馬志寶， 李鳳強(qiáng)， 陳鑫， 高大偉， 劉彥如， 郭德瑞

(1.大唐華北電力試驗(yàn)研究院，北京 100040；2. 大唐國(guó)際發(fā)電股份有限公司北京高井熱電廠，北京 100041)

0 前言

蒸汽參數(shù)為540 ℃亞臨界機(jī)組中的高中壓內(nèi)外缸、噴嘴室和高溫閥門(mén)的閥殼等鑄件多采用低合金ZG15Cr1Mo1V鋼或2.25Cr1Mo鋼制造。與2.25Cr1Mo鋼相比，ZG15Cr1Mo1V鋼的高溫持久強(qiáng)度較好，可減少設(shè)計(jì)壁厚，減少零件的熱應(yīng)力，但鑄造工藝性能較差。近年來(lái)，通過(guò)提高鋼水的純凈度，采用Ti脫氧等技術(shù)，使ZG15Cr1Mo1V鋼的鑄造工藝性能有所改善，制造的汽缸與閥殼等大型鑄件的質(zhì)量有較大提高[1]。同時(shí)，早期蒸汽參數(shù)為566 ℃的超臨界機(jī)組及600 ℃的超超臨界機(jī)組中的高中壓內(nèi)外缸也有采用ZG15Cr1Mo1V鋼，因此在役機(jī)組中存在大量的采用ZG15Cr1Mo1V鋼制造的鑄件。

近年來(lái)，ZG15Cr1Mo1V鋼鑄件在運(yùn)行中出現(xiàn)大量開(kāi)裂現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的失效分析和焊接修復(fù)工作[2-10]。汽缸裂紋修復(fù)一般采用2種方法：熱補(bǔ)焊法、異質(zhì)冷補(bǔ)焊法。異質(zhì)冷補(bǔ)焊工藝主要采用鎳基焊條，工藝簡(jiǎn)單、工作量小，并且不需熱處理，工件不會(huì)產(chǎn)生大的變形，但是也存在與母材線膨脹系數(shù)不同，異種金屬界面承受熱疲勞性較差，不能保證長(zhǎng)期高溫運(yùn)行等缺點(diǎn)。目前，對(duì)于現(xiàn)役機(jī)組ZG15Cr1Mo1V鋼鑄件主要采用異質(zhì)補(bǔ)焊法，文獻(xiàn)[4]采用ENiCrFe-1焊條補(bǔ)焊3次才成功，文獻(xiàn)[5-6]分別介紹了采用ENiCrFe-3焊條對(duì)ZG15Cr1Mo1V閥門(mén)和主汽門(mén)進(jìn)行了異質(zhì)冷補(bǔ)焊，但均未提及較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行安全性。

熱補(bǔ)焊法采用與汽缸材料相同的焊條，焊前對(duì)汽缸進(jìn)行整體預(yù)熱，焊后進(jìn)行整體高溫回火。由于焊縫與母材同材質(zhì)，強(qiáng)度相當(dāng)、線膨脹系數(shù)相當(dāng)，在汽缸服役過(guò)程中不會(huì)因?yàn)槭軣?、受力等?wèn)題出現(xiàn)應(yīng)力集中或應(yīng)變集中，能達(dá)到滿意的補(bǔ)焊效果。但熱補(bǔ)焊法較大的弊端就是，焊前預(yù)熱及焊后熱處理都有可能使工件發(fā)生較大不均勻變形，且在電廠中實(shí)施起來(lái)較為困難，特別是現(xiàn)場(chǎng)熱處理難度大。文獻(xiàn)[9]針對(duì)超臨界機(jī)組的高壓內(nèi)缸下半裂紋缺陷，采用同質(zhì)熱補(bǔ)焊，但是焊后采用火焰進(jìn)行局部熱處理，熱處理效果得不到保證，將影響接頭長(zhǎng)期服役性能。文獻(xiàn)[3]嘗試采用試驗(yàn)室模擬的方法對(duì)ZG15Cr1Mo1V進(jìn)行了熱補(bǔ)焊后組織和性能的研究，但是缺乏現(xiàn)場(chǎng)大鑄件實(shí)際修復(fù)檢驗(yàn)。

