汽轮机汽缸内壁裂纹焊接修复

汽轮机汽缸内壁裂纹焊接修复

胡杨

中国石油天然气股份有限公司辽阳石化分公司，辽宁 辽阳 111003

摘要：某热电厂#2汽轮机组A修过程中，通过金属监督检测发现该机组上汽缸内壁低压端有裂纹，由于现场不具备整缸热处理条件，同时为了避免机组受到过大热应力而产生变形，经研究决定采用镍基焊材冷焊工艺修复，焊后裂纹消除，达到预期效果。

关键词：汽轮机；汽缸裂纹；冷焊工艺

0 序言

某热电厂#2汽轮机组为北京重型电机厂生产的型号B12-90/10机组，汽缸进汽压力9.8MPa，工作温度为540℃。2020年机组A修时对汽缸磁粉探伤检查时发现汽缸低压端左侧内部存在一长50mm深度10mm的裂纹（如图1）。经硝酸酒精腐蚀，未发现补焊金属组织，判定缺陷处未经过补焊工艺。

图1 汽缸裂纹位置及外观

1 裂纹产生的原因

（1）汽缸的形状和结构复杂，过度区域存在很大的厚度变化且角度小，过度区域比较容易产生铸造缺陷以及形成应力集中区，在一些强度较弱的区域将形成裂纹。由于汽缸结构复杂，在铸造时容易产生气孔、偏析、夹渣、成分超差等缺陷，降低母材强度，容易产生汽缸裂纹。

（2）汽缸长期运行在高温高压环境下，特别是机组启机、停机和负荷变化时，会受到不同的交变应力。在一些变截面处便容易产生裂纹。

（3）该机组汽缸材质为ZG20CrMoV，铸造时在钢水未完成固态时，冷却温度控制不当使收缩受阻，铸件内就容易产生应力和塑性变形，是铸件产生裂纹的根本原因。

2 汽缸材质介绍

B12-90/10型机组是单缸高压汽轮机，缸体由上下两部分组成，该高压缸的材质为 ZG20CrMoV钢，其主要化学成分见表所示，该钢的碳当量在0.45％以上，因而焊接性较差，极易出现裂纹，焊后易在焊缝和近缝区形成塑性差的组织，结构刚性又较大，如焊接工艺不合理，就可能在焊后发生脆裂。

ZG20CrMoV钢的化学成分 （质量分数） （%）

对于汽缸裂纹的处理普遍采取挖除补焊的工艺，为保证焊接质量的可靠性，工艺要求相当严格。

3 补焊工艺分析和选择

3.1采用同质焊材热补焊工艺

热补焊是采用与汽缸成分相当的珠光体耐热钢焊条热307，焊前预热150～300℃，焊后高温回火等热处理，严格按工艺要求，焊缝性能与母材相近。但焊接工艺以及焊后热处理要求比较高，因现场条件有限，加上热焊接时汽缸变形等，焊接质量往往达不到检验要求。

3.2采用不同焊材冷焊工艺

3.2.1采用奥氏体焊材进行补焊，其优点有：

（1）焊缝是奥氏体钢组织，其特性是不会发生相変，对焊接热处理不做要求，进行冷焊接。简化了焊接和热处理工艺，避免铸钢受热，产生热应力和变形。

（2）奥氏体焊缝组织对缺口的敏感性比珠光体组织低，能有效的降低焊后残余应力以及气孔等焊接缺陷的产生。

（3）奥氏体焊缝的塑性和抗裂性较好，对氢有较大的溶解度，可避免因氢扩散让焊缝产生裂纹。

（4）奥氏体焊缝组织的屈服极限值低于ZG20CrMoV钢，热膨胀系数大于母材，能有效的降低焊接应力，避免了焊缝结构的破坏。

综合以上分析，冷焊补焊法方法是完全适应ZG20CMoV裂纹的处理。

3.2.2用奥氏体焊材补焊属于异种材料的焊接，仍需解决以下问题：

（1）奥氏体补焊珠光体钢材时，由于近焊缝冷却速度大，加上母材熔化对焊缝金属的稀释，在焊接近缝线附近会出现马氏体，其组织具有低塑性，高硬度，并形成1mm淬硬层，给焊接头带来隐患。

