透平缸裂紋離線修復(fù)工藝及實例

中海油深圳電力有限公司 劉洪文 向紹軍 東莞市華鑫激光科技有限公司 羅雄光

由于近40年來，世界范圍內(nèi)天然氣的大規(guī)模開發(fā)，燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電在電力工業(yè)行業(yè)所占地位已經(jīng)越來越重要。而隨著當今社會用電量需求的增加，對燃氣輪機單機發(fā)電功率的要求逐年增長，使得對缸體厚度要求越來越高、其對自身產(chǎn)生的熱應(yīng)力也隨之增大，最終也加劇了變形、熱疲勞及裂紋的生成。

本維修方案嘗試使用機械固定與焊接修復(fù)相結(jié)合的修復(fù)方案，解決了大型透平缸鑄鐵材質(zhì)因溫度變化大導(dǎo)致焊接后穩(wěn)定性差、易重復(fù)開裂的難題。修復(fù)過程中加入了超聲波去應(yīng)力方案，進一步穩(wěn)定了焊接質(zhì)量。本次修復(fù)對常規(guī)的裂紋修復(fù)方案進行優(yōu)化，將原本的焊接修復(fù)、支撐固定修復(fù)相結(jié)合，優(yōu)化焊接前準備細節(jié)、增加了超聲波去應(yīng)力方案、焊后熱處理方案，保證了透平缸裂紋修復(fù)的質(zhì)量。

1 透平缸裂紋及維修方案

本次維修透平缸為美國GE 生產(chǎn)的燃汽輪機重要部件，此燃汽輪機使用已達17年，年限較久，機組啟停頻繁。在2021年11月大修檢查中發(fā)現(xiàn)，透平缸上半缸垂直法蘭左側(cè)和右側(cè)靠中分面約25mm～30mm 的地方各有1條長約240mm×深約100mm 的貫穿性裂紋，如圖1所示。裂紋覆蓋范圍較大，貫穿透平缸截面約2/3區(qū)域且為貫穿性裂紋，具有較大風(fēng)險性。為盡快恢復(fù)運行，盡可能延長燃氣輪機使用壽命，我司對焊接修復(fù)方案進行優(yōu)化，在保證清除裂紋缺陷的同時提升修復(fù)處抗冷熱疲勞應(yīng)力的性能。

圖1 透平缸裂紋

據(jù)燃汽輪機透平缸出現(xiàn)貫穿性裂紋的形貌，分析可能產(chǎn)生裂紋缺陷的原因如下：此燃汽輪機使用已達17年，年限較久，機組啟停頻繁，缸體長期處于冷熱交替的使用工況，加劇缸體母材的疲勞速度，導(dǎo)致裂紋的萌生；燃汽輪機使用時間比較長后，均會出現(xiàn)排汽缸、透平缸和燃燒室的缸體相接合的側(cè)面間隙超標情況，透平缸R 位有螺栓鎖固透平缸的下缸缸面以及排汽缸和燃燒室的側(cè)面缸面，是應(yīng)力最集中的地方，若與排汽缸和燃燒室的間隙超標較嚴重，長期受螺栓拉扯力度的影響，加速產(chǎn)生透平缸的裂紋形成；機組長期運行后，機組運行時產(chǎn)生的振動也會加劇缸體裂紋的形成。

本項目維修關(guān)鍵點在于：裂紋橫跨范圍較廣、裂紋深度較深，材料為球墨鑄鐵可焊性較差；透平缸工作環(huán)境冷熱疲勞較大，焊后穩(wěn)定性較差。現(xiàn)結(jié)合理論數(shù)據(jù)與實際經(jīng)驗提出以下方案：架設(shè)缸體支撐，以接近常態(tài)合缸環(huán)境狀態(tài)修復(fù)；清理裂紋，制備雙U 型坡口預(yù)備焊接修復(fù)；深裂紋中部通過沉頭螺絲固定支撐，通過機械固定輔助焊接修復(fù)，雙面焊接包裹沉頭螺絲裸露區(qū)域，實現(xiàn)“加強筋”左右；焊后外部施加加固，穩(wěn)定敏感外端及底部端面，同時作為預(yù)防手段，直觀警示修復(fù)后穩(wěn)定情況。綜合評估各方面因素，經(jīng)前期工藝評定合格后，透平缸大型裂紋（結(jié)合面底腳全貫穿超2/3）焊接修復(fù)，為行業(yè)內(nèi)首次嘗試，解決了此類缺陷級別此前不能維修或讓步維修的行業(yè)難題。

