浅谈汽缸中分面修补工艺

　　[摘要]在电力行业中汽轮机缸体均采取整体浇注而成的铸钢件，整个结构壁厚较厚和刚性很大。机组长时间工作后，汽缸内表面容产生变形或开裂。更换一台汽缸价格昂贵并且生产、运输、安装要消耗大量的时间，给整个机组的经济效益造成影响。采用在裂纹尖端前钻止裂孔后，用机加工方法彻底消除裂纹后，再用一种高镍基焊条异质冷焊补，并且在每道焊缝上锤击直至把整个坑填满。焊补处经过无损检查未发现裂纹再次发生，且满足长时间安全运行需求。
　　[关键词]汽机、合金铸钢件、冷补
　　引言
　　重庆市南川爱溪电厂为2×50MW燃煤机组，其汽机缸体为整体铸钢件，材质为ZG15Cr1Mo1V，壁厚为200mm。其中1号汽轮机缸体于2004年7月大修时发现中压缸上缸内表面有一处裂纹，距缸体边缘150mm，距隔板80mm，其示意图为图1，采用同质热补焊方法。2006年检修时发现2号汽轮机缸体低压缸上缸体内表面有一处裂纹，距缸体边缘为246mm，距中压缸侧隔板为110mm，示意图为图2，采用异质冷补焊方法。
　　
　　
　　
　　用PT和UT对裂纹1和裂纹2进行检验，裂纹1长度大约215mm，裂纹浓度最深处38mm；裂纹2长度大约55mm，裂纹深度最大处为50mm。
　　1、铸钢件ZG15Cr1Mo1V的焊接性分析
　　1.1ZG15Cr1Mo1V的化学成分（表一）
　　元素 C Si Mn P S Mo Cr V
　　含量(%) 0.12~0.18 0.17~0.37 0.40~0.70 ≤0.03 ≤0.03 0.5~0.7 0.9~1.2 0.2~0.3
　　
　　1.2ZG15Cr1Mo1V的机械性能（表二）
　　性能 σs(MPa) σb(MPa) δ(%) Αk(J/cm2) 备注
　　指标 ≥343 ≥490 ≥14 ≥29.4 20℃时横向试样U形缺口
　　
　　1.3ZG15Cr1Mo1V的焊接性
　　从ZG15Cr1Mo1V的化学成分和力学性能来看，材料本身属于含Cr、Mo、V为基的低合金耐热钢。首先钢中的合金含量具有不同程度的淬硬倾向，在焊接热循环的作用下，焊缝金属和热影响区可能形成对冷裂敏感的显微组织；其次低合金耐热钢含有的Cr、Mo、V元素等强烈的碳化物形成元素，从而使接头过热区产生再热裂纹的倾向，并且耐热钢的焊接接头，存在一定量的残余元素时，具有明显的回火脆性；再者钢材本身是一个铸钢件，铸钢件本身有着粗大的晶粒和组织，使材料的强度、硬度增加，塑性韧性下降，容易引起开裂；还有结构壁厚达200mm以上，刚性较大，其焊接时形成冷裂纹的条件之一焊接残余应力相当大，故作为低合金耐热钢，其本身焊接性一般，但由于铸件和厚壁刚性大，使得焊补时，可焊性变得极差。
　　2、焊补工艺
　　2.1裂纹的清理
　　首先用PT检查确定裂纹尖端的位置，并作好标记，再用UT检查裂纹的深度。确定好裂纹的长度和深度后，在裂纹的尖端外10mm处用手枪钻φ6的钻头，在裂纹的两端钻两个止裂孔，由于裂纹深度较深，止裂纹可分几个阶段进行。然后用机加工方法例如錾子、钢磨头对裂纹进行清理，清理一定程度后发生止裂孔几乎被全部消除前应再向下钻止裂纹，以防止在清理裂纹过程中，被清除处由于应力松驰，裂纹继续扩展。直至最后全部消除裂纹。并用PT再次检查确认裂纹是否清除干净。清除后坡口形状和尺寸见示意图3。
　　
　　图3<2>（α≥15°,H≤50mm，L≥0.5H，R≥5mm）
　　2.2补焊工艺
　　2.2.1裂纹1采取同质热补焊
