中海油深圳電力有限公司 劉洪文 向紹軍 東莞市華鑫激光科技有限公司 羅雄光

由于近40年來(lái)，世界范圍內(nèi)天然氣的大規(guī)模開(kāi)發(fā)，燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電在電力工業(yè)行業(yè)所占地位已經(jīng)越來(lái)越重要。而隨著當(dāng)今社會(huì)用電量需求的增加，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)單機(jī)發(fā)電功率的要求逐年增長(zhǎng)，使得對(duì)缸體厚度要求越來(lái)越高、其對(duì)自身產(chǎn)生的熱應(yīng)力也隨之增大，最終也加劇了變形、熱疲勞及裂紋的生成。

本維修方案嘗試使用機(jī)械固定與焊接修復(fù)相結(jié)合的修復(fù)方案，解決了大型透平缸鑄鐵材質(zhì)因溫度變化大導(dǎo)致焊接后穩(wěn)定性差、易重復(fù)開(kāi)裂的難題。修復(fù)過(guò)程中加入了超聲波去應(yīng)力方案，進(jìn)一步穩(wěn)定了焊接質(zhì)量。本次修復(fù)對(duì)常規(guī)的裂紋修復(fù)方案進(jìn)行優(yōu)化，將原本的焊接修復(fù)、支撐固定修復(fù)相結(jié)合，優(yōu)化焊接前準(zhǔn)備細(xì)節(jié)、增加了超聲波去應(yīng)力方案、焊后熱處理方案，保證了透平缸裂紋修復(fù)的質(zhì)量。

1 透平缸裂紋及維修方案

本次維修透平缸為美國(guó)GE 生產(chǎn)的燃汽輪機(jī)重要部件，此燃汽輪機(jī)使用已達(dá)17年，年限較久，機(jī)組啟停頻繁。在2021年11月大修檢查中發(fā)現(xiàn)，透平缸上半缸垂直法蘭左側(cè)和右側(cè)靠中分面約25mm～30mm 的地方各有1條長(zhǎng)約240mm×深約100mm 的貫穿性裂紋，如圖1所示。裂紋覆蓋范圍較大，貫穿透平缸截面約2/3區(qū)域且為貫穿性裂紋，具有較大風(fēng)險(xiǎn)性。為盡快恢復(fù)運(yùn)行，盡可能延長(zhǎng)燃?xì)廨啓C(jī)使用壽命，我司對(duì)焊接修復(fù)方案進(jìn)行優(yōu)化，在保證清除裂紋缺陷的同時(shí)提升修復(fù)處抗冷熱疲勞應(yīng)力的性能。

圖1 透平缸裂紋

據(jù)燃汽輪機(jī)透平缸出現(xiàn)貫穿性裂紋的形貌，分析可能產(chǎn)生裂紋缺陷的原因如下：此燃汽輪機(jī)使用已達(dá)17年，年限較久，機(jī)組啟停頻繁，缸體長(zhǎng)期處于冷熱交替的使用工況，加劇缸體母材的疲勞速度，導(dǎo)致裂紋的萌生；燃汽輪機(jī)使用時(shí)間比較長(zhǎng)后，均會(huì)出現(xiàn)排汽缸、透平缸和燃燒室的缸體相接合的側(cè)面間隙超標(biāo)情況，透平缸R(shí) 位有螺栓鎖固透平缸的下缸缸面以及排汽缸和燃燒室的側(cè)面缸面，是應(yīng)力最集中的地方，若與排汽缸和燃燒室的間隙超標(biāo)較嚴(yán)重，長(zhǎng)期受螺栓拉扯力度的影響，加速產(chǎn)生透平缸的裂紋形成；機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后，機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)也會(huì)加劇缸體裂紋的形成。

本項(xiàng)目維修關(guān)鍵點(diǎn)在于：裂紋橫跨范圍較廣、裂紋深度較深，材料為球墨鑄鐵可焊性較差；透平缸工作環(huán)境冷熱疲勞較大，焊后穩(wěn)定性較差?，F(xiàn)結(jié)合理論數(shù)據(jù)與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)提出以下方案：架設(shè)缸體支撐，以接近常態(tài)合缸環(huán)境狀態(tài)修復(fù)；清理裂紋，制備雙U 型坡口預(yù)備焊接修復(fù)；深裂紋中部通過(guò)沉頭螺絲固定支撐，通過(guò)機(jī)械固定輔助焊接修復(fù)，雙面焊接包裹沉頭螺絲裸露區(qū)域，實(shí)現(xiàn)“加強(qiáng)筋”左右；焊后外部施加加固，穩(wěn)定敏感外端及底部端面，同時(shí)作為預(yù)防手段，直觀警示修復(fù)后穩(wěn)定情況。綜合評(píng)估各方面因素，經(jīng)前期工藝評(píng)定合格后，透平缸大型裂紋（結(jié)合面底腳全貫穿超2/3）焊接修復(fù)，為行業(yè)內(nèi)首次嘗試，解決了此類(lèi)缺陷級(jí)別此前不能維修或讓步維修的行業(yè)難題。

