ZG20CrMoV 汽輪機缸體裂紋修理補焊

陳 罡，徐東洋，徐 彤

（中國石油遼陽石油化纖有限公司建修公司，遼寧遼陽 111003）

1 修理任務分析

1.1 設備裂紋概況

某電廠1#汽輪機大修，缸體檢查時內壁有一條長度約60 mm的裂紋缺陷，裂紋尖端距上下缸體結合面不到30 mm，嚴重威脅汽輪機組的運行安全（圖1）。因電廠生產安排，補焊工作工期緊。

圖1 汽輪體缸體裂紋

1.2 裂紋產生原因

此汽輪機1992 年投入運行，服役已將近30 年，汽缸設計壓力9.8 MPa，設計溫度540 ℃，汽輪機汽缸長期在高溫高壓工作條件下運行。ZG20CrMoV 材料缸體結構復雜、壁厚大、截面形狀變化大，存在鑄造缺陷的概率也大，而且不便于檢測。在形狀變化大的部位存在應力集中，加之汽輪機組運行過程中開停車頻繁，汽缸缸體承受溫差應力作用，在鑄造缺陷處產生裂紋并擴展。裂紋一旦擴展到上、下缸體結合面，高溫高壓蒸汽泄漏會引起重大事故，必須徹底清除裂紋缺陷、消除隱患。

1.3 修理難點

ZG20CrMoV 材料鑄件缸體裂紋修理難度大，不僅要防止修理過程中裂紋擴展，特別是避免裂紋擴展到汽缸上、下缸體結合面增加補焊后的密封面加工量，也要避免過大的、不均勻的焊接熱輸入引起汽缸結合面變形。而且ZG20CrMoV 低合金耐熱鋼鑄件焊接性差、采用同質焊接材料補焊時需采取嚴格的工藝措施，防止產生新的焊接冷裂紋。

2 汽缸缸體補焊焊接方法選擇

2.1 ZG20CrMoV 材料焊接性分析

汽缸材料為ZG20CrMoV，其主要化學成分見表1（摘自JB/T 9625—1999《鍋爐管道附件承壓鑄鋼件技術條件》），屬于低合金耐熱鋼，金相組織主要為珠光體。

表1 ZG20CrMoV 鋼化學成分（質量分數） %

按國際焊接學會（IIW）推薦的碳當量計算公式，ZG20CrMoV 的碳當量=0.81%＞0.45%，焊接性較差，焊接時快速冷卻可能出現淬硬的馬氏體組織。汽缸的缸體開裂處厚度大、存在形狀突變，造成補焊處剛性大、應力集中大，當補焊時預熱、層溫和焊后消氫措施及焊接規范數、消除應力熱處理措施不合理時，冷卻速度快、擴散氫濃度高，焊縫金屬和熱影響區產生淬硬的馬氏體組織部位，在焊接應力和擴散氫作用下產生氫致裂紋，由于氫的擴散、聚集和誘發需要一定時間，所以為延遲裂紋[1]。

當鋼中含有Cr、Mo、V 對再熱裂紋敏感的合金元素，消除應力熱處理規范不合適時，容易產生再熱裂紋（也稱消除應力裂紋），ZG20CrMoV 再熱裂紋敏感指數PSR=ω（Cr）+ω（Cu）+2ω（Mo）+10ω（V）+7ω（Nb）+5ω（Ti）-2，取ZG20CrMoV 鋼的實際合金成分含量計算，最小值也為1.9，大于0，容易產生再熱裂紋。

補焊工作應保證焊接接頭有與缸體母材基本相等的強度和塑性，特別是與缸體母材相當的高溫持久強度。保證焊接接頭與母材相當的抗高溫氧化性能、抗脆斷性能。焊接接頭應有與缸體母材相近的熱膨脹系數和導熱率，減小焊接接頭在高溫運行過程中的熱應力。在此前提下，減少焊接缺陷的產生。

