魏利輝，梁恩寶，張濤濤，朱 平,馬延峰，王 鋒

(1.神華國(guó)華孟津發(fā)電有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471112；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

汽輪機(jī)汽缸、閥門(mén)等大厚壁鑄鋼件在運(yùn)行時(shí)，除了承受較大的工作應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力外，還承受熱應(yīng)力及疲勞應(yīng)力等，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期服役后，其本體表面或內(nèi)部均可能出現(xiàn)裂紋，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。因此，一旦發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)及時(shí)處理，以消除安全隱患。

某600 MW 超臨界機(jī)組1A 側(cè)高壓聯(lián)合汽門(mén)由日本富士公司生產(chǎn)制造，設(shè)計(jì)溫度546 ℃，設(shè)計(jì)壓力28.9 MPa，閥體材料為GS-17CrMoV511 鋼，本體最薄處壁厚約220 mm，最厚處約350 mm，于2011 年投入運(yùn)行使用。2021 年春季檢修期間，發(fā)現(xiàn)該高壓聯(lián)合汽門(mén)主汽出口導(dǎo)管內(nèi)壁存在3 條肉眼可見(jiàn)的裂紋缺陷，同時(shí)經(jīng)超聲檢測(cè)確認(rèn)，裂紋最大深度約75 mm，需要對(duì)其進(jìn)行焊接修復(fù)。

1 修復(fù)的難點(diǎn)與風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)于汽輪機(jī)鑄鋼件的修復(fù)，可根據(jù)缺陷的深度、大小、分布位置等特征，按照DL/T 753—2015《汽輪機(jī)鑄鋼件補(bǔ)焊技術(shù)導(dǎo)則》要求采用同質(zhì)熱焊法或異質(zhì)冷焊法進(jìn)行補(bǔ)焊。由于該高壓聯(lián)合汽門(mén)裂紋在機(jī)械打磨消除后，形成的坡口尺寸較大(最深約75 mm，最長(zhǎng)約240 mm)、形狀不規(guī)則，且由于機(jī)組需參與深度調(diào)峰，采用異質(zhì)冷焊法形成的焊接接頭很可能因材料間熱膨脹系數(shù)不同及碳元素?cái)U(kuò)散遷移問(wèn)題而出現(xiàn)早期開(kāi)裂[1]。因此，為了獲得更加安全可靠的焊接接頭，采用同材質(zhì)熱焊法進(jìn)行修復(fù)。該閥門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)面臨著以下問(wèn)題。

(1) 管道異物。該高壓聯(lián)合汽閥連接著主管道、疏水管道等管道，內(nèi)部正下方共有5 個(gè)孔徑不等的管孔。在進(jìn)行內(nèi)壁裂紋修復(fù)時(shí)，如對(duì)管孔封堵不嚴(yán)，存在著焊條頭、焊渣、保溫棉、陶瓷片等異物落入管道的風(fēng)險(xiǎn)。如有異物進(jìn)入管道，必須進(jìn)行割管才能將其清理干凈。

(2) 裂紋擴(kuò)展。由于裂紋分布在內(nèi)壁且深度很大，其所在位置孔徑較小(僅300 mm)，無(wú)法進(jìn)行鉆削止裂孔,在進(jìn)行機(jī)械打磨時(shí)，裂紋可能會(huì)發(fā)生擴(kuò)展。

(3) 閥座密封面損傷。裂紋所在位置附近安裝了不可拆卸的閥座，裂紋距離閥座密封面僅300 mm，且由于操作空間的限制，不能采用鎢極氬弧焊，僅能采用焊條電弧焊。焊條電弧焊在焊接時(shí)產(chǎn)生的飛濺較大，會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷閥座密封面。

(4) 焊接冷裂紋。 閥體材質(zhì)為GS-17CrMoV511 鋼，屬于珠光體耐熱鋼。根據(jù)碳當(dāng)量公式進(jìn)行計(jì)算，其碳當(dāng)量在0.66 %～0.98 %之間，焊后易形成淬硬組織，導(dǎo)致冷裂紋出現(xiàn)。

(5) 熱處理升溫效果。由于修復(fù)區(qū)域的壁厚較大(220 mm)，閥門(mén)形狀不規(guī)則，且內(nèi)壁修復(fù)區(qū)域附近存在著厚度較小的閥座，而無(wú)法放置加熱器，采用常規(guī)的加熱方法很難將修復(fù)區(qū)域加熱至720～750 ℃的熱處理溫度區(qū)間。

