異質冷焊法在汽輪機法蘭與墊片密封焊中的應用探討

馬寶國，劉杰，王文軒

（國家能源集團寧夏煤業有限責任公司煤制油化工安裝檢修分公司，寧夏 寧東 750411）

所研究機組汽輪機由德國西門子制造，其缸體通過鑄造成型。機組主要參數見表1。

表1 機組主要參數

該汽輪機缸體在拆除過程中，需要對法蘭墊片進行切割，若切割方式不當或者經驗欠缺，容易導致法蘭密封面損傷，該機組汽輪機缸體在舊墊片拆除后，安裝時需將新墊片與法蘭焊接，屬于異種鋼焊接。法蘭材料為G17CrMoV5-10，墊片材料為F91，兩種成分組織差異較大，容易出現裂紋,且按照相關焊接技術標準F91 常規焊接中需要熱處理，這給實際的維護過程帶來了很大的困難。本文將分析兩種材料的可焊性，結合具體的施工條件，選擇合適的焊材，最后確定合適的焊接工藝。

1 母材焊接性分析

1.1 G17CrMoV5-10 焊接性分析

G17CrMoV5-10 是一種貝氏體耐熱鋼，以鉻為主要合金元素，并添加一定的鉬，鉻和鉬元素的加入可以有效提高鋼的高溫強度，釩的加入使鋼具有一定的抗氧化性。此外，鉻和鉬還提高了鋼的淬透性，在修復焊接過程中容易產生硬脆的馬氏體組織，并產生較高的內應力，焊接時容易產生裂紋。G17CrMoV5-10母材的化學成分見表2。

表2 G17CrMoV5-10 的化學成分(V%)

根據IIW（國際焊接學會）推薦的碳當量計算公式：W(C)=w(C)+l/6w(Mn)+l/5[w(Cr)+w(Mo)+w(V)]+l/15[w(Ni)+w(Cu)](%)。

G17CrMoV5-10 室溫碳當量計算在0.69%～0.95%。當碳當量Ce 時≤0.4%的焊接性好；當碳當量Ce 在0.4%～0.6%時，焊接性稍差，焊接前需要適當的預熱；當碳當量Ce ≥0.6%焊接性差時，是一種難以焊接的材料，需要較高的預熱溫度和嚴格的工藝方法。G17CrMoV5-10 的碳當量大于0.6%，表明該鋼種硬化傾向大，冷裂敏感性大，焊接時，應采取措施防止裂紋。

1.2 F91 焊接性分析

F91 鋼是美國在20 世紀70 年代開發的一種熱強度鋼，用于火力發電廠的鍋爐蒸汽管道、導管、再熱器、集熱箱等高溫部件。相關研究表明，F91 鋼TIG 焊接接頭在600℃下1000 小時的最大持久強度可達122MPa，焊縫在600℃下的高溫持久強度甚至優于國產P91 鋼。F91 鋼有較大的硬化和冷裂傾向，焊接時可能出現冷裂紋和熱裂紋。因此，鋼在常規焊接前需要預熱，焊接后需要熱處理。其化學成分及性能要求見表3。根據國際焊接學會推薦的碳當量計算公式，計算出F91 的碳當量為1.96%～2.38%，遠遠大于0.6%，表明該鋼具有相當大的硬化傾向，對冷裂紋的敏感性非常高。是一種金屬材料，焊接性比G17CrMoV5-10 差。

2 焊接工藝的確定

根據母材焊接性的分析，該兩種鋼焊接性均比較差，因此焊接工藝及相關技術參數要求比較苛刻。如何選擇焊接工藝是保證設備長周期運行的首要任務，根據相關規范標準，目前現場的鑄鋼補焊修復方法有三種，即熱焊、同質冷焊、異質冷焊。熱焊即屬于常規的焊接，需要進行焊接前預熱，焊后進行熱處理。異質冷焊是在較低的預熱溫度下，采用與母材成分不同的焊接材料進行焊接，一般不需焊后熱處理的補焊方法。結合現場實際，異質冷焊的焊材要對焊縫周圍母材的焊接應力具有一定的補償作用，優于同質冷焊，故該部位較為適合的工藝為異質冷焊。

