馬寶國，劉杰，王文軒

（國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司煤制油化工安裝檢修分公司，寧夏 寧東 750411）

所研究機(jī)組汽輪機(jī)由德國西門子制造，其缸體通過鑄造成型。機(jī)組主要參數(shù)見表1。

表1 機(jī)組主要參數(shù)

該汽輪機(jī)缸體在拆除過程中，需要對法蘭墊片進(jìn)行切割，若切割方式不當(dāng)或者經(jīng)驗(yàn)欠缺，容易導(dǎo)致法蘭密封面損傷，該機(jī)組汽輪機(jī)缸體在舊墊片拆除后，安裝時(shí)需將新墊片與法蘭焊接，屬于異種鋼焊接。法蘭材料為G17CrMoV5-10，墊片材料為F91，兩種成分組織差異較大，容易出現(xiàn)裂紋,且按照相關(guān)焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)F91 常規(guī)焊接中需要熱處理，這給實(shí)際的維護(hù)過程帶來了很大的困難。本文將分析兩種材料的可焊性，結(jié)合具體的施工條件，選擇合適的焊材，最后確定合適的焊接工藝。

1 母材焊接性分析

1.1 G17CrMoV5-10 焊接性分析

G17CrMoV5-10 是一種貝氏體耐熱鋼，以鉻為主要合金元素，并添加一定的鉬，鉻和鉬元素的加入可以有效提高鋼的高溫強(qiáng)度，釩的加入使鋼具有一定的抗氧化性。此外，鉻和鉬還提高了鋼的淬透性，在修復(fù)焊接過程中容易產(chǎn)生硬脆的馬氏體組織，并產(chǎn)生較高的內(nèi)應(yīng)力，焊接時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。G17CrMoV5-10母材的化學(xué)成分見表2。

表2 G17CrMoV5-10 的化學(xué)成分(V%)

根據(jù)IIW（國際焊接學(xué)會）推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式：W(C)=w(C)+l/6w(Mn)+l/5[w(Cr)+w(Mo)+w(V)]+l/15[w(Ni)+w(Cu)](%)。

G17CrMoV5-10 室溫碳當(dāng)量計(jì)算在0.69%～0.95%。當(dāng)碳當(dāng)量Ce 時(shí)≤0.4%的焊接性好；當(dāng)碳當(dāng)量Ce 在0.4%～0.6%時(shí)，焊接性稍差，焊接前需要適當(dāng)?shù)念A(yù)熱；當(dāng)碳當(dāng)量Ce ≥0.6%焊接性差時(shí)，是一種難以焊接的材料，需要較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝方法。G17CrMoV5-10 的碳當(dāng)量大于0.6%，表明該鋼種硬化傾向大，冷裂敏感性大，焊接時(shí)，應(yīng)采取措施防止裂紋。

1.2 F91 焊接性分析

F91 鋼是美國在20 世紀(jì)70 年代開發(fā)的一種熱強(qiáng)度鋼，用于火力發(fā)電廠的鍋爐蒸汽管道、導(dǎo)管、再熱器、集熱箱等高溫部件。相關(guān)研究表明，F(xiàn)91 鋼TIG 焊接接頭在600℃下1000 小時(shí)的最大持久強(qiáng)度可達(dá)122MPa，焊縫在600℃下的高溫持久強(qiáng)度甚至優(yōu)于國產(chǎn)P91 鋼。F91 鋼有較大的硬化和冷裂傾向，焊接時(shí)可能出現(xiàn)冷裂紋和熱裂紋。因此，鋼在常規(guī)焊接前需要預(yù)熱，焊接后需要熱處理。其化學(xué)成分及性能要求見表3。根據(jù)國際焊接學(xué)會推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式，計(jì)算出F91 的碳當(dāng)量為1.96%～2.38%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.6%，表明該鋼具有相當(dāng)大的硬化傾向，對冷裂紋的敏感性非常高。是一種金屬材料，焊接性比G17CrMoV5-10 差。

2 焊接工藝的確定

根據(jù)母材焊接性的分析，該兩種鋼焊接性均比較差，因此焊接工藝及相關(guān)技術(shù)參數(shù)要求比較苛刻。如何選擇焊接工藝是保證設(shè)備長周期運(yùn)行的首要任務(wù)，根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，目前現(xiàn)場的鑄鋼補(bǔ)焊修復(fù)方法有三種，即熱焊、同質(zhì)冷焊、異質(zhì)冷焊。熱焊即屬于常規(guī)的焊接，需要進(jìn)行焊接前預(yù)熱，焊后進(jìn)行熱處理。異質(zhì)冷焊是在較低的預(yù)熱溫度下，采用與母材成分不同的焊接材料進(jìn)行焊接，一般不需焊后熱處理的補(bǔ)焊方法。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，異質(zhì)冷焊的焊材要對焊縫周圍母材的焊接應(yīng)力具有一定的補(bǔ)償作用，優(yōu)于同質(zhì)冷焊，故該部位較為適合的工藝為異質(zhì)冷焊。