(6) 再熱裂紋。再熱裂紋通常產(chǎn)生在熔合線附近的粗晶區(qū)中，從焊趾部位開(kāi)始，延向細(xì)晶區(qū)停止。GS-17CrMoV511 鋼中的Cr，Mo，V 等元素會(huì)促使形成再熱裂紋，其再熱裂紋溫度敏感區(qū)間為640～760 ℃，最敏感溫度點(diǎn)為690 ℃[2]。因此，在焊后熱處理時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生再熱裂紋。

(7) 閥門(mén)本體變形。該聯(lián)合汽門(mén)通過(guò)調(diào)門(mén)端的大螺母與高壓缸相連接，高壓缸整體返廠檢修，導(dǎo)致聯(lián)合汽門(mén)調(diào)門(mén)端懸空。在焊后熱處理時(shí)，閥門(mén)修復(fù)區(qū)會(huì)因溫度升高而出現(xiàn)強(qiáng)度大幅下降的情況，調(diào)門(mén)側(cè)的重力可能會(huì)導(dǎo)致閥門(mén)本體產(chǎn)生不可逆的塑性變形，最終影響閥門(mén)與高壓缸連接的密封性。

因此，該聯(lián)合汽門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)存在著較大困難，必須針對(duì)性地制定有效的技術(shù)措施，以降低風(fēng)險(xiǎn)。

2 現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)過(guò)程

2.1 修復(fù)前準(zhǔn)備

針對(duì)上述異物、加熱、本體變形等問(wèn)題，修復(fù)前做好相關(guān)措施。

(1) 通過(guò)在管孔粘貼耐高溫膠帶并覆蓋鐵皮和保溫棉的方法，對(duì)閥門(mén)內(nèi)部的管孔進(jìn)行封堵，以保證修復(fù)全過(guò)程產(chǎn)生的廢料和使用的材料、工器具等不落入管孔。

(2) 通過(guò)在閥座內(nèi)孔整圈鋪設(shè)保溫棉，并在密封面表面粘貼耐高溫膠帶的方法，對(duì)閥座密封面進(jìn)行保護(hù)，防止機(jī)械打磨和焊接過(guò)程中損傷到密封面。

(3) 通過(guò)在調(diào)門(mén)下方增加支撐性鋼梁的方法，對(duì)閥門(mén)進(jìn)行上下方向的固定，以防止熱處理時(shí)因重力導(dǎo)致超標(biāo)變形。

2.2 消除裂紋

采用機(jī)械打磨的方法進(jìn)行裂紋消除，為了防止裂紋在打磨過(guò)程中出現(xiàn)擴(kuò)展，應(yīng)先打磨裂紋兩端再打磨中間。打磨裂紋時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行目視檢查和滲透檢測(cè)，以避免過(guò)多的打磨，并進(jìn)行坡口的修整，保證坡口單邊斜度不小于10°，根部圓角大于5 mm，以利于后續(xù)的打磨和焊接。通過(guò)滲透檢測(cè)的方法確認(rèn)裂紋已完全清除后，及時(shí)清除滲透劑、顯像劑及氧化皮等影響焊接質(zhì)量的雜質(zhì)，使待焊坡口表面露出金屬光澤。

2.3 焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱不僅可以有效防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生，而且可以降低焊接區(qū)域的溫度梯度，從而降低焊接接頭的應(yīng)力，因此，采用內(nèi)外壁同時(shí)電加熱的方法進(jìn)行充分的預(yù)熱。內(nèi)壁的預(yù)熱器在焊接時(shí)移出，外壁的預(yù)熱器在整個(gè)焊接過(guò)程持續(xù)進(jìn)行通電加熱。由于聯(lián)合汽門(mén)壁厚較大，為了保證焊接坡口溫度能達(dá)到工藝要求的200～300 ℃，外壁的預(yù)熱溫度控制在300～400 ℃。

2.4 焊接

內(nèi)壁的預(yù)熱溫度達(dá)到200 ℃并至少恒溫4 h，方可進(jìn)行焊接。焊接方法選用操作靈活的焊條電弧焊，焊材選用超低氫、高韌性、等匹配的R317L焊條。焊接時(shí)，除打底焊和蓋面焊外，每焊完一道，及時(shí)趁熱對(duì)焊道進(jìn)行錘擊處理，以降低焊接殘余應(yīng)力。同時(shí)，每層焊接完成后進(jìn)行機(jī)械打磨和目視檢查，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)夾渣、氣孔、裂紋等焊接缺陷。

