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湛江发电厂给水泵汽轮机隔板裂纹的分析及焊接修复 |
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| 湛江发电厂给水泵汽轮机隔板裂纹的分析及焊接修复 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-26 19:51:31  |
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湛江发电厂1号机组型号是N300-16.7/537/537-3(合缸)，为亚临界中间再热两缸两排汽凝汽式机组。1994年12月开始试运行，1995年2月正式移交运营，截止至2003年8月29日，共运行46717.32h。2003年8月30日，开始对本台机组进行第三次大修，在对给水泵汽轮机解体检修时，发现第2级隔板中分面处存在着由于原来铸造缺陷诱发扩展的裂纹，已危及机组的安全运行，需要对其缺陷进行焊接修复。
1裂纹产生原因分析
1.1铸钢浇注性能不好
给水泵汽轮机隔板材料ZG20CrMo中Cr元素的质量分数较大，在浇注时，其液态金属的流动性不好，充满铸型的能力较差。此外，铸钢件单件的体积大、重量大，影响铸钢件在浇注时的成型能力。因此ZG20CrMo铸钢件本身就存在较多的铸造缺陷，如气孔、砂眼、疏松、缩孔，在运行中，这些缺陷随时会发展成裂纹。
1.2结构复杂
汽轮机隔板结构复杂，造成局部刚性小，结构的刚性不均匀，在工艺加工时，必然出现应力分布不均匀，形成严重的应力集中现象。
由于铸钢件的结构特点，在浇注时极易产生不同类型的铸造缺陷，如气孔、砂眼、疏松、缩孔，这些缺陷在运行中还会扩展成裂纹。铸钢件的结构刚性大，焊接后的残余应力水平高。这类材料的焊接性又不好，在补焊过程中，工艺不合理，极易产生裂纹，促使铸钢件原有的铸造缺陷诱发成裂纹。由于结构形状的复杂，焊后残余应力分布不均匀，造成局部地方变形不均匀，扩大了整体的变形量，而隔板是配合件，具有严格的形状和尺寸要求，这给补焊带来很大的困难。
2铸钢裂纹补焊方案的选择
珠光体铸钢件的常规补焊工艺有两种：采用奥氏体耐热钢焊条的冷补焊方案和采用珠光体钢焊条的热补焊方案。
2.1奥氏体耐热不锈钢焊条冷补焊
2.1.1冷补焊工艺的优点
冷补焊的焊缝金属是奥氏体组织，焊接过程中不发生相变，且焊缝的塑性和韧性较好，因此可不预热，也不需焊后热处理，简化了补焊工艺，避免铸钢件受到过大的热作用，从而减小被焊件的应力和变形；奥氏体组织对氢有较大的溶解度，可避免焊缝产生氢致裂纹，减少珠光体组织的近缝区产生氢致裂纹的可能；奥氏体组织的缺口敏感性比珠光体组织低，即使焊缝内部有裂纹也不易扩展；奥氏体组织焊缝金属的屈强比小于珠光体组织的，因而在应力作用下，必然产生塑性变形，从而使应力得到松弛，避免了结构的破坏。
2.1.2冷补焊存在的缺点
a) 补焊近缝区的淬硬问题
冷补焊时近缝区的冷却速度较大，最高可达120 ℃/s，在补焊的近缝区不可避免地产生淬硬组织。这种高硬度、低塑性的淬硬层约有1mm宽，给补焊接头的性能带来不利影响。
b) 奥氏体焊缝金属σ相析出脆化
奥氏体焊缝金属长期在高温下运行，将有σ相析出。σ相是Fe和Cr的金属间化合物，性脆而硬。它的析出物一般分布在奥氏体晶粒的边界处，使奥氏体焊缝的韧性下降。有资料表明，18Cr8Ni奥氏体焊缝金属在高温下长期运行1000 h，由于σ相析出，使焊缝的韧性变化幅度很大，最低韧性值降至原韧性值的10%左右。
c) 奥氏体焊缝金属与珠光体母材之间的碳扩散问题
奥氏体焊缝与珠光体母材间的合金含量相差十分悬殊，特别是Cr元素的质量分数相差更大，构成了母材的碳向焊缝扩散的条件，从而在近缝区母材侧出现脱碳层，铁素体晶粒长大，强度下降，在机组启停的热循环过程中，沿脱碳层产生热疲劳裂纹而破坏。
d) 接头产生的附加应力
奥氏体与珠光体的线膨胀系数不同，在今后的运行中，由于温度的变化，及起停的热循环过程中，在接头的界面将产生附加热应力，随着这种热循环次数的增加，热应力变化将引起接头的热疲劳破坏。
2.2珠光体耐热钢焊条的热补焊
