摘要：在汽轮机主蒸汽调节阀的实际生产过程中，由于焊接结构困难、生产计划和任务紧张等因素，对降温和保温阶段的控制不到位。焊缝虽经回火或焊后热处理，但焊缝常出现裂纹。通过对焊缝显微组织硬度的测试，发现焊缝硬度极不均匀，且差异较大。这主要是在降温阶段，残余奥氏体未全部转变为焊态马氏体组织。所以，即使经过热处理，焊缝最终得到的组织为焊态马氏体+回火马氏体的混合组织。基于此，本文主要对汽轮机主汽调气阀焊接质量提升进行分析探讨。
关键词：汽轮机；主汽调气阀；焊接质量；提升措施
1、焊接性分析
材质为ZG1Cr10MoWVNbN的60万千瓦蒸汽轮机主汽调气阀重量为13.8t（空心），18.5t（实心），铸件的轮廓尺寸：2783×1120×1190mm，最大壁厚为1120mm（实心）。ZG1Cr10MoWVNbN高合金钢铸件，属于P91钢系列，常温组织为马氏体。该铸钢件合金成分比较多，能有效提高产品的强度，硬度及高温强度，但钢的淬硬倾向大，易产生裂纹，该产品最终获得的是马氏体组织。由于马氏体相变系数比较小，因而产生的相变体积收缩较大，焊缝应力较大，容易产生裂纹缺陷；其次由于疏松组织本身的致密性比较差，强度低，在缺陷气刨挖除的过程中，常有肉眼可见的碎裂纹存在，此类缺陷焊接后，在较大的焊缝应力作用下，很容易产生裂纹及未熔合缺陷，且常出现在缺陷坑底部或者缺陷焊补边缘；此外由于该铸钢件的结构特殊性，在管的内腔产生的结构应力比较大，这也是导致产生裂纹的重要因素之一。
除此之外，由于多次碳弧气刨铲除缺陷，引起晶粒粗大，粗晶组织会引起接头的韧性下降，因此在焊接过程中要使用较低的焊接线能量，E=60UI/V（J/cm）；热影响区的软化，AC1~AC3之间部分奥氏体化，沉淀强化相不能够完全溶解在奥氏体中，粗化，强度降低，软化对短时高温强度影响不大，但降低持久强度，产生Ⅳ蠕变裂纹；马氏体板条的位向、大小、原奥氏体的晶粒度、碳化物的类型、形状、分布在BM、HAZ、WM的分布有或大或小的差异。组织以回火马氏体为主，合理的析出相数量、尺寸、分布；异常组织的控制（δ-铁素体、过度回火组织等）；合理的韧性值和韧性储备是必要的，同时要考虑蠕变性能，二者兼顾，不能一味的追求高冲击功，这些都会影响该铸件的焊接性，必须全面考虑。ZG1Cr10MoWVNbN铸钢件的化学成分和室温下的机械性能分别见表1和表2。
表 1 ZG1Cr10MoWVNbN 化学成分 wt%
表 2 ZG1Cr10MoWVNbN 室温下的机械性能表
该铸钢件的难点在于焊接性差、焊接工艺的制定，包括合理的选择焊接材料、预热温度、层间温度、后热温度及其指定焊后热处理工艺等，因此需要分析其焊接性和有针对性地制定焊接工艺，并严格按照焊接工艺要求进行操作，可以有效控制焊接过程中的缺陷产生。计算镍当量和铬当量，由经验公式得母材的镍当量和铬当量为：
Creq=Cr-40C-2Mn-4Ni+6Si+4Mo+11V+5Nb-30N+1.5W%=9.694%
Nieq=Ni+Co+0.5Mn+30C+25N+0.3Cu%=4.726%
Nieq/Creq=0.487
通过计算可以看出Nieq/Creq≥0.42满足目标值；其中Cr元素的主要作用是提高耐腐性、抗高温氧化性；Ni元素主要的作用是增强抗酸的腐蚀能力，提高材料的韧性，延展性和优良的综合性能，使它便于加工和焊接。
2、焊接修补工艺
2.1管口缺陷的气刨及铲磨
确保缺陷宽深比介于1.4-1.7之间，坡口圆滑过渡（底部圆滑大于R15，坡口大于R5），两缺陷间距≤20mm时处理为同一缺陷。缺陷铲磨时，内腔区域或MT缺陷区域采禁止采将缺陷处理成面积性缺陷。管口缺陷铲磨禁止采用风动工具进行打磨，只能采用电动工具进行打磨。条件允许的情况下，为防止碳弧气刨导致增碳现象发生，建议采用机械加工方式去除缺陷；由于内部残余应力比较大，为软化母材热影响区，在焊接缺陷前对铸件进行一次回火处理，以释放应力，然后再采用金属旋转锉清理焊件及缺陷、油污锈垢等。
2.2焊接材料及预热温度的选择