2.1 焊前準備

更換密封墊片時，操作人員要提前熟悉該部位設備的結構，否則，容易在切割舊密封墊片時，將汽輪機法蘭面割傷，在本次檢修實踐中，就出現了這樣的情況，給檢修工作帶了不必要的麻煩。故在切割時，切割機的切片不能靠近汽輪機法蘭密封面，切片與法蘭面保持平行且留有1 ～2mm 的距離，切割完成后，再將殘留在法蘭面上的原焊縫金屬打磨干凈，采用機械的方法打磨切割，直至露出金屬光澤為宜。其次，焊接前將被焊部位兩側母材各25mm 寬的范圍內的油污等徹底清除干凈。預熱可采用熱電偶加熱，也可采用火焰預熱，需要提前準備足量的氧乙炔。測溫可以采用遠紅外或激光測溫儀，當采用火焰局部預熱時，宜釆用便攜式紅外測溫儀測溫。

2.2 焊接方法及焊材

焊接方法選擇應綜合考慮焊接質量保證的難易程度、現場工藝的可操作性，應選擇過程控制方便，焊接應力及變形較小，施工成本較低，容易實施的焊接方法。本次檢修案例中，法蘭密封面割傷后，焊接后應該進行消除應力熱處理，考慮到法蘭較厚，且會將預先固定的螺栓一并進行熱處理，對螺栓的組織性能產生較大的影響，故采用熱焊法整體熱處理不適用于本次法蘭面修復及墊片密封焊接，選擇異質冷焊法對法蘭面進行修復。焊前需要預熱80 ～150℃。焊材選擇抗裂性能較好的ERNiCrFe-3 焊絲，焊絲的成分如表4 所示，該焊絲Ni含量高達68%，特別合適異種鋼的焊接。焊接方法采用鎢極氬弧焊焊接，可以在不影響密封性能的同時，減少熱量輸入，防止法蘭變形。

表4 ERNiCrFe-3 焊絲的成分

2.3 焊接工藝參數

當焊接方法及焊材確定后，其他的焊接工藝參數根據現場檢修實際可以確定，這個切痕較小，法蘭切痕的補焊與墊片與法蘭的焊接采用相同的焊接工藝。密封焊焊接厚度3mm，焊接層數為2 層，故可以選擇常用的直徑為2.0mm 的鎢極。焊接電流根據鎢極的直徑來選擇，本次檢修電流為120 ～135A，保護氣體為純度99.99%的氬氣，流量可以設定為15 ～18L/min.具體焊接工藝參數見表5。

表5 焊接工藝參數

2.4 焊接過程

2.4.1 焊前預熱

焊前預熱方式應根據鑄鋼件材料、焊接位置及確定的補焊工藝方法等確定，本次采用局部預熱火焰加熱方式，焰心至工件的距離應在10mm 以上，火焰噴嘴的移動速度應保持穩定，不得在一個位置長期停留，當使用多個噴嘴進行加熱時，宜對稱布置，均勻加熱，在預熱的過程中，使用紅外線測溫儀進行監測，當溫度達到要求值時再開始焊接作業。

2.4.2 道間溫度控制

異質冷焊修復鑄鋼件時，道間溫度不宜高于150℃，采用紅外線測溫儀一直檢測，若溫度超過150℃時，則立即停止施焊，等溫度降下來再開始進行焊接。法蘭與墊片密封焊接時，可采用同樣的方法控制溫度。

2.5 焊后檢驗

焊縫區應進行100%外觀檢驗，焊縫區不允許存在裂紋、未熔合、未焊透、氣孔、夾渣等缺陷。因為本次焊接部位空間位置狹小，無法開展射線及超聲波檢測，故應對焊接區和周圍母材進行表面無損檢測，本次檢修完成后對焊接區域采用了滲透檢測，未發現有任何表面缺陷，均達到I 級合格標準。

3 結語

本次汽輪機缸體法蘭面補焊修復及密封墊片焊接采用了異質冷焊法，該方法焊接的焊縫目前運行已超過一年，運行狀況良好。此方法在汽輪機缸體法蘭面的修復補焊中應用效果良好，短期對法蘭面進行了修復，為企業節約了大量成本。實踐說明，G17CrMoV5-10 和F91 兩種材料都具有較差的焊接性能,但采用異質冷焊法，選擇具有良好焊接性的ERNiCrFe-3 焊材，能夠保證焊接的使用性能。