2.1 焊前準(zhǔn)備

更換密封墊片時(shí)，操作人員要提前熟悉該部位設(shè)備的結(jié)構(gòu)，否則，容易在切割舊密封墊片時(shí)，將汽輪機(jī)法蘭面割傷，在本次檢修實(shí)踐中，就出現(xiàn)了這樣的情況，給檢修工作帶了不必要的麻煩。故在切割時(shí)，切割機(jī)的切片不能靠近汽輪機(jī)法蘭密封面，切片與法蘭面保持平行且留有1 ～2mm 的距離，切割完成后，再將殘留在法蘭面上的原焊縫金屬打磨干凈，采用機(jī)械的方法打磨切割，直至露出金屬光澤為宜。其次，焊接前將被焊部位兩側(cè)母材各25mm 寬的范圍內(nèi)的油污等徹底清除干凈。預(yù)熱可采用熱電偶加熱，也可采用火焰預(yù)熱，需要提前準(zhǔn)備足量的氧乙炔。測溫可以采用遠(yuǎn)紅外或激光測溫儀，當(dāng)采用火焰局部預(yù)熱時(shí)，宜釆用便攜式紅外測溫儀測溫。

2.2 焊接方法及焊材

焊接方法選擇應(yīng)綜合考慮焊接質(zhì)量保證的難易程度、現(xiàn)場工藝的可操作性，應(yīng)選擇過程控制方便，焊接應(yīng)力及變形較小，施工成本較低，容易實(shí)施的焊接方法。本次檢修案例中，法蘭密封面割傷后，焊接后應(yīng)該進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，考慮到法蘭較厚，且會將預(yù)先固定的螺栓一并進(jìn)行熱處理，對螺栓的組織性能產(chǎn)生較大的影響，故采用熱焊法整體熱處理不適用于本次法蘭面修復(fù)及墊片密封焊接，選擇異質(zhì)冷焊法對法蘭面進(jìn)行修復(fù)。焊前需要預(yù)熱80 ～150℃。焊材選擇抗裂性能較好的ERNiCrFe-3 焊絲，焊絲的成分如表4 所示，該焊絲Ni含量高達(dá)68%，特別合適異種鋼的焊接。焊接方法采用鎢極氬弧焊焊接，可以在不影響密封性能的同時(shí)，減少熱量輸入，防止法蘭變形。

表4 ERNiCrFe-3 焊絲的成分

2.3 焊接工藝參數(shù)

當(dāng)焊接方法及焊材確定后，其他的焊接工藝參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場檢修實(shí)際可以確定，這個(gè)切痕較小，法蘭切痕的補(bǔ)焊與墊片與法蘭的焊接采用相同的焊接工藝。密封焊焊接厚度3mm，焊接層數(shù)為2 層，故可以選擇常用的直徑為2.0mm 的鎢極。焊接電流根據(jù)鎢極的直徑來選擇，本次檢修電流為120 ～135A，保護(hù)氣體為純度99.99%的氬氣，流量可以設(shè)定為15 ～18L/min.具體焊接工藝參數(shù)見表5。

表5 焊接工藝參數(shù)

2.4 焊接過程

2.4.1 焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱方式應(yīng)根據(jù)鑄鋼件材料、焊接位置及確定的補(bǔ)焊工藝方法等確定，本次采用局部預(yù)熱火焰加熱方式，焰心至工件的距離應(yīng)在10mm 以上，火焰噴嘴的移動速度應(yīng)保持穩(wěn)定，不得在一個(gè)位置長期停留，當(dāng)使用多個(gè)噴嘴進(jìn)行加熱時(shí)，宜對稱布置，均勻加熱，在預(yù)熱的過程中，使用紅外線測溫儀進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)溫度達(dá)到要求值時(shí)再開始焊接作業(yè)。

2.4.2 道間溫度控制

異質(zhì)冷焊修復(fù)鑄鋼件時(shí)，道間溫度不宜高于150℃，采用紅外線測溫儀一直檢測，若溫度超過150℃時(shí)，則立即停止施焊，等溫度降下來再開始進(jìn)行焊接。法蘭與墊片密封焊接時(shí)，可采用同樣的方法控制溫度。

2.5 焊后檢驗(yàn)

焊縫區(qū)應(yīng)進(jìn)行100%外觀檢驗(yàn)，焊縫區(qū)不允許存在裂紋、未熔合、未焊透、氣孔、夾渣等缺陷。因?yàn)楸敬魏附硬课豢臻g位置狹小，無法開展射線及超聲波檢測，故應(yīng)對焊接區(qū)和周圍母材進(jìn)行表面無損檢測，本次檢修完成后對焊接區(qū)域采用了滲透檢測，未發(fā)現(xiàn)有任何表面缺陷，均達(dá)到I 級合格標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

本次汽輪機(jī)缸體法蘭面補(bǔ)焊修復(fù)及密封墊片焊接采用了異質(zhì)冷焊法，該方法焊接的焊縫目前運(yùn)行已超過一年，運(yùn)行狀況良好。此方法在汽輪機(jī)缸體法蘭面的修復(fù)補(bǔ)焊中應(yīng)用效果良好，短期對法蘭面進(jìn)行了修復(fù)，為企業(yè)節(jié)約了大量成本。實(shí)踐說明，G17CrMoV5-10 和F91 兩種材料都具有較差的焊接性能,但采用異質(zhì)冷焊法，選擇具有良好焊接性的ERNiCrFe-3 焊材，能夠保證焊接的使用性能。