圖2 工藝流程

2 關(guān)鍵點(diǎn)工藝評(píng)定

選用補(bǔ)焊材料：MAGNA-777鑄鐵焊。選材優(yōu)點(diǎn)：修復(fù)選材與母材相似，性能相匹配；MAGNA-777焊條是一種新型的鑄鐵焊條，它使用高級(jí)先進(jìn)的“雙芯”制造方法，當(dāng)使用AC 電流時(shí)甚至在困難的電流載荷條件下能完全消除焊條過(guò)熱的可能。雙芯設(shè)計(jì)的獨(dú)特溫度控制特性可提供更均勻的熱輸出和熔覆金屬流動(dòng)以改善焊縫形成并消除焊接飛濺；AGNA-777鑄鐵焊條包有一層特殊合金化和礦物質(zhì)的藥皮，這層藥皮給淬火和回火狀態(tài)的熱作和冷作用的工件增加表面耐磨性；MAGNA-777鑄鐵焊條的焊接處容易機(jī)械加工并且抗裂性能好，能夠應(yīng)用于大多數(shù)類(lèi)型的鑄鐵，包括灰口鑄鐵、球墨鑄鐵等。

實(shí)驗(yàn)方案：拉伸實(shí)驗(yàn)。采用球墨鑄鐵板251×300×50（mm），開(kāi)上底39×下底13×高13（mm）的梯形槽，MAGNA-777鑄鐵焊模擬堆焊后制備φ10×250（mm）棒材進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)（圖3）；金相實(shí)驗(yàn)。采用球墨鑄鐵板80×100×20（mm），居中采用MAGNA-777鑄鐵焊接70×90（mm）共2層的合金塊，隨機(jī)分布取樣10×10×10方塊6組制作鑲塊，進(jìn)行金相觀察（圖4）；選用此種焊條后進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，檢測(cè)其焊后狀態(tài)及抗拉伸程度：金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)結(jié)合性較好，焊層、結(jié)合層與球墨鑄鐵基材均無(wú)缺陷（圖4），試焊后抗拉性能抗拉強(qiáng)度為365MPa，與原球墨鑄鐵母材抗拉強(qiáng)度379MPa 相近（標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)抗拉強(qiáng)度為400MPa），見(jiàn)圖5、圖6。采用特種焊接進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)，焊接參數(shù)如表1。

圖3 拉伸實(shí)驗(yàn)步驟

圖4 球墨鑄鐵焊接試塊金相

圖5 球墨鑄鐵母材抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

圖6 球墨鑄鐵焊條焊后抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

表1 透平缸裂紋缺陷補(bǔ)焊焊接參數(shù)

3 修復(fù)過(guò)程控制

修復(fù)前檢查：施工前對(duì)透平缸裂紋缺陷處的尺寸測(cè)量；施工前對(duì)透平缸下缸平面及側(cè)面平面度檢查；施工前對(duì)透平缸配合的排汽缸、燃燒室側(cè)面平面度檢查。

裂紋缺陷清理及坡口處理：用砂輪或內(nèi)磨機(jī)機(jī)械打磨去除透平缸裂紋缺陷，打磨過(guò)程中隨時(shí)進(jìn)行自檢，以避免過(guò)多的打磨量；對(duì)修復(fù)位置打磨進(jìn)行U 型坡口制備，先從正面開(kāi)深度50mm 的U 型坡口，上口約30～35mm，打磨待焊區(qū)域避免產(chǎn)生陡坡和夾溝，以便有利焊接操作，同時(shí)要求修復(fù)區(qū)域及U 型坡口邊緣10～15mm 內(nèi)仔細(xì)清理氧化皮、銹斑和油污，直至露出金屬光澤，不允許影響焊接質(zhì)量的污物存在。待正面坡口堆焊完畢后，再?gòu)姆疵骈_(kāi)同樣的坡口進(jìn)行堆焊。

焊前檢查：U 型坡口制備完成后，采用滲透檢測(cè)的方法檢測(cè)坡口無(wú)超標(biāo)缺陷，檢測(cè)范圍包括坡口內(nèi)及坡口周?chē)覆?0～15mm 范圍（圖7）；焊前預(yù)熱：為了防止母材熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋，焊接打底層時(shí)進(jìn)行焊前預(yù)熱，采用氧乙炔中性火焰對(duì)待焊坡口及周?chē)?00mm 區(qū)域進(jìn)行局部預(yù)熱，保持火焰焰心距離工件10mm 以上，均勻加熱。采用數(shù)字式遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫，預(yù)熱溫度控制在70～80℃。

