摘要：针对汽轮机的动叶片与围带相联接处铆钉严重磨损情况,制定了焊接修复方案,通过分析确定选用镍基合金材料,采用焊接方法该机组叶片进行修复,效果良好。
关键词：焊接修复；汽轮机叶片；铆钉；焊接材料
汽轮机动叶栅一般采用围带或拉筋来加强,围带采用铆接方式,即利用叶片顶端铣出铆钉,然后与围带铆接。在运行过程中,如果铆钉因故磨损,会降低叶片与围带的连接强度,严重时会造成围带脱落事故。
某电厂2台200MW汽轮机在2002一2004年的大修时分别发现第13、41级动叶片与围带相联接处铆钉严重磨损。如重新更换围带,需要将整级叶片全部换掉,成本高而且工期长,经分析及模拟试验我们认为可以采用焊接方法对叶片进行修复。
一：案例背景介绍
某发电厂6号机是原苏联列宁格勒金属工厂制造的K—200—130—3型一次中间再热单轴三缸双排汽口凝汽式汽轮机，于1979年12月26日投产，大修时揭缸后检查发现，13级叶片铆钉头旋转方向迎汽侧140片叶片铆钉头被冲刷掉3/4，深度约2mm，局部略低于围带。
原因分析:虽然13级为中压缸首级，在过热蒸汽区，但因叶顶漏气，在经过第一道阻汽齿扩容降压后形成较强的扰动，且在等熵扩压后蒸汽湿度加大，导致位于两道阻汽齿之间的铆钉头在旋转力的作用下被冲刷，属于正常现象。经讨论分析，认为情况较为严重，不修复会影响围带的连接强度，有造成围带在高速旋转产生的离心力作用下甩出的危险，因此计划对铆钉头进行补焊修复。13级叶片铆钉头材质为15Cr11MoV钢，复环材质与叶片铆钉头材质相同，为保证机组检修后轴系部件的安全运行，经研究决定将冲刷的140片叶片铆钉头全部进行补焊修复。
二：焊接对象分析
15Cr11MoV钢系马氏体耐热不锈钢，具有较好的组织稳定性、热强性、减震性及工艺性能，线膨胀系数小，是一种良好的叶片材料。
(1)母材的化学成分13级叶片材质为15Cr11MoV钢，其化学成分如附表所示。
(2)15Cr11MoV钢的焊接性分析主要问题是接头的冷裂纹和脆性，淬硬性是产生冷裂纹的根本原因之一，加之马氏体导热性差，焊接残余应力大，就材质而言是有冷裂纹倾向的，实际上是否产生冷裂纹却取决于具体的焊接条件;马氏体钢也有较大的晶粒粗化倾向，特别是多数马氏体钢的成分特点，使其组织往往处于马氏体-铁素体的边界上，在冷却速度较小时，近缝区就会出现粗大的铁素体和碳化物组织，塑性显著下降。若冷却速度大时，由于产生粗大的马氏体组织，故使塑韧性下降。另外，马氏体钢一般有回火脆性，在焊接前后的热处理过程中，需要更加注意。
三：关于焊接工艺试验
(1)试验材料的选择根据13级叶片材质情况，找与叶片材质相同的材料很困难，因此用材质与叶片材料相近的材质1Cr13叶片来代替。
(2)焊接方法由于铆钉头补焊量小，而且要保证铆钉头与复环不能焊接在一起，因此选用钨极氩弧焊。
(3)焊接材料我厂目前没有与铆钉头材质相匹配的焊丝，而铆钉头的补焊又只是头部2mm厚度的范围内，因此选用铬元素含量与铆钉头材质相近的H1Cr13氩弧焊焊丝，φ1.0~φ1.2mm。
(4)焊机选用直流焊机，采用直流正接。
(5)金相检测母材组织为回火索氏体;焊缝组织为柱状晶的回火索氏体，;熔合区组织:左侧为过热区，右侧为焊缝;过热区组织为回火索氏体。
(7)焊缝硬度检测叶片上原铆钉头硬度为232~235HBW，新补焊的焊缝硬度为210~235HBW，母材硬度为238HBW。
(8)焊缝表面无损检测从以上焊接工艺评定试验结果可以看出，该工艺所焊的试样经金相、硬度和着色无损检测，均合格，表明该工艺可行。
四：焊接修复工艺具体步骤
(1)铆钉头堆焊前的清理
1：堆焊前铆钉头表面磨擦面要清理干净，摩擦附着层要打磨掉，并测量复环厚度。
2：将打磨后的叶片铆钉头表面用放大镜宏观检查是否有缺陷。
