淺析汽輪機高壓缸蓋裂紋產生的原因及焊接修復工藝

張 力，朱 寧

（攀鋼集團工程技術有限公司檢修分公司，四川 攀枝花 617023）

淺析汽輪機高壓缸蓋裂紋產生的原因及焊接修復工藝

張 力，朱 寧

（攀鋼集團工程技術有限公司檢修分公司，四川 攀枝花 617023）

通過對汽輪機高壓缸蓋裂紋產生的原因及焊接性能進行分析，選用奧氏體焊接材料，制定合理的焊接工藝，成功地修復了裂紋，滿足了使用性能和安全生產要求。

裂紋原因；焊接材料；工藝及措施

引言

在攀鋼發電廠1號機組大修中，發現汽輪機高壓缸蓋筒體原有角焊縫連接處的有3條裂紋，長度分別為168mm、174mm和245mm。經探傷檢查裂紋最深處達24mm，且沿原有角焊縫內側深度方向延伸。缸蓋的材質為ZG20CrMoV，角焊縫兩側的圓筒體厚度δ=60mm，兩筒體直徑分別為400mm，600mm，由于汽輪機高壓缸蓋是發電設備系統中的重要部件，直接關系到電力設備的安全運行，一旦出現安全問題后果不堪設想。因此，必須對裂紋缺陷進行修復。

1 裂紋產生原因分析

1.1 焊縫外觀成形質量的影響

因原有角焊縫的焊趾處都有不同程度的咬邊缺陷，致使在原焊趾處存在應力集中，當有拉應力的作用下就易產生裂紋，裂紋處分布在原有角焊縫與母材過渡的焊趾部位。

1.2 溫度應力的影響

在機組的啟動和停止過程中會引起較大的溫度變化。由于缸蓋厚度較大，當機組啟動時，內壁溫度很快就上升到工作溫度，與外壁形成一個明顯的溫度梯度，內壁金屬膨脹受阻，受到壓應力的作用，在高溫下材料的強度有所降低，這種壓應力可導致內壁金屬產生壓縮塑性變形。當機組缸蓋停運冷卻恢復到原有狀態時，這種壓縮變形部分就被保留下來產生一個殘余的拉應力。盡管這種塑性變形是很微小的，但在長期交變應力作用下，會對在高溫高壓條件下工作的金屬部件造成損傷的累積，最終導致破壞。特別是當焊縫存在缺陷時，容易在缺陷應力集中點處提早形成裂紋。

1.3 結構應力的影響

由于缸蓋位于汽輪機組的中段，體積和厚度都較大，結構應力相對較大，在焊接缸蓋角焊縫時，焊縫冷卻過程中的收縮受到一定的拘束，焊后焊縫將產生較大的拘束應力。在機組工作載荷的作用下，容易在應力集中點產生裂紋，造成裂紋延伸擴展。

2 焊接性能分析

表1：化學成分質量分數（%）

表2：力學性能

（2）因ZG20CrMoV鋼的物理性能與同類低合金鋼相比具有導熱系數?。?00℃時為43.1），線膨脹系數大（常溫下為12.18），它對加熱和冷卻溫度及速度等較敏感，在焊接熱循環的作用下，會造成較大的焊接應力和變形，增加了產生裂紋的傾向。

（3）由于需修復的裂紋缺陷均處于整體角焊縫中的分散小段，在修復焊補時的焊縫將受到拘束，不能自由地膨脹和收縮，冷卻過程會產生較大的收縮拉應力，易于開裂。

（4）有再熱裂紋敏感性。在ZG20CrMoV鋼中有一定含量的Cr、Mo、V等能起沉淀強化作用的元素，這些元素對產生再熱裂紋有較大影響。通過合金元素對鋼的再熱裂紋敏感性經驗公式△G=Cr+3.3Mo+8.1V-2，得到ZG20CrMoV鋼的△G=2.17～3.94。根據數據判斷，當△G＞0時材料就有再熱裂紋的敏感性，如果焊接殘余應力大時，產生再熱裂紋的敏感性更高。

3 焊接材料的選擇

（1）高溫、高壓工作的焊縫，主要是保證焊接材料的化學成分應與被焊材料的化學成分相同或相近。ZG20CrMoV鋼，采用手工焊條電弧焊時，一般常采用與母材材質相同的R317焊條焊接。焊前母材須預熱300℃～350℃，焊接過程中應控制層間溫度，焊后還要進行720℃～750℃高溫回火熱處理，保溫不少于5～6h。因ZG20CrMoV耐熱合金鑄鋼，基體為珠光體+鐵素體，它對加熱和冷卻的速度、溫度敏感。如在進行預熱及焊后熱處理的過程中未嚴格控制參數時，容易造成鑄件內力學性能不均勻，影響使用性能；汽輪機高壓缸蓋的壁厚、體積較大，服役環境條件差等，對焊縫局部或整體預熱、熱處理控制難度大，如果出現問題就易造成焊接修復失敗，甚至設備報廢。所以，通過全面分析比較和綜合考慮，決定選用A507奧氏體不銹鋼焊條進行焊接修復。A507焊條化學成分和力學性能表3、表4所示。