圖7 U 型坡口無(wú)損檢測(cè)無(wú)缺陷

焊接質(zhì)量控制：達(dá)到預(yù)熱溫度后，先在整個(gè)坡口表面先焊接一層熔敷層，然后采用機(jī)械打磨的方法將熔敷層打磨約1/2厚度，然后采用同樣的方式焊接第二層熔覆層，打磨平整，總體厚度控制在3～5mm，熔覆層外邊緣要略高于母材（留出打磨余量），然后進(jìn)行填充層的焊接，填充層焊接時(shí)焊縫不可接觸本體母材。填充層焊接時(shí)，為了防止焊接熱裂紋的產(chǎn)生，嚴(yán)格控制層間溫度不高于130℃。

應(yīng)力消除：填充層采用錘擊的方式，趁紅熱狀態(tài)下立即進(jìn)行錘擊來(lái)釋放應(yīng)力；每焊一段長(zhǎng)約100mm,用超聲波消應(yīng)力機(jī)進(jìn)行應(yīng)力消除；采用焊條特種焊接時(shí)，單層焊縫金屬厚度以不超過(guò)焊接材料直徑為宜；焊接過(guò)程中采用跳焊、退焊、窄焊道、不橫向擺動(dòng)、快速焊等方式，焊道搭接量不少于1/3，層間收弧位置錯(cuò)開(kāi),最后一道（層）蓋面焊縫應(yīng)圓滑過(guò)渡到熔敷層；每焊一層用風(fēng)磨機(jī)對(duì)焊道表面進(jìn)行打磨并露出金屬光澤，逐層進(jìn)行檢查焊接缺陷（氣孔，裂紋），經(jīng)自檢合格后，方可焊接次層，直至完成，重點(diǎn)檢查收弧位置，發(fā)現(xiàn)弧坑裂紋，立即打磨清除,重新返焊；層間焊縫的清理、缺陷的處理均采用機(jī)械打磨的方式，用角磨機(jī)、鋼絲刷、鋸條、尖鏟、扁鏟等工具徹底清理焊渣及飛濺，特別是焊縫接頭處和坡口邊緣處；焊接過(guò)程中應(yīng)注意盡量使焊道平滑過(guò)渡，便于清渣和避免出現(xiàn)“死角”，填充蓋面時(shí)焊縫與母材應(yīng)圓滑過(guò)渡、收弧處弧坑飽滿(mǎn)，接頭熔合良好,不要將電弧移至基材上熄??；焊縫整體焊接完畢，焊工必須進(jìn)行自檢，并用砂輪機(jī)、鋼絲刷將焊縫表面焊渣、飛濺清理干凈。

圖8 焊層排布示意圖；超聲波應(yīng)力去除設(shè)備

焊后熱處理：裂紋焊接完成后，進(jìn)行焊縫以及周?chē)?00MM 的局部熱處理到350℃，用保溫棉包裹修復(fù)區(qū)域及周邊區(qū)域，使其緩冷至室溫；焊后打磨：冷卻至室溫后進(jìn)行打磨，打磨至焊縫表面平整，高度不低于母材，圓滑過(guò)渡到基體；鉆孔（修孔）：透平缸裂紋補(bǔ)焊處的螺栓孔重新鉆孔處理，鉆孔孔徑配合甲方提供的螺栓；焊接加固：為了保證防止透平缸原裂紋缺陷處再次出現(xiàn)裂紋，再透平缸裂紋補(bǔ)焊表面用高強(qiáng)度鋼板，高強(qiáng)度螺絲進(jìn)行加固處理（如圖9所示）。

圖9 鋼板加固

平整度修研：由于透平缸R(shí) 位貫穿性裂紋，補(bǔ)焊量很大，避免焊接引起的變形，補(bǔ)焊修復(fù)完工后需對(duì)透平缸的下平面缸面及側(cè)面缸面的平整度用平面尺進(jìn)行平面度檢查，若平整度超標(biāo)，尚需對(duì)缸面進(jìn)行平整度修研，至到平面度到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)范圍以?xún)?nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

優(yōu)化球墨鑄鐵材質(zhì)的透平缸大型裂紋修復(fù)方案能為電力行業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，具有較大意義。本次透平缸裂紋缺陷修復(fù)，通過(guò)細(xì)化焊接工序、優(yōu)化減少焊縫受冷熱疲勞應(yīng)力的影響、超聲波去除焊接中積累的應(yīng)力，最終達(dá)到延長(zhǎng)焊接質(zhì)量及穩(wěn)定周期目的。