束后在10 s 內(nèi)完成閉電降溫。

        (2)使用該工藝參數(shù)釬焊的葉片無損檢測結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、 葉片實物解剖后金相組織、 晶粒度和硬度正常, 利用該工藝參數(shù)焊接的抗拉試板強度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        (3)該參數(shù)可應(yīng)用于產(chǎn)品葉片的高頻釬焊。

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