汽輪機汽缸裂紋修補技術研究應用

【摘 要】汽缸裂紋修補需慎重對待，如處理不好會導致裂紋擴展，或裂紋反復出現，使得汽缸無法使用。修補時要仔細分析缸體材質、結構應力、焊接工藝等，確保裂紋修補成功。

【關鍵詞】汽輪機；缸體；裂紋；修補

0.引言

汽輪機缸體壁厚極大、缸體內外壁均為變截面和曲面設計，型線不規則，在鑄造過程中，局部位置存在應力過大、組織疏松等缺陷。運行中因熱應力變化，使得缺陷位置產生裂紋。缸體材質為珠光體類熱強鑄鋼，塑性小可焊性較差，焊接難度較大易產生裂紋。裂紋缺陷對機組的安全運行存在極大威脅，及時修復這些缺陷，對保障機組安全經濟運行具有重要意義。

該工藝的現場實施難點在于采用進行嚴格的焊接工藝控制，防止焊接過程中產生熱裂紋和缸體變形。處理裂縫時制定工藝要準確，如有失誤會使裂縫擴展，情況嚴重時可導致缸體報廢。

1.缸體裂縫情況

達拉特發電廠#4機330mw汽輪機是北京汽輪機廠與法國阿爾斯通公司合作生產的機組，型號：T2A-330-30-2F-1080。大修解體時發現中壓內缸進汽側內壁有三條裂縫，連續長度11cm。裂縫如下圖一。

圖一 缸體裂紋狀態

為保證汽缸在以后能夠安全運行，我們準備對裂縫進行焊接處理。處理時，先在缸體內壁裂縫上開挖溝槽，打磨消除裂紋，開挖后發現溝槽深40mm、長110mm、寬30mm。缸壁的厚度為120mm，裂縫深度占缸壁厚度的三分之一。著色檢查，溝槽附近的金屬組織有疏松現象，在修復過程中這里極易產生新的裂紋，制定焊接工藝時主要防止焊道金屬在冷卻收縮時產生過大拉應力，在焊縫周圍出現焊接裂紋，影響汽缸使用安全。

2.缸體裂紋形成原因

因缸體材質是珠光體類熱強鑄鋼，塑性比較低，斷面收縮率Ψ小于30[1]，在大型不規則鑄件中易產生裂紋。運行過程中，汽缸溫度冷熱變化劇烈，也會促使裂紋生成，尤其在內缸內避表面更容易出現。

2.1缸體鑄造過程中應力形成原因

汽缸是大型鑄造部件，汽缸壁較厚[2]，如圖二，在鑄造冷卻或熱處理冷卻過程中，如冷卻速度不均勻。尤其外壁冷卻速度快于內壁冷卻速度，外壁冷卻凝固后內壁才開始冷卻收縮，在內壁層會形成極大的拉應力，嚴重時當時就會出現裂紋。汽缸凹陷部位產生的缺陷多數是因鑄件鑄造冷卻速度不均勻引起的，圖三是一機組內缸凹陷部位熱應力裂紋的著色圖。

圖二 汽缸壁刨面圖

圖三 汽缸凹陷部位裂紋著色圖

2.2運行中缸體裂紋形成原因

當機組蒸汽溫度發生大幅度變化時，汽缸的內外壁溫度變化也較大，汽缸表面層熱應力變化很大，因汽缸材料塑性差，在鑄造時存在應力偏大的區域就會出現熱疲勞裂紋。運行中，隨著表面熱應力的波動和交變，會促使裂紋擴展，逐漸形成危及設備安全的隱患。

3.焊接前的工藝選擇

焊接過程中要先將裂紋清除干凈并去除裂紋周邊有缺陷的金屬組織，防止裂紋擴展。焊接時也要防止填充金屬冷卻時將母體組織拉出裂紋。

根據缸體材質、結構，制定工藝時要注意以下環節：

（1）焊條選擇合適，法國阿爾斯通公司將中壓內缸缸體材質編號為B64J-V，相當于中國的合金鋼ZG17CrMoV5-11。這是一種綜合性能較好的珠光體類熱強鑄鋼，可在570℃以下長期工作，該鋼易產生裂紋，焊接性能較差，焊接時為了防止焊后出現裂紋，焊接前應預熱和焊后應回火處理，回火溫度720℃[5]。焊條選用耐熱鋼焊條R407L，該焊條用于鉻鉬類珠光體耐熱鋼[1]。；（2）裂紋修磨干凈，防止內裂紋在焊接和運行中擴展[4]；（3）焊前、焊后局部加熱，減少焊接應力；（4）中間層焊道要用小錐型氣錘全焊道敲擊除應力；（5）焊接過程中，焊道焊層盡量減少對母體的拉應力，焊道截面如圖四所示，焊道要進行多層凹型焊接且圓滑過渡，杜絕采用平直型焊道，免得在冷卻收縮時對母體產生拉裂紋。

圖四 焊道截面圖

4.焊接工藝的制定

4.1焊前準備工作

（1）焊條采用R407L，均為φ3.2。焊條在使用前，均應按照焊條使用說明進行烘干。

（2）修磨裂紋，采用砂輪或旋轉銼清除裂紋。經著色檢查確保裂紋清除后，方可準備焊接。

（3）焊接部位局部用烤槍預熱到150-200℃，烘烤范圍以焊接部位為中心直徑200mm范圍內，保證缸體內外壁熱透，加熱均勻。

4.2焊接過程注意事項

（1）焊接采用手工電弧焊，用R407L焊條φ3.2進行施焊I=90-120A。

（2）采用小電流，多層多焊道，保證層間溫度大于200℃。注意層間清理，清渣要干凈。

（3）采用短弧焊，起落弧位置要錯開，各層間焊道垂直（寬焊道）。

（4）除底層和表層外，每焊接一道，在紅熱狀態下，對焊道進行錘擊除應力[3]。

（5）焊接高度高出母材2-4mm。

4.3焊后處理要求

（1）用烤槍在焊道表面及周邊200mm范圍內烘烤10分鐘，然后用石棉布包裹緩慢冷卻。 （下轉第161頁）

（上接第35頁）（2）打磨焊縫表面與母材圓滑過渡。

（3）焊后檢查：著色檢查，檢查標準JB/T6062-92，二級合格。

5.結論

按照上述工藝對汽缸裂縫進行焊接，焊接質量較好，沒有任何焊接缺陷，說明我們制定的汽缸焊接工藝在短裂縫上進行焊接是可行的，但這種方法沒有在裂縫較嚴重的缸體上進行焊接實驗，為防止焊接時缸體因變形或裂紋擴展而損壞，借鑒此工藝時要持審慎的態度。

【參考文獻】

[1]姜求志，王金瑞，馬士林.火力發電金屬材料手冊廠[S].北京：中國電力出版社出版，2014：6-7.

[2]席洪藻，王培基，劉恕義.汽輪機設備及運行[M].北京：水利電力出版社出版，1988：258-290.

[3]國家能源局，DL/T869-2012DL/T753-2001，火力發電廠焊接技術規程[S].北京：中國電力出版社出版，2012：4-10.

[4]國家經濟貿易委員會，DL/T753-2001，汽輪機鑄鋼件補焊技術條件[S].北京：中國電力出版社出版，2001：3-5.

[5]國家能源局，DL/T819-2010，火力發電廠焊接熱處理技術規程[S].北京：中國電力出版社出版，2010：7-11.