汽輪機缸體常見材質及焊接工藝介紹

張洪

摘要：汽輪機是一種結構復雜的動力設備，由于設備缸體在運行環境中，每個部位接觸的蒸汽溫度和壓力不盡相同，因此，在材料使用和焊接工藝上也存在差異。本文從材料的焊接性、焊材的選擇和焊接工藝等方面，系統地介紹了汽輪機缸體缺陷的焊接修復工藝。

Abstract： The steam turbine is a kind of power equipment with complex structure. Because the steam temperature and pressure in each part of the cylinder body of the equipment are different in the operating environment， there are also differences in material use and weiding process.This article systematically introduces the welding repair technology of steam turbine cylinder body defects from the aspects of material weldability，welding material selection and welding technology.

關鍵詞：汽輪機;缸體;缺陷;焊接修復

Key words： power station;steam turbine;defect;welding repair

中圖分類號：TK265;TG47? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0126-02

0? 引言

汽輪機在能源工業中依然發揮著重要的作用，由于汽輪機缸體各部位接觸的蒸汽溫度和壓力不同，因此，不同位置的缸體材料和相關性能指標也不盡相同。我公司生產的汽輪機，低壓缸一般采用ZG230-450材質或碳鋼材質焊接缸體，而高壓缸缸體材質主要以鉻鉬鑄鋼體或鉻鉬釩鑄鋼體為主（如：ZG20CrMoV、ZG15Cr2Mo1、ZG15Cr1Mo1V等）。隨著蒸汽溫度和壓力的增加，對應的汽缸材料的性能也要不斷增加，以滿足力學性能的持久性要求，同時，在材料性能的穩定性和抗蠕變性方面也要具有明顯的優勢，具備良好的焊接性和抗氧化能力，只有汽輪機缸體滿足相關性能要求時，才能長期在工況中安全平穩的運行。

1? 汽輪機缸體焊接性能的影響因素

首先是組織結構的影響。鑄鋼的組織結構呈柱狀晶體分布，這種結構經過熱處理，可以獲得均勻的鐵素體和珠光體組織，由于鑄鋼件通常是一次成型，在成型過程中容易產生各種鑄造缺陷，而且缸體的結構復雜、剛性大、厚壁并且應力復雜等特點，給后期局部鑄造缺陷的焊接修復帶來不小的困難。

其次是化學元素的影響。我公司的汽輪機缸體主要采用鑄鋼件，材質以珠光體耐熱鋼為主，主要化學成分見表1所示，這些缸體中的合金元素主要有Cr、Mo、V等，不同的元素在不同的溫度區間產生的反應不一樣，帶來的影響也不盡相同。

耐熱鋼中的鉻和鉬元素能顯著提高鋼的淬硬傾向，鉬的作用比鉻約大50倍，它們延遲了鋼在冷卻過程中的轉變，焊縫及熱影響區容易出現淬硬組織，當焊件剛性較大及接頭內應力大時，容易產生冷卻裂紋。珠光體耐熱鋼具有較強的再熱裂紋敏感性，在焊后熱處理過程中，因拘束應力釋放產生的變形量大于該部位的高溫塑性時，在接頭的熱影響區就會產生沿晶開裂的再熱裂紋。

最后是預熱和焊后熱處理工藝。為了防止冷裂紋和消除近縫區的淬硬，預熱與焊后熱處理溫度十分重要，這不僅取決于鋼的化學成分，而且與產品的結構尺寸和結構拘束度等因素相關。所以，必須結合具體情況來確定預熱溫度和焊后熱處理溫度，我公司采用的預熱溫度和熱處理溫度見表2所示。汽輪機缸體一般具有產品體積較大、厚壁、形狀復雜的特點，這就導致在缸體缺陷的修復過程中，無法根據要求進行焊接前的預熱或者焊接的后熱處理，那么，怎樣防止和避免裂紋的產生，提高產品的焊接質量，是鑄鋼體修復面臨的重要困境。為了有效防止裂紋的產生，需要在焊接前后注意以下幾點：①注意淬硬組織影響。碳化物形成元素和碳含量是該工序中尤為重要的兩個參數，這兩個參數指標和焊接冷卻速度的快慢都會影響淬硬組織的效果，預熱可以降低T8/5的冷卻速度，以獲得更好的珠光體組織。②減少氫含量的影響。在焊接中，要選擇低氫焊條，焊后及時進行消氫處理，通過溫度控制，以便達到去氫的效果。③控制焊接接頭的塑性和韌性，避免在熔合區產生裂紋。