表3：熔敷金屬的化學成分質量分數（%）

表4：力學性能

（2）奧氏體焊條焊接的焊縫金屬為奧氏體組織，對焊接ZG20CrMoV鋼有以下一些優點：

1）在焊接熱循環中奧氏體不發生相變。一般情況下選擇奧氏體焊條焊接時，焊前不需預熱，焊后不需熱處理。

2）奧氏體焊縫金屬有良好的塑性和韌性，具有良好的抗裂性能。可吸收焊接過程中產生的應力，并且對氫的溶解度較高，不會在冷卻過程中因擴散氫的富集而產生裂紋；它還對開槽的敏感性遠較珠光體焊縫低。若在補焊中產生如少量氣孔、夾渣等缺陷，在一般情況下，不易產生裂紋，也不易使裂紋延伸擴展。

3）奧氏體焊縫金屬屈服極限（Rp0.2）值較ZG20CrMoV鋼低約20%，對整個接頭的應力水平將起到很大的緩沖作用；

因此，選擇A507焊條焊接ZG20CrMoV鋼時焊前可以不預熱，或者只預熱到80℃～150℃；焊后不需進行消除應力熱處理，可以避免焊縫再熱裂紋的產生；同時簡化了焊接工藝，改善施焊條件。A507焊條焊接的焊縫還能滿足母材的高溫使用性能。

4 焊接工藝措施

4.1 焊前準備

（1）先用Ф8mm的合金鉆頭在距裂紋末端10mm處鉆深度為30mm的止裂孔，以防裂紋繼續延伸和擴展。

（2）選擇角向砂輪機來清除裂紋缺陷，并修磨成U型坡口形狀。然后經滲透無損檢測檢驗無缺陷后，再將坡口兩側30mm范圍內的油、銹等清理干凈。在保證缺陷徹底清除的前提下，坡口的寬度盡量要小，以減小焊接收縮應力。

（3）施焊前焊條按規定要求進行烘干，并放在100℃的保溫筒內隨用隨取。

（4）焊前在焊縫的周圍400mm范圍內均勻、緩慢的預熱到80℃～100℃，以降低焊接過程中焊縫和熱影響區的冷卻速度，預熱升溫速度不超過100℃/h。

4.2 焊接要點

（1）焊接時選擇直流焊接電源，反接。采用小規范焊接，焊條不作橫向擺動，短弧操作，在熔合良好的情況下提高焊接速度等，以減少熱輸入量。焊接工藝參數表5所示。

表5 焊接工藝參數

（2）采取多層多道焊。每一道又分兩段或三段（短焊縫兩段，長焊縫三段）進行退焊，中間接頭處應錯開至少30mm，使整條焊縫盡量受熱均勻，以使應力分布較均勻，圖3所示。每兩焊道之間的迭壓面不小于焊道寬度的1/3，且必須使兩側與母材的過渡區圓滑過渡，熔合良好。

圖3

（3）每焊完一段后立即用帶圓頭的小錘進行錘擊（錘重0.5Kg，錘頭圓弧直徑5mm），先錘擊焊道中部，再錘擊焊道兩側，達到布滿麻點為止，以消除部分應力和改拉應力為壓應力。錘擊后用10倍的放大鏡檢查表面，確認無缺陷后繼續施焊。

（4）焊接過程中應控制層間溫度等于或略高于預熱溫度，整個焊補過程必須持續進行，中途如因故被迫中斷，應重新加熱到預熱溫度后才能繼續。

（5）焊補結束后立即用已烘干的石棉覆蓋在焊縫表面，使其緩冷，緩慢冷卻速度不超過100℃/h。

5 焊后檢驗和表面處理

（1）外觀檢查焊縫表面無氣孔、夾渣、咬邊等缺陷，余高在3mm范圍內。

（2）焊縫表面及周圍進行滲透檢驗未發現有裂紋出現。

（3）最后用角向砂輪機修磨焊縫表面余高與原焊縫表面齊平并與邊緣熔合處過渡圓滑。

6 結束語

通過對汽輪機缸蓋裂紋產生的原因進行分析，對設備的使用環境條件、現場施工情況、材料焊接性能等綜合考慮，選用奧氏體焊接材料焊補修復ZG20CrMoV鋼的裂紋。焊前不預熱，焊后不進行熱處理，簡化了工藝，改善了施焊條件；采取合理的工藝及措施，減少焊接殘余應力，使焊補部位的組織成分一致，防止了裂紋的產生，增強了抗裂性能。設備運行至今未出現裂紋現象，驗證了該工藝的可實施性，保證了焊補修復質量，滿足了使用性能和安全生產要求。

［1]中國機械工程學會焊接學會編.焊接手冊（第二卷，材料的焊接）［M]機械工業出版社.2001

［2]李亞江等編著.焊接修復技術［M].化學工業出版社.2005

［3]劉云龍.焊接技師手冊［M].機械工業出版社

［4]英采若.熔焊原理及金屬材料焊接［M].機械工業出版社

［5]傅積和、孫玉林主編.焊接數據資料手冊［M].機械工業出版社，1994年4月，P622-623