文中對(duì)某9FB燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站機(jī)組中壓再熱聯(lián)合閥鑄件裂紋進(jìn)行了同質(zhì)熱補(bǔ)焊，采用整體包覆電加熱片的熱處理方式進(jìn)行了焊接修復(fù)，運(yùn)行近4年來(lái)，質(zhì)量良好，為同類鑄件的現(xiàn)場(chǎng)焊接修復(fù)提供技術(shù)參考。

1 中壓再熱聯(lián)合閥裂紋情況

國(guó)內(nèi)某9FB燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)一拖一機(jī)組，其汽輪機(jī)中壓再熱聯(lián)合閥采用ZG15Cr1Mo1V鑄造，工作溫度566 ℃，工作壓力2.8 MPa。在2018年的B級(jí)檢修中發(fā)現(xiàn)右側(cè)中壓再熱聯(lián)合閥存在裂紋，裂紋位于進(jìn)汽口與閥體交匯處R角位置，裂紋長(zhǎng)度180 mm，如圖1所示。

圖1 裂紋位置及尺寸

2 焊接修復(fù)

中壓再熱聯(lián)合閥屬于大型鑄件，備件制造周期長(zhǎng)，交貨期至少需要半年以上，這還不包括招投標(biāo)和更換工作。因此計(jì)劃對(duì)缺陷進(jìn)行焊接修復(fù)。

2.1 缺陷清除

采用角磨機(jī)、旋轉(zhuǎn)銼等工具進(jìn)行打磨消缺工作，每打磨一定深度后進(jìn)行滲透檢測(cè)，直到無(wú)裂紋顯示為止。缺陷清除后的形貌如圖2所示，尺寸為320 mm×80 mm×70 mm。

圖2 缺陷形貌

2.2 焊前準(zhǔn)備

焊前準(zhǔn)備如下：①參加焊接的焊工，必須具有相應(yīng)考核合格項(xiàng)目的Ⅰ類焊工承擔(dān)；②焊道采用機(jī)械打磨方法清除裂紋缺陷，打磨出金屬光澤。并打磨平緩或加工成具有1∶3及以下坡度的斜坡，并修整成便于焊接的凹槽再進(jìn)行焊接；③確保坡口周?chē)?0 mm范圍內(nèi)應(yīng)是干燥狀態(tài)，清除銹蝕、油污等污物，并打磨出金屬光澤；④焊條焊前需進(jìn)行350 ℃×1 h 烘干處理，烘干后的焊條應(yīng)放在80～120 ℃的保溫筒內(nèi)隨用隨??；⑤焊接預(yù)熱前須將閥體內(nèi)部部件拆除，并將加熱側(cè)的管口進(jìn)行保溫封堵，以確保升降溫不受影響。

2.3 焊接

焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表1。施焊前采用電加熱片對(duì)整個(gè)閥體進(jìn)行包裹加熱，升溫至250 ℃，確保焊接區(qū)兩側(cè)各不少于300 mm范圍內(nèi)溫度在200 ℃以上，采用焊條電弧焊接，層溫控制在200～250 ℃之間。

表1 焊接工藝參數(shù)

采用多層多道焊，焊條不擺動(dòng)，后焊道壓先焊道1/3～1/4，單層焊縫厚度不超過(guò)焊條直徑，收弧時(shí)應(yīng)將焊接弧坑填滿。每條焊縫長(zhǎng)度應(yīng)不大于單根焊條施焊長(zhǎng)度，否則應(yīng)采用逆向分段焊方式，以使應(yīng)力分布合理。除打底層焊道和蓋面焊道外，每一層焊接完成后立即用手錘錘擊均勻敲擊(力度應(yīng)適中)焊縫表面，以減小初始焊接所產(chǎn)生的應(yīng)力，錘時(shí)應(yīng)先錘擊焊道中部，后錘擊兩側(cè)，并要緊湊整齊，避免重復(fù)；同時(shí)用肉眼檢查焊縫表面是否有焊接缺陷，有缺陷打磨消除，無(wú)缺陷繼續(xù)下層次焊接。焊接過(guò)程如圖3所示。焊接工作結(jié)束后，焊工應(yīng)進(jìn)行自檢，清理打磨焊縫表面，使其與閥殼相鄰表面齊平且圓滑過(guò)渡，確認(rèn)表面無(wú)裂紋之后，立即進(jìn)行焊后熱處理工作。