　　用块状加热器于中压缸外侧裂纹处敷两块10kW的加热器，用30kW可控硅电源盘，TDM微机温控仪，温度补偿导线K分度，铠装热电偶精度0.5级进行预热，裂纹周围处用硅酸铝保温材料防止热量散失，但由于汽缸壁厚较厚且整体体积较大，缸体传热较快，预热温度升温较慢，升至100~200℃之间开始焊接。
　　2.2.2焊接工艺
　　焊材：E5515B2Vφ2.5烘烤350℃/h
　　焊接方法：手工电弧焊（SMAW）
　　电源极性：直流反接
　　焊接电流：60~75A
　　焊接电压：22~24V
　　焊接时作不摆动焊且每道焊层厚度为2.5mm至3mm，采取多层多道焊，在每一道焊缝停弧后立即用榔头对焊缝进行锤击，锤击采取从焊缝两头向中间的方法，直至整个坡口填满。在补焊过程中始终保持电加热。
　　2.2.3裂纹2采取异质冷补焊<3><4>
　　由于缸体结构较大，刚性相应较大，且又加之铸钢件本身晶粒粗大，和晶粒之间排列是呈树枝状，先结晶主轴特别粗大，造成缸体强度相应提高而塑性、韧性相对下降，并且结构中不可避免存在一定量的夹杂和位错等更进一步使铸钢件变硬、变脆。裂纹缺陷清理后，一般补焊深度大约在50mm，缺口宽50mm，长度为80至100mm这样的一个坑口。用焊接材料填补时，其坡口四周包括坡口底部全部为刚性体，在焊接热循环下，缸体本身采取外加热的方式而相应来说收效甚微，其散热快，加热器不宜布置。这样对一个焊补的坡口来说，焊缝金属从液态至固态，从高温至室温收缩时几乎全部依靠外加焊材的收缩量来弥补。如果焊缝填充金属的塑性不足以满足焊缝的收缩量时，则不管怎样，焊补处会再次出现裂纹，考虑到上述因素，开县白鹤电厂2#汽缸采取塑性非常好的高镍基焊条75.15M，并且用冷焊补的方式。
　　2.2.3.1焊材的化学成分和机械性能见表三、四
　　表三75.15M化学成分表
　　元素 C Si Mn P S Cu Ni Cr Mo
　　含量% 0.028 0.160 2.460 0.002 0.006 0.013 69.440 16.200 1.150
　　元素 Co Nb Fe      
　　含量% 0.013 1.62 8.83      
　　
　　表四75.15M机械性能
　　抗张试验 冲击试验
　　抗拉强度极限
　　RMMPa 屈服强度极限
　　RP0.2MPa 伸长率
　　A%(5)d 面积收缩
　　Z% 试验温度
　　℃ 缺口型式 冲击值
　　J 冲击强度
　　J/cm2
　　640 360 40  +20
　　-196 V
　　V 85
　　75 
　　
　　2.2.3.2焊接工艺
　　焊材：75.15M  φ2.5烘烤350℃/1h
　　焊接方法：手工电弧焊（SMAW）
　　电源极性：直流反接
　　焊接电流：60~75A
　　焊接电压：22~24V
　　每层厚度：2~3mm
　　焊接时，焊条作不摆动焊，每道焊缝的宽度小于等于5mm，每道焊缝长度小于等于50ｍｍ，下道焊缝与上道焊缝重叠不大于10mm，每道焊缝熄弧后立即用榔头和园錾对焊缝作锤击，让焊接应力松驰，锤击的方法从中间向两头，每个锤痕之间的距离不大于5mm，锤击后能明显看见焊缝表面上留下锤击的痕迹，直至填满整个坡口。
　　3、焊后处理
　　3.1裂纹1焊补后处理
　　裂纹1用E5515B2V焊条同质焊补，焊完后立即在焊补处敷设10KW的加热器，背面的加热器继续使用。但由于考虑到缸体结构较大和传热较快，并且升温比较困难，采取的是后热的方法，后热温度250至300℃之间，恒温1小时后，随着炉冷却。
　　裂纹2用异质焊条焊补后，即用榔头锤击整个坡口表面的焊缝，锤击时先中间再往边处扩展，并且反复多次，锤击后能看见整个焊缝表面的焊缝金属上明显有敲击过后的痕迹。
　　4、焊后检验