ZG20CrMoV 同質焊接材料補焊時，除了采取工藝措施、由技能熟練焊工操作，避免一般低合金鋼材料可能出現的氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等焊接缺陷。為避免延遲裂紋及再熱裂紋，首先應做好缺陷清除、保證焊接坡口的加工質量，清除裂紋源；做好焊接材料的清理，除去容易引起焊接缺陷的油、銹、氧化皮等污物；選用焊縫金屬合金成分與強度性能與母材匹配的焊接材料；根據焊件材料、補焊部位拘束度大小選取合適的預熱溫度和焊后消氫規范、消除應力熱處理規范，避免焊接接頭冷卻速度過快，得到理想的焊接接頭組織性能，避免產生延遲裂紋和再熱裂紋[1]。

2.2 ZG20CrMoV 焊接方法比較

根據DL/T 753—2015《汽輪機鑄鋼件補焊技術導則》，汽輪機鑄鋼件的補焊方式有熱補焊、同質冷補焊、異質冷補焊。

（1）熱補焊。采取與ZG20CrMoV 母材匹配的焊接材料施焊，如2.1 節分析，需要采取控制焊接熱輸入、降低擴散氫含量、預熱和及時后熱、焊后熱處理的措施以防止冷裂紋產生[1]。由于裂紋緊鄰汽缸結合面，這樣的同質熱焊法修補需要預熱、連續焊接、后熱及焊后熱處理，造成汽缸缸體局部溫度升高、受熱不均勻，會引起汽缸結合面的變形，給修復工作增加困難。

（2）同質冷補焊。選取超低氫高韌性焊接材料，相比熱補焊，在較低的預熱溫度下補焊，此次補焊工作，超低氫高韌性焊接材料采購困難，而且深20 mm、寬30 mm、長150 mm 的焊接量和立焊的焊接位置決定了焊接應力相對較大，ZG20CrMoV 汽缸缸體采取同質冷補焊減小焊接應力的難度較大。

（3）異質冷補焊。選取鎳基焊條，相比熱焊，在不預熱或較低的預熱溫度下補焊，鎳基焊條熔敷金屬塑性相對較好，可以減小補焊時的焊接應力。

2.3 ZG20CrMoV 焊接方法的確定

考慮汽缸缸體的補焊工作量大，通過對熱補焊、同質冷補焊、異質冷補焊3 種焊接方法的比較，確定采取異質冷補焊。保證焊接質量、保證補焊后幾何尺寸滿足缸體密封要求的前提下減小勞動強度、提高補焊工作效率。

3 施工方案的制定

3.1 焊接材料的選擇

使用鎳基奧氏體焊接材料補焊ZG20CrMoV 珠光體鋼時，需考慮奧氏體與珠光體導熱系數不同、線膨脹系數不同，焊后冷卻時焊縫金屬與汽缸缸體收縮量不同而產生焊接接頭殘余應力。

異質冷補焊時選用與ZG20CrMoV 缸體母材導熱系數、線膨脹系數相近的鎳基焊接材料ENiCrFe-3 焊條，汽缸缸體與鎳基焊接材料性能對比見表2。填充金屬與ZG20CrMoV 珠光體鋼線膨脹系數相近可減小應力，焊接應力集中在相對塑性好的奧氏體焊縫一側，可以降低焊接接頭殘余應力，減小汽缸在高溫下工作時補焊部位產生的附加熱應力[2-3]。

表2 ENiCrFe-3 熔敷金屬和ZG20CrMoV 鋼在550 ℃與20 ℃之間典型物理性能對比

3.2 避免焊縫金屬稀釋易產生裂紋

ENiCrFe-3 奧氏體焊接材料與ZG20CrMoV 珠光體鋼異種金屬焊接時，焊縫金屬受珠光體鋼稀釋，在過渡區產生脆性馬氏體，此部位容易產生焊接裂紋。焊接接頭中的過渡區無法避免，焊縫金屬中較高的鎳含量，可以促進在過渡區形成奧氏體組織、減少馬氏體組織，減小脆性過渡區，以提高焊接接頭韌性，避免產生焊接裂紋[2]。

