水泵水輪機轉輪的補焊

趙 強，王 君，陳 瑞，曹佳麗，徐亞鵬

（1.國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161；2.湖南黑麋峰抽水蓄能有限責任公司，湖南省長沙市 410200）

0 引言

傳統的13%Cr和17%Cr不銹鋼含碳量較高，淬火后形成高碳馬氏體，淬硬性很高。焊接是一個快速加熱與快速冷卻的不平衡冶金過程，馬氏體不銹鋼的焊縫及焊接熱影響區焊后的組織通常為硬而脆的高碳馬氏體，含碳量越高，這種硬脆傾向就越大。在馬氏體不銹鋼的基礎上通過降低碳、硫含量，增加鎳、鉬含量發展起來的超低碳鉻鎳馬氏體不銹鋼稱為超級馬氏體不銹鋼。由于其含碳量及淬硬傾向較低。超級馬氏體不銹鋼經過淬火及回火后的組織為回火低碳板條狀馬氏體與逆轉變奧氏體（由淬火后的低碳馬氏體轉變而成）的復相組織，從而既保留了高的強度水平又提高了鋼的韌性和可焊性[1-4]。

超級馬氏體不銹鋼由于其高硬度及高耐蝕性及良好的焊接性在水輪機及大型水泵中有廣泛應用。瑞士于20世紀50年代初開始應用超級馬氏體不銹鋼，國內的轉輪從最初采用上冠為碳鋼，葉片和下環為不銹鋼的異種鋼轉輪逐漸發展為整體超級馬氏體不銹鋼轉輪[5]。轉輪的形狀復雜且體積較大，焊接過程中的應力較大，合適的焊接工藝及焊后消應力對于焊接質量的影響重大。轉輪在運行過程中由于水力激振、空蝕等會對轉輪產生破壞，在有限時間的非大修過程中對轉輪進行修復對水力機組的運行有重要的意義[6]。

1 問題描述

某抽水蓄能電站的水泵水輪機的轉輪材質為ASTM A743 CA6NM。轉輪葉片數量為9個，制造方式為葉片及上冠和下環鑄造、熱處理、焊接、消應力處理和修磨。

在某次C級檢修過程中滲透檢測發現轉輪4個葉片同上冠的焊縫附近均存在裂紋，1號葉片裂紋清除后長度約為14cm，如圖1所示。

圖1 1號葉片裂紋清除后的形貌（cm）Figure 1 The morphology of NO.1 blade after cleaning cracks（cm）

2 缺陷清理

對轉輪焊接區域及與臨近區域進行100%的滲透和超聲檢測，對缺陷的分布、尺寸及性質進行確認并做記錄。根據缺陷的分布、尺寸及性質選擇合適的清除方式：

（1）對于淺表層（10mm以內）的裂紋原則上應采取機械磨削方式清除。如采用風動砂輪機、角向砂輪機和旋轉銼等工具。

（2）對于較長的未貫透或貫透的裂紋，應采取“先斷頭，再分段清除”的方式。先在裂紋端部分別使用砂輪或旋轉銼等機械磨削方式清除，給出清除的預設余量，防止裂紋清除過程中繼續擴展。

（3）使用碳弧氣刨前，需預熱到80℃以上，防止在氣刨過程中產生新的裂紋或裂紋擴展。碳弧氣刨清除裂紋的部位必須仔細鏟磨，徹底去除滲碳層，全部漏出金屬光澤。

（4）缺陷修補之前，制備出焊接坡口，坡口角度為40°～45°，坡口深度視實際情況而定。坡口面及坡口兩側30mm以內母材表面的熔渣、油污等所有影響焊接質量的異物應清理干凈。尤其須注意的是碳弧氣刨之后，氣刨表面的滲碳層必須徹底清除，否則對接頭可焊性有非常不利的影響。通常采用的清理方法是砂輪鏟磨，至少要磨掉0.5mm，露出金屬光澤。

3 焊接修補

3.1 轉輪材料的焊接性及焊接材料的選擇

轉輪材料牌號為ASTM A743 CA6NM，排號中的C表示鑄造，A表示A類，即合金成分為12Cr-4Ni，其類似于我國的ZG06Cr13Ni4Mo，屬于典型的超級馬氏體不銹鋼，成分如表1所示。

表1 轉輪化學成分的質量分數 %Table 1 Chemical composition of the runner

對于鎳含量大于4%的超級馬氏體不銹鋼，淬火后形成低碳馬氏體，回火后獲得的是超微細化的馬氏體+逆變奧氏體的復相組織，具有優異的強韌性組合及焊接性[7]。

3.2 轉輪焊接材料的選擇

馬氏體不銹鋼焊接材料選擇時可以通過兩種思路確定，第一種是采用與母材金屬的化學成分相同或相近的焊接材料，如410NiMo型，由于焊縫與母材金屬成分接近，不會發生擴散，但是焊縫金屬具有比較明顯的淬硬性，具有冷裂的傾向，因此焊前需要預熱，防止冷裂。此外，還要進行焊后熱處理，以消除焊接應力，比較適合焊后具有熱處理條件的制造場合。第二種是采用與母材金屬化學成分完全不同的焊接材料，采用奧氏體不銹鋼材料，如316型、309L型，由于焊縫金屬為奧氏體組織，焊縫具有較高的塑性和韌性，但是奧氏體不銹鋼容易產生熱裂紋[8]。此外，奧氏體焊材熱導率低且熱膨脹系數高，且這種焊接接頭的材質不均勻，焊縫與母材金屬的熱膨脹系數也不相同，有較大的應力。

