N40—42型汽輪機汽封座裂紋焊接修復技術應用

吳友良

摘要：本文針對N40-42型汽輪機上、下缸汽封座在運行中產生裂紋的原因進行分析；對母材的可焊性、焊接方法及材料的選擇、焊接變形與殘余應力控制進行分析；對在現場進行的焊接工藝進行了詳細敘述，此工藝對現場修復大型珠光體耐熱鋼具有修復效率高，成本低，焊工勞動條件好，對減少汽輪機上、下缸汽封座的應力和變形具有較高的實用價值。

關鍵詞：焊條電弧焊冷焊法；裂紋；錘擊

前言

我廠#1汽輪機工作壓力為4.2Mpa，蒸汽溫度為460℃，機組在運行中發出金屬磨擦聲和震動，停機檢查發現汽輪機上、下缸汽封座有27處深淺不一，長短不等的縱向裂紋，最長的裂紋約300mm、深36mm。為盡快恢復機組運行，采用現場挖補處理。

1.裂紋產生原因

我們針對汽封座產生裂紋原因進行綜合分析：一是汽輪機在運行過程中汽轉子發生前竄與汽封座產生摩擦溫度劇升，致使汽封局部半溶化狀態，造成汽封座局部材料強度降低產生裂紋；二是汽封座表面受到汽室溫度與摩擦形成溫差，使局部產生較大應力，同時受汽轉子前后竄動撞擊，形成裂紋。

2.可焊性分析

2.1母材的分析

2.1.1母材的可焊性差

汽封座材質為ZG20GrMo，屬珠光體耐熱鋼，運行溫度460℃，工作壓力為4.2Mpa。碳當量在0.41～0.66﹪之間，厚度為800mm，拘束度大。因而，補焊區不僅需要足夠的強度，還要一定的高溫性能和疲勞強度。

2.1.2焊接變形

因汽封座和汽缸是一個整體，焊后變形最大撓度不得超過0.5mm，徑向和軸向的線變形不超過1.0mm。因而，如何降低焊后殘余應力，防止焊縫產生淬硬組織，是必須解決的問題。

2.1.3焊縫綜合性能

機組需經常停機、啟動或瞬間增減負荷，補焊區不僅處于高溫條件下工作，而且處在交變熱應力作用下工作。因此，要求焊縫必須具有一定的抗熱疲勞性能和高溫穩定等性能。

2.2焊接方法選擇

汽封座補焊的困難是如何防止產生裂紋、夾渣、未熔合和應力變形等缺陷，選擇正確的焊接方法尤為重要。由于汽封座體積大，剛性強，若用熱焊法則焊前預熱、焊后熱處理困難，施焊環境差。若用冷焊法，焊前不需預熱，焊后變形小，工作效率高，成本低，施焊條件好，只要焊材選擇得當，選擇工藝措施有效，所得焊縫金屬與母材具有相當的機械性能。

2.3焊條的選擇

采用冷焊工藝焊接汽封座裂紋，如果焊條選擇不當則易產生裂紋、未熔合、白口等缺陷。為此，過渡層選用純鎳鑄鐵焊條（Z308），填充層選用（A507）不銹鋼焊條進行補焊。過渡層Z308焊條，焊芯是純鎳，鎳是強度較高的石墨化元素，藥皮中加入了大量強還原性石墨，有利于消除熔合區的白口，降低碳化物穩定性，削弱碳化物形成元素對碳的親和力，可以減弱擴散層。填充層采用A507不銹鋼焊條，焊縫組織是奧氏體加少量鐵素體，具有較好的抗裂性能。鉻可提高鋼的淬透性和強度，具有良好的抗氧化性和耐腐蝕能力。過渡層Z308焊條與填充層A507焊條配合使用可提高鋼的強度、韌性及高溫性能。

3.焊接工藝

ZG20GrMo鋼焊接性較差，必須采取嚴格的工藝措施。我們在對母材、焊接方法及焊接材料選擇進行充分分析后，采用異質焊縫冷焊法工藝，焊縫金屬具有較好的綜合機械性能。

3.1焊前準備

3.1.1檢查缺陷

利用肉眼和著色探傷法確定所有裂紋的位置和形狀。

3.1.2清除裂紋、開坡口

用角向砂輪機將裂紋挖干凈，開成V形坡口。坡口表面平整，過度圓滑。坡口兩側20～30mm內油污、鐵渣清理干凈，并打磨出金屬光澤。

3.1.3焊條選擇

為把應力與變形控制在最小范圍內，用直徑∮3.2的焊條。焊前將兩種焊條加熱200～250℃，烘培1～2小時，使用時放置在80℃恒溫的焊條保溫筒里，隨用隨取。

3.2焊接

過渡層焊縫采用Z308焊條，填充層采用A507不銹鋼焊條進行焊接。焊接時，由坡口底部開始，先焊兩側后焊中間，沿坡口面逐步向上施焊，厚度控制在3～4mm，則可使焊縫金屬橫向收縮量控制在最小值。焊接時應注意，后一道焊縫要覆蓋先一道焊縫的1/2～1/3處。每層盡量選用較小的焊接電流，焊條不擺動，以減小母材對焊縫的稀釋。收弧時，要填滿弧坑，避免弧裂紋。

焊接過程中采用多層多道、分段、分散焊法，短弧操作，每段焊縫長度不超過50mm，并待溫度降低到不燙手為止，再進行下一段焊縫的焊接。

3.2.1焊接變形與應力控制

焊接時，為降低焊接應力與變形，每層盡量選用較小的焊接線能量；每焊完一道必須等到紅熱狀態消失，再用尖頭小錘錘擊焊縫周圍，至不燙手為止（60℃左右），再焊下道焊縫。因焊接應力是在600℃以下開始產生的，而600℃以下的錘擊才能起到松馳應力的作用，故錘擊應在600℃以下開始實施。這樣交替作業可細化晶粒，降低應力，防止產生裂紋。

3.2.2檢查、清理

焊接時，每焊完一層，應檢查焊縫有無裂紋或其它缺陷，若發現立即進行處理，不致使缺陷帶至最終。每焊完一段錘擊好后，將表面的藥渣、飛濺等清刷干凈，可防止焊接時產生氣孔、夾渣等缺陷。在焊接過程中，應時刻注意熔合線開裂，若發現應清理后再焊下道焊縫。焊接時應避風，尤其不可用電風扇吹。

3.2.3蓋面層焊接

為便于焊縫表面機械加工，在距蓋面層坡口面2mm左右用Z308焊條堆焊，余高1～2mm，表面不允許咬邊。

4.焊后檢驗

補焊24小時后，對汽封座進行修磨，用著色探傷進行全面檢查，未發現裂紋和剝離現象。

汽輪機運行至今，每次大修開缸做超聲波檢查和著色探傷檢查，補焊處都未發現任何異常現象。這表明，用Z308鑄鐵焊條和A507不銹鋼焊條對汽封座裂紋修復是可靠的，所采用的補焊工藝是合理的，為今后補焊大型耐熱鋼提供了借鑒的經驗。

5.結論

采用Z308和A507焊條對焊縫裂紋補焊的工藝，可改善焊縫金屬結合性能，減小焊接應力，阻止碳擴散，提高焊縫綜合機械性能。

參考文獻：

[1]中國機械工程焊接學會編.焊接手冊.北京機械工業出版社，1992.

[2]葛兆祥主編.焊接工藝及原理.北京電力工藝出版社，1997.