（2）珠光体母材和奥氏体焊缝金属元素含量不一致，高温下金属元素比较活跃。使珠光体侧的碳向奥氏体焊缝侧扩散、迁移，使母材一侧的近焊缝区产生脱碳层，其强度较低。相反在奥氏体焊缝侧会有一个增碳层，其强度高，韧性下降，使整个焊的性能下降。

3.3 焊接工艺的确定

该钢的热导率小，热膨胀系数大。焊接区域相对整个高压缸的体积较小，补焊时焊缝金属在焊接热循环的作用下，会造成较大的变形和应力。

该裂纹距离汽缸结合面仅30mm，如采用热补焊，由于需要预热、连续焊接及焊后热处理，由于温度升高及不均匀性极易引起汽缸结合面的变形，造成更大修复困难。

综上所述，依据DL/T753-2015《汽轮机铸钢件补焊技术导则》所列焊接方式，决定采用异质冷焊法对汽缸进行补焊修复。

4 补焊工艺的实施

4.1 焊前准备

4.1.1 裂纹的清除

①在原始裂纹周围50mm范围内，不允许有其他铸造缺陷，若存在此类缺陷须扩大挖补范围，以消除该铸造缺陷。裂纹清除之前使用φ8mm钻头，在裂纹尖端前约5mm处打止裂孔，止裂孔深度为裂纹深度再加上3-5mm，初步确定钻孔深度15-20mm，现场视裂纹情况增加钻孔深度。裂纹清除要特别注意裂纹不要扩展到汽缸结合面，否则处理汽缸结合面会增加很多困难。

②砂轮片用φ100-150角磨机消除裂纹缺陷，特别注意角磨机不伤及汽缸结合面，打磨要控制打磨处温度不超过200℃，以免裂纹扩展。裂纹清除过程中经常用5-10倍放大镜查看，放大镜查看不到裂纹后检测单位采取渗透探伤方法最后确认裂纹是否消除。

4.1.2 坡口加工

①坡口形式要能够保证焊接质量、填充金属尽量少、减小焊接应力及变形，而且操作简便。坡口沿裂纹走向开设，坡口形状不应有急剧变化，以减小填充金属量和焊接应力，最后坡口成型以V型或U型均可。

②坡口及其周围100mm范围内表面砂轮打磨露出金属光泽，并不得有油污和锈等。

4.1.3 焊接材料的选用

ZG20CrMoV钢补焊区过渡层采用φ3.2mm的Ni317焊条，其余焊道选用不锈钢焊条A507，规格为φ3.2mm。采用Ni317镍基焊条施焊过渡层，可防止母材ZG20CrMoV珠光体耐热钢中的合金元素对奥氏体不锈钢焊缝金属合金的稀释作用，避免在焊缝中产生马氏体淬硬组织，影响接头质量。同时可防止靠近熔合区的珠光体耐热钢母材一侧由于碳扩散的原因而形成脱碳软化层及在奥氏体焊缝一侧产生增碳硬化层。

Ni317焊条在150～200℃下烘焙1h，A507焊条在250℃下烘焙1h，然后放入焊条保温筒内，随用随取。

4.1.4 焊前预热

ZG20CrMoV钢补焊时，由于合金元素的增多，焊接性一般，缸体刚性大，应力也较大，采用氧乙炔中性火焰局部预热，温度为60～100℃，道间温度不高于100℃。加热范围大于被焊区四周约100mm，火焰焰心距离工件100mm以上，加热要均匀，使用数字式红外表面温度仪测温。