选用一种既能保证常温和高温强度，塑性和韧性又好，并且含氢量又低操作性能好的焊接材料是非常重要的。铸钢件焊补质量的好坏很大程度上取决于焊接材料的正确选择，防止产生冷裂纹，因此焊材必须在满足强度和使用工艺的情况下选择具有极好抗开裂能力和塑性能力的焊接材料，本工艺选用与铸件母材力学性能相匹配的BOEHLERFOXC9MVW低氢型手工电弧焊焊条。可以很好的防止δ-Fe形成而保证焊缝是M组织的成分，有利于优化焊缝韧性。焊材焊接材料在施焊前要求在300-450℃的条件下烘干2h，按量领取并在使用过程中必须使用密封保温的保温桶，防止焊条再次受潮，以尽量减少焊材中的氢含量，遵守随取随用原则。
预热温度可根据焊件厚度大小确定，为防止脆化，一般预热温度不超过400℃，但考虑到实际焊接的可操作性，马氏体耐热钢焊接最低预热温度可控制到200℃。焊后应缓慢冷却到90-100℃，且保持2h，目的是让马氏体充分转变，保证焊缝尽量形成单一的焊态马氏体组织，在进行高温回火热处理，这样能够得到均匀的回火马氏体，整个工艺过程可分为升温保温、降温保温两个过程。其中300-500℃升温保温过程，为了让焊缝中氢元素逸出；90-100℃降温保温是整个消氢过程的关键，主要为了确保得到单一的焊态马氏体组织，升温保温过程，只是为降温保温过程打基础，防止降温过程中产生大量氢致裂纹。
预热的方式建议采用里面为天然气预热方式进行预热，且升温速度小于60℃/H，外部可以采用加热毯等温控制设备，根据由“由内到外”的焊接原则进行焊接，认为这样加热更加均匀，可以减少温度应力，保证层间温度，能进一步地防止焊接裂纹的产生。
3、焊接操作
根据缺陷位置及缺陷的宽深比例选用焊材，通常情况下，缺陷宽度在15mm以内，采用φ3.2的焊条；宽度在15-25mm之间采用φ4.0mm的焊条，宽度在25mm以上采用φ5.0mm的焊条。调节电流：φ3.2mm的焊条电流范围80-130A；φ4.0mm的焊条电流范围为130-180A；φ5.0mm的焊条电流范围为180-230A。
返修焊接时采用小规范，焊接时要求断弧，以减少焊接夹渣类缺陷的产生，通过控制焊层厚度和摆动宽度来减少焊接过程中产生的未熔合缺陷。层间温度一般为210-350℃之间，尽控制层不超过300℃，采用多层多道焊来改善焊接接头性能，充分利用好焊道自回火方法焊接的特殊作用，充分改善焊缝组织的机械性能，尤其是焊缝的冲击性能，能够得到很大的提高。
为了减小焊接应力，缺陷焊接过程中在红热状态下逐层锤击焊道表面，降低焊接残余应力，为了避免硬化的影响，一般规定对多层多道焊的最后一层焊缝不进行锤击，另外由于第一层焊缝处于比较严重的应力状态下，锤击时易破裂，因此也规定第一层不得锤击。另外施焊时应注意收弧和接头质量，防止弧坑裂纹和气孔的产生，焊接过程要求圆滑过渡避免死角位置。
4、结论
根据现场施焊情况分析，该汽轮机主汽调气阀的结构应力和钢本身的淬硬倾向比较大，另外多次焊接修补导致热影响区晶粒严重粗大，也是引起后面几次焊后热处理出炉后出现裂纹的主要因素。此外还存在以下几个方面的因素：①现场焊丝清洁问题，焊丝盘不及时关闭严实，容易产生油污锈垢等污染；②现场管理、工艺的执行情况不到位，例如根据现场抽检，焊条保温温度严重偏低，焊枪嘴上的飞溅物清理不及时，焊枪线缠绕问题，导致送气不畅，熔池保护达不到预期效果，层间温度控制不严格；③该阀体的缺陷铲除不应使用碳弧气刨，虽然效率高，但是容易产生增碳现象，应该使用合金钻头，禁止使用风动工具，应该使用电动工具。
参考文献：
[1]李成志，曹鹏.马氏体耐热钢ZG1Cr10MoVNbN的焊接工艺[J].中国制造装备与技术，2014（6）：1-3.
[2]杨飞鹏，张岭海.ZG1Cr10MoVNbN焊接工艺试验研究[J].汽轮机技术，2013，55（6）：479-480.
论文作者:胡宝成
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/11/25
标签：缺陷论文; 裂纹论文; 焊条论文; 应力论文; 组织论文; 马氏体论文; 温度论文; 《电力设备》2019年第15期论文;