热补焊工艺由于补焊填充材料与铸钢件材料基本一致，在高温运行条件下，不会出现冷补焊时存在的σ相析出等问题，补焊接头的性能稳定。但是，热补焊工艺复杂，需对隔板进行预热和焊后热处理，由于附加加热次数的增加，大大增加了铸钢件补焊的残余变形量。而隔板有一定的尺寸要求，因此在热补焊过程中严格控制变形是非常必要的。热补焊虽然采取了许多工艺措施，但实践表明，用热焊方法补焊的焊缝，应力水平仍是较高的，有时接近母材的屈服极限，又由于珠光体组织的焊缝塑性和韧性均较奥氏体焊缝差。为减少应力水平，补焊过程中应严格控制预热温度、热处理温度和层间温度，尽量减小焊接应力，改善焊缝组织。
为了保证补焊后焊缝组织的性能，避免冷焊带来的不稳定性，我们决定采用珠光体耐热钢焊条的热补焊工艺。
3焊接性分析
给水泵汽轮机隔板体材质ZG20CrMo，以Cr, Mo为主要合金元素的珠光体耐热钢, 其化学成分和力学性能见表1。
珠光体耐热钢由于含碳及合金元素较多，焊缝及热影响区容易出现淬硬组织，当焊件刚性较大及接头应力大时，容易产生冷裂纹，应进行焊前预热与焊后热处理，以减小焊接残余应力从而减少冷裂纹的产生。但是，铸件现场补焊的工件体积大、结构复杂，很难对补焊处进行常规的充分预热和焊后热处理。由于工件结构刚性大，拘束度大，局部补焊时产生的焊接拘束应力较大，同时冷却速度大，散热快，难于用局部加热的方法来控制焊接时的冷却速度，预热、焊接和焊后热处理都可能造成变形等种种特点，给补焊工作增加很大的难度。使用奥氏体不锈钢焊条对此类铸件进行冷补焊虽然能解决上述部分问题，但焊缝与母材是异种金属结合，存在着熔合区脆性过渡层、熔合线两侧碳迁移、线膨胀系数不同等问题，补焊区域的长期安全运行受到影响，因此决定采用同质焊材补焊。同质补焊必须同时充分考虑工件的体积、结构、刚性、冷却等多种因素的组合，采用适当的焊接工艺参数、预热和后热温度、冷却速度等才能保证补焊工作的成功。
4焊接工艺
4.1焊接设备
选用美国LINCOLN公司的V300-Ⅰ型焊机及配套工具1套，美国MX2红外线测温仪1台，氧乙炔火焰加热工具1套。
4.2焊接坡口
用机械方法将所有裂纹彻底消除后，修磨坡口成圆滑过渡的U型。在不妨碍施焊并保证焊接质量的前提下，坡口的角度越小越好，以减少热输入和工作量，减少焊接应力和提高工作效率。
4.3焊接工艺
a) 焊接方法
打磨后坡口角度要尽量小，深度最深处达50 mm。氩弧焊枪无法到达坡口底部，因此不能使用手工氩弧焊操作，只能采用手工电弧焊施焊。
b) 预热温度及层间温度
预热150～200 ℃，保持层间温度不低于300 ℃，使用美国MX2红外线测温度仪进行温度监测。
c) 焊接材料
为保证补焊区的热强性及高温性能满足工件长期高温运行的要求，选用熔敷金属的化学成分及力学性能与母材相近的低氢焊接材料——R307焊条，直径3.2mm。熔敷金属的化学成分及力学性能见表2。焊前经350 ℃烘焙1 h，随烘随用，并放在保温筒内。
d) 焊接工艺参数
为了减少焊接热输入，减少焊接应力，采用小规范参数施焊。焊接电流90～120 A，直流反接，电压20～25 V，焊接速度40～70mm/min。
5焊接操作过程
焊接操作过程详细介绍如下：
a) 用渗透探伤方法确认补焊区部位缺陷已打磨干净，对补焊区坡口及附近50mm范围内焊件清除铁锈，采用丙酮、棉纱清理去除坡口处的油污、水分、探伤试剂等杂质。
b) 采用中性火焰加热焊接部位及附近区域温度达150～200 ℃，补焊区加热最高温度和最低温度之差不超过50 ℃。
c) 施焊采用短弧操作，焊条直线运作，严禁摆动，每层分道，每条焊道厚度不超过4mm，多层多道施焊后，一道焊波覆盖前一道焊波的1/3，每焊完一道后，用圆头锤及时对焊道进行充分锤击，以通过焊缝金属的变形使焊接应力得以松弛。
d) 补焊后保证有足够的修磨余量。
e)焊接完成后，待焊接部位缓冷至150 ℃以下进行去氢处理。采用中性火焰加热焊接部位，以小于300℃/h的速度缓慢升温到350～400 ℃并保持15～20 min后，用硅酸铝包裹缓冷至室温。
f) 焊补工作结束48
h后，对补焊区及附近母材进行表面宏观检查，确认无明显缺陷，再采用机械打磨工具钳修焊接部位，使表面着色达探伤检验的要求。
g) 按JB 4730标准要求，对补焊区进行渗透探伤，确认补焊区域无线状显示为合格。
h) 精修隔板中分面，使之达到使用要求。
6结束语
对湛江发电厂1号机组给水泵汽轮机隔板进行补焊后，焊缝表面经探伤检验合格，回装投入运行使用至今已达1800h，未发现任何异常，说明对现场ZG20CrMo铸件同质补焊一次成功所采用的方案、工艺是正确、合理的，确保了机组的安全、经济营运。
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