圖3 焊接過(guò)程

2.4 熱處理

熱處理工必須經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，取得資格證書(shū)，持證(有效期內(nèi))上崗。熱處理工穿戴好勞動(dòng)防護(hù)用品，防止?fàn)C傷。至少2人參與作業(yè)。采用程序自控?zé)崽幚頇C(jī)進(jìn)行焊后熱處理按圖4工序流程進(jìn)行。

圖4 焊后熱處理操作流程

加熱片及熱電偶布置如圖5所示，對(duì)閥體鑄件進(jìn)行整體布置加熱，并用保溫棉將閥體整體包覆。焊后熱處理曲線如圖6所示，以60 ℃/h的升溫速率升溫到725 ℃，保溫4 h，然后斷電冷卻到室溫。

圖5 加熱片及熱電偶布置

圖6 焊后熱處理曲線

2.5 質(zhì)量檢驗(yàn)

外觀檢驗(yàn)：補(bǔ)焊區(qū)外觀成形良好，未見(jiàn)裂紋、未熔合、氣孔、夾渣等缺陷。無(wú)損檢測(cè)：對(duì)補(bǔ)焊區(qū)和周?chē)M(jìn)行MT檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)磁痕顯示。理化檢測(cè)：使用便攜式布氏硬度計(jì)對(duì)補(bǔ)焊區(qū)和母材進(jìn)行測(cè)量，補(bǔ)焊區(qū)硬度為245 HBHLD左右，周?chē)覆挠捕戎禐?30 HBHLD左右，組織變化不大。

3 分析與討論

3.1 ZG15Cr1Mo1V焊接性分析

ZG15Cr1Mo1V是一種綜合性能較好的珠光體類耐熱鋼，可在570 ℃以下長(zhǎng)期工作。ZG15Cr1Mo1V的化學(xué)成分見(jiàn)表2，符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10087—2016。但是該鋼在鑄造過(guò)程中容易出現(xiàn)熱裂紋，危害性較大。ZG15Cr1Mo1V鑄件熱處理工藝為：1 050 ℃噴霧+715～725 ℃爐冷，經(jīng)過(guò)性能熱處理后，高溫持久性能優(yōu)良，常溫下沖擊吸收能量為50～80 J[10-11]，韌性偏低，抗裂性較差。

ZG15Cr1Mo1V鋼的焊接性主要包括焊接冷裂紋和熱裂紋。采用國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)及日本JIS推薦的碳當(dāng)量式(1)和式(2)[12]計(jì)算，CE=0.84，Ceq=0.86。

(1)

(2)

碳當(dāng)量在0.45以下時(shí)，焊接冷裂紋傾向較小。ZG15Cr1Mo1V的碳當(dāng)量達(dá)到0.8以上，具有較大的淬硬傾向，極易產(chǎn)生冷裂紋。在Cr-Mo鋼中， Nb，V加入會(huì)增加鋼對(duì)再熱裂紋的敏感性，ZG15Cr1Mo1V鋼具有一定的再熱裂紋傾向。因此，ZG15Cr1Mo1V鋼焊接時(shí)，采用低氫、塑韌性好的焊接材料，通過(guò)焊前預(yù)熱，控制層間溫度和熱輸入，減小熱影響區(qū)的寬度，可有效控制冷裂紋和再熱裂紋的產(chǎn)生。

3.2 焊接修復(fù)要點(diǎn)分析

3.2.1裂紋性質(zhì)判斷

修復(fù)之前要對(duì)鑄件的裂紋性質(zhì)做出判斷，明確開(kāi)裂機(jī)理，對(duì)焊接修復(fù)具有針對(duì)性的指導(dǎo)意義。該次鑄件開(kāi)裂位置為聯(lián)合閥體R角位置，為應(yīng)力集中部位，且開(kāi)裂位置為鑄件原始補(bǔ)焊區(qū)，應(yīng)力開(kāi)裂的可能性較大。