圖2 工藝流程

2 關(guān)鍵點工藝評定

選用補焊材料：MAGNA-777鑄鐵焊。選材優(yōu)點：修復(fù)選材與母材相似，性能相匹配；MAGNA-777焊條是一種新型的鑄鐵焊條，它使用高級先進的“雙芯”制造方法，當使用AC 電流時甚至在困難的電流載荷條件下能完全消除焊條過熱的可能。雙芯設(shè)計的獨特溫度控制特性可提供更均勻的熱輸出和熔覆金屬流動以改善焊縫形成并消除焊接飛濺；AGNA-777鑄鐵焊條包有一層特殊合金化和礦物質(zhì)的藥皮，這層藥皮給淬火和回火狀態(tài)的熱作和冷作用的工件增加表面耐磨性；MAGNA-777鑄鐵焊條的焊接處容易機械加工并且抗裂性能好，能夠應(yīng)用于大多數(shù)類型的鑄鐵，包括灰口鑄鐵、球墨鑄鐵等。

實驗方案：拉伸實驗。采用球墨鑄鐵板251×300×50（mm），開上底39×下底13×高13（mm）的梯形槽，MAGNA-777鑄鐵焊模擬堆焊后制備φ10×250（mm）棒材進行拉伸實驗（圖3）；金相實驗。采用球墨鑄鐵板80×100×20（mm），居中采用MAGNA-777鑄鐵焊接70×90（mm）共2層的合金塊，隨機分布取樣10×10×10方塊6組制作鑲塊，進行金相觀察（圖4）；選用此種焊條后進行力學(xué)性能測試，檢測其焊后狀態(tài)及抗拉伸程度：金相檢測發(fā)現(xiàn)結(jié)合性較好，焊層、結(jié)合層與球墨鑄鐵基材均無缺陷（圖4），試焊后抗拉性能抗拉強度為365MPa，與原球墨鑄鐵母材抗拉強度379MPa 相近（標準牌號抗拉強度為400MPa），見圖5、圖6。采用特種焊接進行補焊修復(fù)，焊接參數(shù)如表1。

圖3 拉伸實驗步驟

圖4 球墨鑄鐵焊接試塊金相

圖5 球墨鑄鐵母材抗拉強度試驗

圖6 球墨鑄鐵焊條焊后抗拉強度試驗

表1 透平缸裂紋缺陷補焊焊接參數(shù)

3 修復(fù)過程控制

修復(fù)前檢查：施工前對透平缸裂紋缺陷處的尺寸測量；施工前對透平缸下缸平面及側(cè)面平面度檢查；施工前對透平缸配合的排汽缸、燃燒室側(cè)面平面度檢查。

裂紋缺陷清理及坡口處理：用砂輪或內(nèi)磨機機械打磨去除透平缸裂紋缺陷，打磨過程中隨時進行自檢，以避免過多的打磨量；對修復(fù)位置打磨進行U 型坡口制備，先從正面開深度50mm 的U 型坡口，上口約30～35mm，打磨待焊區(qū)域避免產(chǎn)生陡坡和夾溝，以便有利焊接操作，同時要求修復(fù)區(qū)域及U 型坡口邊緣10～15mm 內(nèi)仔細清理氧化皮、銹斑和油污，直至露出金屬光澤，不允許影響焊接質(zhì)量的污物存在。待正面坡口堆焊完畢后，再從反面開同樣的坡口進行堆焊。

焊前檢查：U 型坡口制備完成后，采用滲透檢測的方法檢測坡口無超標缺陷，檢測范圍包括坡口內(nèi)及坡口周圍母材10～15mm 范圍（圖7）；焊前預(yù)熱：為了防止母材熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋，焊接打底層時進行焊前預(yù)熱，采用氧乙炔中性火焰對待焊坡口及周圍100mm 區(qū)域進行局部預(yù)熱，保持火焰焰心距離工件10mm 以上，均勻加熱。采用數(shù)字式遠紅外測溫儀進行測溫，預(yù)熱溫度控制在70～80℃。