4.2 焊接操作

①ZG20CrMoV钢补焊采用低温预热，沿整个坡口表面用高Ni317奥氏体焊材施焊过渡层，其厚度为3～5mm，过渡层焊缝均匀布满整个坡口，而不是只焊接底层；然后再用耐高温奥氏体焊条A507在室温下补焊的方法施焊。

②过渡层选用Ni3l7，φ3.2mm焊条，该焊条韧性、塑性较好，可有效地防止裂纹的产生和补焊金属层的剥离。

③选用直流焊机，在保证焊透的前提下，尽量选用小的焊接电流，电流不超过100-110A，以减小母材对焊缝的稀释。焊接时采用断续焊，后续焊道压先焊焊道，将坡口全部覆盖一层。

④过渡层焊完后，不清除熔渣，立即用石棉布覆盖保温缓冷，冷至室温后去除熔渣进行用放大镜宏观检查，如发现裂纹，应将裂纹全部清除，重新按上述步骤焊接过渡层，直至合格后再焊填充层。

⑤填充层焊接在低温预热70～100℃后进行，采用A507φ3.2mm焊条，焊条焊前烘干预热，焊接过程中，缸体金属温度不允许高于100℃。

⑥为了尽量减小气缸的变形和应力，应采用多层多道焊。但最后一道焊道应覆盖前一道焊道宽度的1/4～1/3，焊道长度不宜超过50mm。

⑦施焊过程中，焊条尽量减少摆动，以加强熔池保护。

⑧焊条使用终了不应立即熄弧，应停止焊条移动，待弧坑填满后，缓缓地逐渐拉长电弧至熄灭，以防止出现弧坑裂纹。

⑨每焊完一道焊缝后，必须清除熔渣。同时，应立即用宽度为10mm、半径为1．5～2mm的圆弧小锤进行锤击，以降低残余应力的峰值。锤击的方法是先锤击焊缝的中部，后锤击焊缝两端，锤击的程度以肉眼清晰可见锤痕为准，必须把焊缝上的每点都锤击遍。注意焊缝过渡层（即底层）和最后盖面层不需要锤击消除应力。

⑩每一道焊缝锤击结束后，都要用放大镜进行检查，确认无裂纹、未融合、砂眼等缺陷后，如有缺陷进行打磨处理，每到工序都要进行渗透着色探伤检查，确认无焊接缺陷后再进行下一焊道的焊接工作。

⑾焊接完毕，用角磨机等打磨焊缝表面，直至与母材平齐。

4.3 焊后检验

①焊缝表面是否打磨光滑并与母材圆滑过渡。

②焊后用放大镜检查有无裂纹，因钢材有脆裂倾向，故焊后24h后再进行着色渗透探伤检验，补焊区表面不得有裂纹存在。

③硬度测定：母材硬度平均值为HB165，补焊焊缝硬度平均值为HB176。

④后续检验提示：采用冷焊法对汽轮机高压汽缸裂纹进行焊接修复，不仅施焊工艺简单，而且能保证焊接质量。但需要注意由于补焊金属为奥氏体不锈钢，其线性膨胀系数比缸体要大25-30%，因而机组频繁启停会出现焊缝应力，可能会在焊缝融合线处产生裂纹，因而以后机组大修时应对该焊缝处进行着色检查是否出现裂纹。

4.4 焊后检查

焊接完成后，对焊口进行表面清理和外观检查，焊缝不得有夹渣、未熔合、咬边、裂纹等焊接缺陷。对焊缝和热影响区进行超声波探伤和着色探伤均合格。

因为该补焊区靠近汽缸结合面，焊接后复查汽缸严密性合格。

5 结束语

该机组汽缸裂纹焊接完成后，机组投运正常，未出现异常问题。在汽轮机检修过程中，如现场检修条件有限，不具备汽缸热处理条件情况下，可通过制定合理的焊接工艺，修复汽缸裂纹的缺陷。

参考文献：

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