3.2.2補(bǔ)焊的可行性分析

修復(fù)之前要對(duì)缺陷周?chē)哪覆某煞帧⒔M織和性能情況進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)閥體是否具備補(bǔ)焊條件。如果母材組織老化嚴(yán)重，焊接性就非常差，已經(jīng)失去修復(fù)意義。該次修復(fù)閥體母材硬度在140～230 HBHLD之間；母材金相組織為鐵素體+貝氏體，組織老化3級(jí)，具備焊接修復(fù)條件。

3.2.3補(bǔ)焊方法的選擇

目前，鑄件現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)多采用焊條電弧焊或氬弧焊焊接工藝方法。需要綜合分析裂紋的大小和深度、鑄件性能、焊接位置、修復(fù)工期等因素，一般來(lái)說(shuō)，氬弧焊焊縫的抗裂性能要由于焊條電弧焊，這是由于氬弧焊熱輸入小，又有氬氣保護(hù)，焊縫中氣體含量低，焊縫純凈，但是焊接修復(fù)效率低；而焊條電弧焊熱輸入大，焊接效率高，但同時(shí)存在保護(hù)效果不佳，空氣易侵入焊縫造成焊縫不純凈的劣勢(shì)。因此，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況靈活選擇。該次鑄件修復(fù)直接采用焊條電弧焊打底、填充和蓋面，取得良好綜合效果。

3.2.4焊后熱處理效果的控制

該次修復(fù)的中壓聯(lián)合閥體鑄件較大，且閥體上部閥瓣閥芯等部件已拆出，散熱較快。為保證閥體鑄件整體熱處理時(shí)溫度場(chǎng)的均勻性，將閥體內(nèi)部用保溫棉塞滿，同時(shí)將與閥體連接的管道上的閥門(mén)全部關(guān)閉，避免管道內(nèi)部穿堂風(fēng)的影響。為確保升降溫速度均勻，閥體表面整體布置加熱器或加熱繩，確保貼緊閥體并綁扎牢固。熱電偶控溫點(diǎn)布置在焊縫的頂部及兩側(cè)，焊縫對(duì)面及閥體內(nèi)壁位置各設(shè)一個(gè)監(jiān)控溫度點(diǎn)，并與被加熱閥體表面緊密接觸。鑒于鑄件本身的硬度值富余量不大，經(jīng)過(guò)焊后熱處理后勢(shì)必會(huì)下降，故將熱處理溫度選擇在標(biāo)準(zhǔn)要求的下限725 ℃，最大程度減少鑄件性能的下降。

通過(guò)以上操作，確保了整個(gè)鑄件溫度場(chǎng)的均勻性，最大程度的消除了焊接應(yīng)力，同時(shí)最大限度減小了由于溫度場(chǎng)不均勻產(chǎn)生的附加熱應(yīng)力，為鑄件的后續(xù)安全長(zhǎng)周期運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.2.5補(bǔ)焊后質(zhì)量檢驗(yàn)

補(bǔ)焊后要對(duì)補(bǔ)焊區(qū)域質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，如磁粉、超聲、硬度、金相等。這也是對(duì)修復(fù)工藝的可行性和質(zhì)量的檢查，同時(shí)對(duì)修復(fù)區(qū)域后續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。該次修復(fù)磁粉檢驗(yàn)合格，表面無(wú)裂紋；超聲檢測(cè)受限，無(wú)法實(shí)施；焊縫硬度為245 HBHLD，周?chē)覆挠捕认噍^于補(bǔ)焊前略有下降，但已經(jīng)低于標(biāo)準(zhǔn)要求下限，鑒于金相組織正常，老化3級(jí)左右，且壁厚大于最小計(jì)算壁厚，可監(jiān)督運(yùn)行。

4 結(jié)論

(1)大型鑄件用ZG15Cr1Mo1V鋼的焊接性較差，鑄件母材韌性不高，對(duì)焊接工藝要求比較嚴(yán)格，焊接時(shí)宜采用小熱輸入，薄焊道，合適的預(yù)熱及層間溫度及合理的焊后熱處理參數(shù)。

(2)采用同材質(zhì)熱補(bǔ)焊的工藝方法，同時(shí)進(jìn)行整體熱處理方式，成功修復(fù)了某電廠中壓再熱聯(lián)合調(diào)閥ZG15Cr1Mo1V鋼鑄件，至今已安全運(yùn)行4年。