　　分别对裂纹1和裂纹2焊补后，冷却至室温，再隔24小时打磨平整，并圆滑过渡，先用PT检查，后用UT检查结果如下：
　　裂纹1焊补后PT检查发现焊补区域存在裂纹，共计3条，最长一条有18mm，最短的一条有6mm；用UT检查发现在层间同样有尖锐的反射波，反射波不规则，深度也表现在不同的位置，从反射波的情况来看，焊补后表面和层间呈在不同程度的开裂现象。
　　裂纹2同样做了上述检查，均未发现上述情况，经检查合格，并运行至今在检修中未再发现焊补处再次再现裂纹。
　　5、焊补开裂处的再次处理。
　　由于1号中压缸开裂采用同质热补焊，未达到预先的效果，故在分析原因下功夫，继而选取了2号缸的焊补方法，裂纹处才得以解决，运行至今未再焊补处再次开裂。
　　6、两次焊补成败的分析
　　首先对裂纹1处理进行分析，裂纹出现在中压缸内侧上，其母材为ZG15Cr1Mo1V本身只属于低合金耐热钢，按现今的焊接条件和焊接工艺焊接是不存在太多的问题，其焊接方法和方式都比较成熟且行之有效，当时考虑铸钢件本身组织粗大和结晶存在偏析以及杂质聚集等原因，采用预热和焊接过程中保持预热的方式。但由于裂纹处不宜和不好布置加热器，选择从裂纹背面布置加热器来预热。又考虑到ZG15Cr1MoV属低合金耐热钢，为了今后安全运行和运行过程中尽量减少杂质合金元素，以及碳原子的扩散和迁移，造成某些区域合金元素含量偏高，某些区域合金元素偏低，其结果使得某些区域强度、硬度增加，而相应一些区域的强度不够又再次开裂。故而选择同质热补焊。
　　最终焊补后再次开裂现象的发生，是表明了虽然在焊接工艺上作了一系列的减小焊接线能量，用预热和后热降低焊接残余应力，用锤击每道焊缝来松驰应力等方法，但最终在焊接热循环的作用下，液态金属从高温降至凝固点以及在固态下都相应要收缩，而缸体四周却刚性非常大，同质金属的塑性量不足以满足坡口处需要的伸缩量，在强大的应力作用下发生开裂。
　　对裂纹2处理分析，在裂纹1的基础上虽然此种焊补方式有利有弊，但最终看来是可取的。用一种塑性和韧性都相当好并且其机械性能更优于ZG15Cr1Mo1V的材料去焊补。在此情况下看来是首选。又由于缸体整体结构较大和壁厚较厚以及铸钢件本身塑性较差，即使采用预热和后热的方法其效果是不明显的。75.15M焊条从成份和力学性能远远优于缸体本身的性能，但其主要的优点在于其本身的塑性上，它是焊补铸钢件缸体的关键所在，焊后能够保证焊补处不会开裂。并且在运行过程中本身的热强性同样高于缸体母材本身。故采取适当的焊接方式并加以控制，即使在冷补条件下就会收到很好的效果。
　　7、结论
　　从裂纹1的再次补焊以及裂纹2的补焊来看，对于结构刚性较大和本身塑性相对来说较差的条件下，在考虑同质补焊的工艺及方法上要加以足够的认识。如果同质补焊能够满足条件是最理想不过的，但由于各方面的原因以及焊接本身的特点，在某些条件下无法达到预先的要求，因此为了节约成本和工程工期考虑，可以采用更优质的材料来弥补结构及其母材本身的不足。但是在异质材料的选取上要考虑材料本身的特点，以及焊后合金元素的扩散与迁移，晶粒的长大以及对石墨化的影响等。
　　选取75.15M优质材料来补焊，从补焊的结果以及从运行上来看是完全能够满足结构上需要的，工艺相对来说简单，操作难度低，经济效益好，焊后性能可靠的优点。在电厂检修领域中具有广阔的前景和重要的经济价值。
　　
　　参考文献
　　1、《汽轮机检修工艺》
　　2、《焊接手册》第2卷材料的焊接
　　3、DL/T752-2001《火力发电厂异种钢焊接技术规程》

《浅谈汽缸中分面修补工艺》

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