圖7 U 型坡口無損檢測無缺陷

焊接質(zhì)量控制：達到預(yù)熱溫度后，先在整個坡口表面先焊接一層熔敷層，然后采用機械打磨的方法將熔敷層打磨約1/2厚度，然后采用同樣的方式焊接第二層熔覆層，打磨平整，總體厚度控制在3～5mm，熔覆層外邊緣要略高于母材（留出打磨余量），然后進行填充層的焊接，填充層焊接時焊縫不可接觸本體母材。填充層焊接時，為了防止焊接熱裂紋的產(chǎn)生，嚴格控制層間溫度不高于130℃。

應(yīng)力消除：填充層采用錘擊的方式，趁紅熱狀態(tài)下立即進行錘擊來釋放應(yīng)力；每焊一段長約100mm,用超聲波消應(yīng)力機進行應(yīng)力消除；采用焊條特種焊接時，單層焊縫金屬厚度以不超過焊接材料直徑為宜；焊接過程中采用跳焊、退焊、窄焊道、不橫向擺動、快速焊等方式，焊道搭接量不少于1/3，層間收弧位置錯開,最后一道（層）蓋面焊縫應(yīng)圓滑過渡到熔敷層；每焊一層用風(fēng)磨機對焊道表面進行打磨并露出金屬光澤，逐層進行檢查焊接缺陷（氣孔，裂紋），經(jīng)自檢合格后，方可焊接次層，直至完成，重點檢查收弧位置，發(fā)現(xiàn)弧坑裂紋，立即打磨清除,重新返焊；層間焊縫的清理、缺陷的處理均采用機械打磨的方式，用角磨機、鋼絲刷、鋸條、尖鏟、扁鏟等工具徹底清理焊渣及飛濺，特別是焊縫接頭處和坡口邊緣處；焊接過程中應(yīng)注意盡量使焊道平滑過渡，便于清渣和避免出現(xiàn)“死角”，填充蓋面時焊縫與母材應(yīng)圓滑過渡、收弧處弧坑飽滿，接頭熔合良好,不要將電弧移至基材上熄弧；焊縫整體焊接完畢，焊工必須進行自檢，并用砂輪機、鋼絲刷將焊縫表面焊渣、飛濺清理干凈。

圖8 焊層排布示意圖；超聲波應(yīng)力去除設(shè)備

焊后熱處理：裂紋焊接完成后，進行焊縫以及周圍100MM 的局部熱處理到350℃，用保溫棉包裹修復(fù)區(qū)域及周邊區(qū)域，使其緩冷至室溫；焊后打磨：冷卻至室溫后進行打磨，打磨至焊縫表面平整，高度不低于母材，圓滑過渡到基體；鉆孔（修孔）：透平缸裂紋補焊處的螺栓孔重新鉆孔處理，鉆孔孔徑配合甲方提供的螺栓；焊接加固：為了保證防止透平缸原裂紋缺陷處再次出現(xiàn)裂紋，再透平缸裂紋補焊表面用高強度鋼板，高強度螺絲進行加固處理（如圖9所示）。

圖9 鋼板加固

平整度修研：由于透平缸R 位貫穿性裂紋，補焊量很大，避免焊接引起的變形，補焊修復(fù)完工后需對透平缸的下平面缸面及側(cè)面缸面的平整度用平面尺進行平面度檢查，若平整度超標，尚需對缸面進行平整度修研，至到平面度到達標準范圍以內(nèi)。

4 結(jié)語

優(yōu)化球墨鑄鐵材質(zhì)的透平缸大型裂紋修復(fù)方案能為電力行業(yè)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟價值，具有較大意義。本次透平缸裂紋缺陷修復(fù)，通過細化焊接工序、優(yōu)化減少焊縫受冷熱疲勞應(yīng)力的影響、超聲波去除焊接中積累的應(yīng)力，最終達到延長焊接質(zhì)量及穩(wěn)定周期目的。