轉輪在工廠制造時，由于具備焊接后的熱處理條件，一般選用熔敷金屬與母材較為接近的焊材，例如410NiMo，由于在材料中加入了5%～7%Ni，冷裂性能得到改善。按照DL/T 905—2016《汽輪機葉片、水輪機轉輪焊接修復技術規程》的要求，焊后通過560～590℃回火可以改善焊接應力。

機組C修期間，轉輪無法吊出，缺陷補焊后無法進行焊后熱處理，因此選擇奧氏體型焊接材料。在各種合金元素中，鉻是典型的鐵素體形成元素，而鎳是典型的奧氏體形成元素，其他元素都可以按其作用大小折算成相應的鉻或者鎳當量，即Creq和Nieq，根據鉻或者鎳當量可以確定焊縫的組織。

焊接選用ER316L焊絲，ER316L焊絲的碳含量很低，焊接性較好，且其Ni含量相對較高，熱烈傾向不明顯，焊絲化學成分見表2。焊絲直徑為φ1.2mm，采用熔化極氣體保護焊，保護氣體為95%富氬氣。

表2 ER316L化學成分的質量分數 %Table 2 Chemical composition of ER316L

圖2 舍夫勒焊縫組織圖Figure 2 Schaeffler schematic diagram of microstructure of weld metal

由焊絲的化學成分可以根據圖2的舍夫勒焊縫組織圖計算焊縫組織的范圍，計算時標識含量上限的元素按照上限計算，標識范圍的元素取中值進行計算。根據舍夫勒圖可以查得焊縫的組織中含5%～10%鐵素體。防止熱裂紋最直接的措施就是嚴格限制有害雜質，提高焊縫抗裂最有效的方法就是焊縫成為γ+δ的雙相組織。當一般焊縫中的δ鐵素體含量過3%～12%時，其熱裂紋敏感性顯著降低[9]。

3.3 轉輪補焊的實施

不銹鋼的焊接裂紋一般分為冷裂紋和熱裂紋。轉輪材料有一定的淬硬性，焊接后會急速冷卻淬硬形成冷裂紋，焊前預熱可以有效防止冷裂紋。奧氏體焊材在焊接過程中，由于其導熱系數小，電阻率大，焊縫容易產生熱裂紋[10]。因此在焊接過程中必須嚴格控制焊接工藝參數，避免熱輸入量太大而產生熱裂紋及晶間腐蝕[11,12]。

綜合考慮轉輪材料的冷裂傾向不明顯和焊接材料的熱裂傾向不明顯，采取焊前預熱、焊后緩冷的方式，預熱溫度為110～150℃。施焊前，采用電阻加熱的方法預熱，加熱寬度、保溫和測溫要求參照DL/T 819執行。補焊區域及相鄰約150mm范圍內的母材應預熱至不低于預熱溫度，并在焊接過程中始終保持這一溫度。

在焊接時，盡量采用較小的熱輸入施焊，小電流及多層多道焊[10]，控制層間溫度不大于150℃，降低焊接應力。除第一層焊縫外每層焊縫采用錘擊方法消除應力。錘擊擊至焊縫表面達到均勻屈服為止，降低焊接殘余應力。對于貫穿性裂紋，正面焊接時進行多層多道焊，正面焊接完應在背面清根，清根時采用碳弧氣刨，打磨出金屬光澤。清根后用PT探傷，確認裂紋清除干凈，如圖3所示。

圖3 貫穿性裂紋返修示意圖Figure 3 The schematic diagram of perfoliate cracks repairing

焊接完成后對母材采取保溫棉覆蓋緩冷。無需進行焊后熱處理。焊接缺陷修復后檢查流道表面，對于不圓順的部位采用表面堆焊、打磨的方法進行處理， 不允許存在應力集中點。葉片過流表面不允許出現深度0.5mm以上的凹坑、凸臺。焊接完成后24小時對轉輪焊接區域及與臨近區域進行100%的滲透和超聲檢測合格。

4 結論

（1）轉輪裂紋清除時應采用機械磨削方式清除，清除時應防止裂紋清除過程中繼續擴展。缺陷修補前的氣刨表面的滲碳層必須徹底清除。

（2）超級馬氏體不銹鋼具有良好的焊接性，對于不具備焊接后回火條件的轉輪，可以選用熱裂傾向不明顯的奧氏體不銹鋼焊材，焊接時焊前預熱，焊后無需回火。焊接時采用較小的熱輸入施焊，小電流及多層多道焊，控制層間溫度不大于150℃，避免產生熱裂紋和晶間腐蝕。焊后采用錘擊方法降低焊接應力。