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3：实际施焊之前，焊工、加热回火人员应进行焊前练习，在材质为1Cr13钢的叶片上钻一些深3mm、φ12mm盲孔，焊工练习时应在盲孔上堆焊，孔既要焊满又不能和孔壁焊在一起，目的是保证现场焊接时不将铆钉头和围带焊在一起，以保证堆焊后机组的安全运行。练习合格后，方可施焊。
4：正式捻铆施工前，需在堆焊试样上进行试捻铆。捻铆后宏观检查应无表面裂纹缺陷，试铆合格后，方可进行铆钉头现场实际铆接。
(2)堆焊工艺
1：焊接方法选用全氩弧焊接。
2：焊接电源选用逆变焊机，用直流正接。
3：焊接电流选用40~50A，在保证焊接的情况下尽可能选用较小的电流。焊接工件接线应在本级叶轮上，连接需良好，严禁接线不良而打火。
4：焊接前用丙酮对铆钉头进行清洗。
5：预热采用火焰加热的方法，预热温度250~300°C，预热采用小号火焊把低火焰对叶片铆钉头部进行缓慢加热，加热时采用远红外测温仪进行测温。
6：焊丝在使用前将焊丝表面的油、锈清理干净，在铆钉头一侧放置一块与铆钉头材质相同的引弧板，其高度与铆钉头相平齐。
7：在引弧板上引弧。为保证堆焊成形好，堆焊时采用短弧焊，周向运弧，焊接电弧应稳定，控制堆焊层形状，收弧时电弧逐渐移到引弧板熄弧，堆焊厚度为2mm左右，堆焊金属与母材应圆滑，堆焊过程分为多层焊接，层与层之间温度控制在200°C左右，焊接时尽可能不与复环焊在一起。
8：铆钉头堆焊完毕后用石棉保温缓冷到室温。
(3)焊后热处理
1：堆焊完铆钉头用石棉保温缓冷到室温后，进行焊后回火热处理，回火采用小号火焊把火焰加热，小的热能率，中性火焰加热，加热范围包括焊缝和焊缝的热影响区。
2：回火温度为700~720°C，恒温5min后空冷。加热时升温速度要缓慢，回火最高加热温度应严格控制，严禁超温。
(4)质量检查
1：堆焊铆钉头修复后进行焊缝表面硬度检查，硬度合格。
2：堆焊完成后，将铆钉头堆焊层表面用砂纸打磨呈现金属光泽，对堆焊铆钉头表面进行着色无损检测，合格。
5.铆钉头补焊后捻铆工艺
(1)捻铆前将热处理完毕的铆头加热至700~720°C，使用红外线测温仪测温。
(2)加热至温度范围后立即用1.5磅(0.68kg)重的手锤进行捻铆。
(3)每个铆钉头捻铆时首先捻铆轴向两面，然后再铆切向两面。
(4)每一组应首先捻铆两端叶片，然后由中间向两端铆。以保证铆接时围带可自由延伸。
(5)每个面的铆接锤击次数不宜过多，以免冷作硬化。每面一般不要超过2~3锤。
(6)捻铆后的铆头，应能把围带装铆钉头的孔覆盖住，铆头表面至围带表面平滑过渡。
(7)捻铆完毕用放大镜宏观检查，无裂纹。有裂纹时应磨除裂纹重新补焊。
结束语
使用镍基合金型材料可以降低异种材料焊接时存在的热应力、消除过渡层及扩散层对焊接接头高温性能的影响,并利用其良好的塑韧性减小焊接残余应力,降低拘束度,提高焊接接头的抗冷裂能力,在无法进行焊接热处理的情况下对叶片铆钉进行焊接修复。已修复的机组目前运行正常。说明该工艺适合用于此类修复。
参考文献
[1]卢杨.中低压配电网馈线负荷时空分布特性研究[D].昆明理工大学,2017.
[2]范黎涛.基于尖峰负荷模型辨识的台区低电压治理方法研究[D].昆明理工大学,2017.
[3]许力方.中低压配电一体化信息管理系统设计与实现[D].华北电力大学(北京),2017.
[4]郑翔,赵凤展,杨仁刚,孟晓丽.基于大数据的低压配电网无功运行评价体系[J].电网技术,2017,41(01):272-278.
[5]许继东,董世伟,李海军.中低压配电网监控系统[J].农村电气化,2016(08):45-46.
论文作者:林琳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第10期
论文发表时间:2018/7/26
标签：铆钉论文; 叶片论文; 材质论文; 裂纹论文; 表面论文; 硬度论文; 汽轮机论文; 《电力设备》2018年第10期论文;