2.5 后熱消氫

該閥門(mén)的修復(fù)屬于受限空間和高溫環(huán)境條件下作業(yè)，裂紋數(shù)量多，焊接工作量大，修復(fù)過(guò)程需持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，且熱處理時(shí)加熱片布置時(shí)間也較長(zhǎng)，因此，焊接完成后不具備立即進(jìn)行焊后熱處理的條件。為了防止氫致裂紋的產(chǎn)生，在每個(gè)坡口焊接完成后，及時(shí)進(jìn)行350 ℃的后熱消氫處理。

2.6 焊后熱處理

(1) 溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)。由于閥門(mén)壁厚較大，焊后熱處理時(shí)，應(yīng)通過(guò)設(shè)計(jì)溫度場(chǎng)的分布來(lái)提高加熱效果，并盡可能減小閥門(mén)的變形和溫度梯度：內(nèi)外壁同時(shí)進(jìn)行電加熱；僅將焊接修復(fù)區(qū)整圈加熱至熱處理的高溫溫度區(qū)間，其他區(qū)域只進(jìn)行中高溫輔助加熱；增加535 ℃中間恒溫的階梯型加熱；適當(dāng)提高在再熱裂紋溫度敏感區(qū)間的升降溫速度。熱處理工藝曲線如圖1 所示?？走M(jìn)行封堵。

圖2 內(nèi)壁熱電偶分布示意

圖3 外壁熱電偶分布示意

圖1 焊后熱處理工藝曲線

(2) 熱電偶布置。焊后熱處理時(shí)采用點(diǎn)焊式熱電偶，內(nèi)外熱電偶的分布如圖2，3 所示。其中，1，3，6，8，9，10，11，13，15，16，17，18，19，20 號(hào)為控溫?zé)犭娕?，其余為監(jiān)控?zé)犭娕肌?/p>

(3) 加熱器布置。閥門(mén)修復(fù)區(qū)內(nèi)壁上下各布置1 片5 kW 的片狀加熱器進(jìn)行高溫加熱；閥門(mén)修復(fù)區(qū)外壁整圈均勻布置4 片5 kW 的片狀加熱器進(jìn)行高溫加熱；補(bǔ)焊區(qū)外壁兩側(cè)區(qū)域整圈各纏繞1 條20 kW 的繩狀加熱器進(jìn)行中高溫輔助加熱；其他區(qū)域布置片狀加熱器進(jìn)行中溫輔助加熱。

(4) 保溫棉布置。保溫棉鋪設(shè)的寬度除覆蓋加熱器外，應(yīng)加寬200 ～300 mm，保溫棉鋪設(shè)的厚度應(yīng)不小于100 mm。為了降低溫度梯度和保證加熱效果，熱處理時(shí)將閥門(mén)外壁整體包裹，內(nèi)壁將管

3 檢測(cè)驗(yàn)收

焊后熱處理完成并冷卻至室溫24 h 后，機(jī)械打磨補(bǔ)焊焊縫表面，并平滑過(guò)渡到閥體母材，然后對(duì)補(bǔ)焊焊縫進(jìn)行滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，對(duì)閥門(mén)外壁進(jìn)行了磁粉檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)異常情況。采用便攜式硬度計(jì)對(duì)補(bǔ)焊焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)，焊縫硬度約220 HBW，附近母材約160 HBW，滿(mǎn)足DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)則》中相關(guān)要求。

此外，對(duì)閥門(mén)相連接管道進(jìn)行了內(nèi)窺鏡檢查，未發(fā)現(xiàn)異物落入；對(duì)閥座密封面進(jìn)行了檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)密封面出現(xiàn)損傷；高壓聯(lián)合汽閥與高壓缸裝配連接時(shí)未見(jiàn)異常。

4 結(jié)論

對(duì)某600 MW 超臨界機(jī)組高壓聯(lián)合汽門(mén)現(xiàn)場(chǎng)熱焊法修復(fù)的難度和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，并針對(duì)性地制定了相應(yīng)的技術(shù)措施，通過(guò)“機(jī)械打磨消缺+同材質(zhì)焊接+局部焊后熱處理”的方法成功對(duì)其進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)焊接修復(fù)，消除了設(shè)備存在的安全隱患，避免了更換新閥而導(dǎo)致的高成本、長(zhǎng)工期，保證了機(jī)組正常的電力安全生產(chǎn)，可為同類(lèi)型閥門(mén)缺陷的處理提供借鑒。