高壓主蒸汽閥門體裂紋修復工藝分析

劉建國

摘 要：針對某電廠俄制K-500-240-4型汽輪機組高壓主汽閥門體在運行中因貫穿性裂紋導致泄漏的問題，根據高壓主汽閥門體檢修運行數據，分析裂紋成因及材料性能，從而確定修復工藝，徹底解決高壓主汽閥門體運行隱患。

關鍵詞：ZG15Cr1Mo1V;高壓主蒸汽閥門體;裂紋缺陷;焊接修復

中圖分類號：TK621 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）18-0048-04

Abstract： Aiming at a Russian high-pressure main steam valve of K-500-240-4 steam turbine for penetrating cracks cause leakage in the operation， according to the main steam valve group physical repair operation data， performance analysis of causes and crack， determine the repair process， completely solve the main steam valve body hidden danger.

Keywords： ZG15Cr1Mo1V;high pressure main steam valve body;crack defects;welding repair

某電廠汽輪機組高壓主汽閥門體材質為ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼，自投產以來已累計運行106 000 h。它經歷了3次A檢修，對外表面進行了100%磁粉探傷，未見缺陷磁痕。主蒸汽運行參數中，溫度為540 ℃，壓強為23.5 MPa。2011年4月8日，運行中發現#1機組#2高壓主汽閥門體下部保溫被吹散。檢修人員發現，#1機組#2高壓主汽閥門體底部保溫局部被破壞并伴有飽和蒸汽呲出，確定為高壓主汽閥門體泄漏，申請調度機組停止運行。

1 裂紋分析

機組停運后檢查2#高壓主汽閥門體泄漏處，發現高壓主汽閥門體泄漏部位有兩條裂紋：一條為長12 mm、寬2 mm的裂紋;旁側分布一條長2 mm、寬1 mm的裂紋，見圖1。高壓主汽閥門體為一次鑄造成型件，缺陷發生區域為高壓主汽閥門體分流區，泄漏部位實測壁厚為82 mm。從高壓主汽閥門體外表面分析，泄漏部位為貫穿性裂紋。

閥門壁溫低于60 ℃解體后，內部觀察閥門裂紋形貌。內表面裂紋處距閥門上蓋1 600 mm。使用高倍變焦照相機和內窺鏡進行內部裂紋檢查，發現裂紋總長度在280 mm以上，并伴有塊狀脫落現象，見圖2。打磨區域長度為450 mm、寬度為130 mm，裂紋總長為330 mm，裂紋寬度為25～40 mm。從打磨的整體過程來看，主裂紋為一整條，沒有發現明顯的分叉和較大的次生裂紋。打磨區域有較多的包砂、疏松以及氣孔出現，見圖3。閥門泄漏失效原因為原始鑄造缺陷（微裂紋、包砂以及氣孔等）及制造廠內部缺陷修補區在長期高溫高壓和應力應變作用下，導致高壓主汽閥門體結構突變部位擴展開裂，最終形成貫穿性裂紋缺陷。

2 材料的成分、性能以及焊接性分析

ZG15Cr1Mo1V材料的化學成分和力學性能，分別如表1和表2所示[1]。

在我國大容量、高參數火力發電廠中，高壓主汽閥門體材料普遍采用ZG15Cr1Mo1V，行業大多采用碳當量（Carbon Equivalent，CE）法評估金屬材料焊接性能優劣。根據經驗，行業內國際焊接學會（International Institute of Welding，IIW）提出了應用較廣、精度較高的碳當量公式計算ZG15Cr1Mo1V材料碳當量，即：

當[CE]≤0.4%時，焊接性好;當CE在0.4%～0.6%時，焊接性稍差，焊前需要適當預熱;當[CE]≥0.6%時，焊接性較差，屬難焊材料。根據碳當量公式，計算出ZG15Cr1Mo1V材料的碳當量為0.689。

從國際焊接學會推出的碳當量公式和鐵相圖分析，ZG15Cr1Mo1V焊接時對熱處理冷卻溫度較敏感，容易在鋼中造成不均勻組織，導致焊接性極差，需要采用較高的預熱溫度和嚴格的工藝方法進行焊接。