3.3 減小碳遷移產生應力集中

鎳基奧氏體焊條焊接ZG20CrMoV 珠光體鋼時，如果焊接接頭在高溫下停留時間過長，在奧氏體與珠光體交界處會產生嚴重碳遷移，珠光體側形成脫碳層、軟化，奧氏體一側增碳層、硬化，兩側性能相差懸殊，產生較大的應力集中，降低焊接接頭的承載能力。

能夠在珠光體鋼側先堆焊奧氏體過渡層，并控制過渡層焊接時熱輸入，減小焊接接頭高溫下停留時間，也可以減小焊接應力，減小珠光體稀釋和碳遷移的影響。

4 汽缸冷焊法補焊步驟

4.1 裂紋的清除及坡口制備

為避免修理補焊過程中裂紋擴展，在裂紋尖端處鉆止裂孔。然后使用角磨機清除裂紋并制備坡口，打磨過程中使用10 倍放大鏡查看裂紋清除情況，坡口制備避免存在較深溝槽，在減小焊接填充量的前提下保證焊接坡口形狀平緩，以方便焊接層次布置并減小焊接應力。

嚴格清理焊接坡口表面和焊接材料，清除油、銹、污物，防止硫、磷等雜質熔入焊縫，減少氣孔和裂紋產生的傾向。

4.2 坡口制備和焊接順序

為保證有足夠的過渡層施焊空間，便于減小過渡層施焊時熔合比、減小碳遷移的影響，坡口角度比普通對接縫大，坡口結構如圖2 所示。先在整個坡口面堆焊隔離層，然后采取多層多道焊的焊接層次、由坡口面向中間分層施焊，每一道焊縫沿坡口長度方向分段退焊。

圖2 焊接坡口及焊接順序

4.3 焊接規范

（1）焊前氧乙炔中性焰加熱消氫，加熱區域大于補焊區域周圍100 mm，加熱至250～300 ℃，保溫2 h，使用紅外線測溫儀測溫。

（2）采用Φ2.4 mm 的ENiCrFe-3 焊條施焊，使用前在250～300 ℃烘干1 h，選取盡量小的電流，以評定合格的焊接線能量的下限施焊，減少裂紋產生傾向。

（3）焊前和焊接過程中使用氧乙炔中性火焰預熱并保證層溫在60～100 ℃，避免焊接接頭與周圍母材溫差應力過大，也避免層溫過高產生焊接熱裂紋。

（4）按4.2 節順序施焊，施焊過程中，焊條盡量減少擺動，以加強熔池保護。分段施焊，每段焊道長度25～30 mm，避免焊接熱輸入過大，熄弧時保證每處焊道弧坑填滿，防止出現弧坑裂紋。

（5）每處焊道焊后立即用不銹鋼圓頭小錘錘擊，減小焊接應力，350 ℃以下停止重擊。蓋面層不進行錘擊消除應力。因為滲透檢測需要焊縫冷卻至50 ℃以下才能進行，避免反復冷卻再預熱產生應力，除了蓋面層焊道，其余每層焊縫不再進行滲透檢測。去除渣殼飛濺，使用10 倍放大鏡檢查，如果發現裂紋，將裂紋清除后按前述步驟補焊，合格后再繼續施焊。

（6）補焊焊縫表面打磨光滑與母材圓滑過渡，以減小形狀缺口及結構不連續帶來的應力集中（圖3）。

圖3 過渡層焊縫及最終補焊效果

5 修理效果

補焊焊縫使用10 倍放大鏡檢查無裂紋，立即進行保溫緩冷。因ZG20CrMoV 鋼材有延遲裂紋傾向，焊縫表面打磨至周圍汽缸缸體母材平滑，在焊后24 h 后進行滲透檢測，無裂紋、氣孔等缺陷，確認合格使用。

使用鎳基合金焊條冷焊法對汽輪機ZG20CrMoV 汽缸缸體裂紋進行焊接修復，通過先在坡口面堆焊過渡層、選取合適的焊接工藝規范，減少了碳遷移并減小焊接應力，有效防止了裂紋產生，更可以減小缸體變形，節省缸體補焊后加工成本，保證修理質量。