2? 焊接材料的選擇

汽輪機缸體的常見材料是耐熱鋼，其主要合金成分是鉻、鉬、釩等每個元素的性能不一樣，如Cr提高材料的耐腐蝕性，使材料中的碳化物更加穩定，減緩碳的擴散，防止材料組織石墨化。Mo和V是鋼材料中主要的強碳化物形成元素，起固熔強化作用，能夠顯著提高材料的熱強度。在焊接材料的選用上，如果選擇等強同質的焊接材料，那么就必須在焊接的前后進行預熱和焊接后熱處理，但是由于汽輪機缸體的結構比較復雜，不同的部位在材質和性能上要求不一樣，很難進行有效的溫度控制，一旦升溫和降溫執行出現偏差就會產生新的裂紋，而且當溫度過高時，部分區域的缸體可能會出現變形的風險，影響產品的交付甚至出現報廢的可能，因此，在采用等強同質焊接材料時，存在較大的產品質量和安全隱患，不太適用于汽輪機缸體局部鑄造缺陷的修補作業。鑒于此，我們可以考慮選擇異質焊接材料，施行冷補焊工藝。為了防止產生冷裂紋，可以選擇奧氏體鋼焊材，主要型號有：E310-15（A407）、E16-25MoN-15（A507）等。采用奧氏體焊條焊接的優勢主要表現在：這種焊接方式能夠實現近常溫焊接，改善焊工的工作環境，減少熱處理的工序，能有效提高了產品的生產效率，而且在采用奧氏體焊條焊接的過程中，通常只需要輸入較小的熱量，從而減小了焊接接頭的淬硬傾向。對于奧氏體焊條的使用壽命，主要受幾個方面的影響，如焊接工藝以及材料的物理性能，以及材料的線性膨脹系數，一般來說，母材和焊接材料的線膨脹系數差值越大，那么焊接頭的使用壽命就越短。在選用異質材料進行焊接時，需要注意接頭的淬硬和熱裂紋傾向。由于焊縫與母材線膨脹系數不同以及在高溫下長期工作時有碳的擴散遷移問題，因此在交變溫度下工作時易導致熔合區的開裂。另外，長期高溫工作還可能引起焊縫中的σ相脆化。這些問題都是在選用奧氏體鋼焊條時所要考慮的。

3? 焊接修復

汽輪機缸體的焊接修復主要包含三個過程，第一是缺陷的發現和去除階段，第二階段是缺陷的焊接修補階段，最后一個階段是焊后驗收階段。

首先，針對發現的缺陷狀況，采用著色滲透探傷（條件允許的情況下可采用超聲波探傷輔助進行）來確定缺陷的大小、位置、方向和深度等，之后再使用碳弧氣刨、切割打磨或者機床加工方式去除缺陷，使用碳弧氣刨去除缺陷時務必打磨去除滲碳層后方可焊接。缺陷清除干凈后按工藝要求制備焊接坡口，各平面之間務必平滑過渡，不得有尖銳過渡和死角存在。

其次，采用冷補焊工藝進行缺陷的焊接修補。在焊接材料的選擇上，應遵循的原則主要包括以下幾點：

①焊接材料的材質與母材的材質在膨脹系數上盡量保持一致;

②在使用奧氏體焊條時，需要注意避免出現熱裂紋;

③焊接材料需要具備工藝性能優越，易于引弧，脫渣性能較好，在塑性和韌性上表現優越等特點。當然，對于母材的材質缺陷情況，氧化變質的程度等也是焊接材質選擇的一個重要參考因素。

在焊接工藝方面，針對鑄件產品缺陷的焊接修復，主要考慮以下幾個方面：

①缺陷清除干凈，并按要求制備坡口后對缺陷部位及周邊進行100%著色滲透探傷檢驗，確保缺陷去除干凈后方可實施焊接;

②施焊前待焊處及周邊30mm范圍去凈鐵銹、油污、滲碳層、氧化物等雜物，露出金屬光澤;

③焊接過程中盡量采用小參數焊接，控制層間溫度，減少焊接熱輸入;

④采用多層多道、對稱焊接等方法，分層捶擊去除焊接應力（打底層和蓋面層不允許捶擊）;

⑤焊后及時施行緩冷措施，減緩焊縫及熱影響區的冷卻速度。

最后，在焊接驗收方面，對汽輪機缸體缺陷修復部位進行焊接處理后，通過質量標準進行相關技術指標的驗收，如硬度、無損探傷、產品表面檢查等，由于汽輪機缸體的結構相對比較復雜，而且表面粗糙，當前能夠適用的質量檢測方法并不多，在焊后驗收上，通常只對其表面硬度和焊接表面的質量指標進行驗收。采用著色滲透探傷驗收其表面質量，有條件的情況下方可采用超聲波探傷驗收其內部質量。

4? 結束語

汽輪機缸體鑄件材料品種繁多，品質各異，性能指標也不盡相同，在材料的選擇上應該全面認真的進行篩選，選擇能夠滿足產品性能指標的材料。在焊接和熱處理工藝制定中，應該全面考慮材料的性能，以及母材的氧化和受腐蝕的程度，在焊接過程中更要注意預熱溫度的控制等。掌握設備所接觸的外部環境狀況，對缺陷產生的原因進行認真分析，在焊接材料上，使用高塑性高韌性的焊接材料，從缸體的材質結構、工況等各方面進行分析。同時制定好各個工藝的實施順序，保證焊接的質量，提高設備的使用性能。

參考文獻：

[1]盧超，葛兆祥.電站汽輪機缸體常見材質及焊接工藝介紹[J].江蘇電機工程，2008（03）：81-84.

[2]陳祝年編著.焊接工程師手冊[M].機械工業出版社，2002.

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