3 修復工藝

3.1 焊前工件要求

焊前采用機械加工方式將裂紋清理干凈，表面著色檢驗確認，焊接坡口加工成U形，清除坡口及附近母材外表面20 mm范圍的油污、銹蝕以及塵土，使其露出金屬光澤。

3.2 焊接材料

R327 E5515-B2-VW是低氫鈉型藥皮的CrMoVW的珠光體耐熱鋼焊條，用于焊接工作溫度在570 ℃以下的15CrMoV等珠光體耐熱鋼。焊接電源直流反接，焊前焊條須經過350 ℃左右高溫烘焙1 h，隨烘隨用。熔敷金屬擴散氫含量≤6.0 mL/100 g（甘油法）。R327 E5515-B2-VW焊條熔敷金屬化學成分及力學性能分別如表3和表4所示[2]。

3.3 焊接前預熱

焊前對高壓主汽閥門體整體或焊接區域局部進行加熱的工藝手段稱為預熱。適當預熱可以減緩焊后的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴散氫的逸出，避免產生氫致裂紋，還可以降低焊接應力及焊接結構的拘束度，降低裂紋的發生率。預熱溫度的確定主要取決于鋼材和焊條的成分、焊件的壁厚、焊接結構的拘束度以及環境溫度等。這里選擇伊藤等人提出的焊縫冷裂敏感指數[Pcm]計算公式確定預熱溫度[3]：

式（2）和式（3）中：[Pcm]為冷裂紋敏感指數;[CC]、[CMn]、[CCr]、[CSi]、[CV]、[CNi]、[CCu]分別為鋼中C、Mn、Cr、Si、V、Ni、Cu元素的含量;[Pw]為冷裂紋敏感性，當[Pw]>0時，即有產生裂紋的可能性;[CH]為擴散氫含量，R327 E5515-B2-VW焊條取6 mL/100 g;[δ]為壁厚，取82 mm。

預熱溫度計算公式為：

式（4）中：[To]為預熱溫度，℃。

利用式（2）、式（3）和式（4），可以計算出電廠汽輪機組ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼高壓主汽閥門體貫穿性裂紋補焊要得到無裂紋焊縫需要的預熱溫度為279 ℃，其中[Pw]為0.466。由計算分析可知，汽輪機組ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼高壓主汽閥門體貫穿性裂紋補焊時有較大的淬硬傾向，管壁厚有較大的拘束度。因此，補焊前必須進行預熱。升溫速度要嚴格按照工藝要求執行，并采用低氫型焊條焊接，且焊后要進行高溫回火熱處理。

3.4 焊接工藝

對于#1機組主蒸汽閥組的裂紋焊接檢修，焊接工藝的相關內容如表5所示[4]。

3.5 修復后熱處理

為了獲得珠光體焊縫組織，采用高溫回火方式進行熱處理。高溫回火的目的是降低焊縫脆性，消除內應力，提高焊縫的塑性和韌性。本次補焊采用多層多道焊接工藝和錘擊法消除層間應力，后一道焊接工藝對前一道焊接工藝的熱處理作用能細化晶粒并改善前層焊縫和熱影響區的組織，有效防止裂紋的產生。熱處理工藝曲線見圖4[5]。

4 修復后檢驗

汽輪機組ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼高壓主汽閥門體貫穿性裂紋補焊完成后，按照規程要求進行焊縫光譜檢驗、硬度檢驗、磁粉探傷檢驗（Magnetic Particle Testing，MT）、超聲波檢驗（Ultrasonic Testing，UT）以及金相檢驗，檢驗結果如表6所示。

通過分析檢驗結果可知，汽輪機組ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼高壓主汽閥門體貫穿性裂紋補焊后，組織為珠光體，焊縫硬度值為211 HB，MT檢驗和UT檢驗均無可記錄缺陷。

5 結語

某電廠汽輪機組ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼高壓主汽閥門體貫穿性裂紋，采用手工電弧焊熱焊法多層多道的焊接工藝，嚴格控制層間溫度、焊接電流，并選擇合適的焊后熱處理工藝，得到硬度適中、金相組織為珠光體的焊縫，可以滿足電站汽輪機組使用要求。

參考文獻：

[1]湖北高中壓閥門有限責任公司.鋼制閥門常用材料的化學成分、力學性能及執行標準[EB/OL].（2010-04-01）[2021-05-29].https：//www.doc88.com/p-1856002944033.html.

[2]黃文哲.焊工手冊[M].北京：機械工業出版社，1997：564-565.

[3]劉瑞琦.電廠金屬材料[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1994：101-103.

[4]國家能源局.火力發電廠焊接技術規程：DL/T 869—2012[S].北京：中國電力出版社，2012.

[5]國家能源局.火力發電廠焊接熱處理技術規程：DL/T 819—2019[S].北京：中國電力出版社，2019.