摘要：在对某机组300MW汽轮机汽缸体监督检验中，发现汽轮机汽缸体中压汽缸内缸环处部位有裂纹，由于现场的条件根本无法进行汽缸整体热处理，为保证焊缝质量，同时为了避免汽缸体受到过大的热作用，减小汽轮机汽缸体的变形和应力，根据其结构形式，顾到现场焊接施工条件和可操作性， 以及坡口便于加工的特点， 补焊采用镍基焊材进行异质冷焊工艺修复，过渡层低温预热，填充层不预热，辅之以适当的坡口型式、合理的焊接顺序，避免了接头产生冷裂纹，未焊区域也未产生新裂纹，成功修复了该缸体。
关键词：汽缸；裂纹；冷焊；异质冷焊
汽轮机高压气缸为铸造结构，铸造缺陷较多，并且形状复杂，应力集中部位容易产生裂纹。因此对高压缸进行焊接修复能够达到对使用性能的要求，同时可以节省成本和减小工期影响。高压缸裂纹比较集中，高温工作状态对修复焊缝质量要求比较高，因此需要制定良好的修复方案。下面我们讲结合一个300MW的汽轮机高压外缸来进行详细分析：
本此研究的300MW汽轮机高压缸进汽工作温度为537°C，工作压力为16.7MPa，汽缸体材质为ZG15Cr1Mo1V。2007年进行检查性大修。在大修中，发现中压缸上缸第二级隔板和第三级隔板之间有一裂纹，裂纹在汽缸最顶部,离第二级隔板定位卡销20mm处呈半圆对称分布。裂纹总长150mm，裂深20mm，裂纹端部A、c点离汽缸平面750mm。
一、汽缸裂纹产生原因分析
通过对汽缸体材质性能、结构特点、工况及运行方式的分析，我们认为裂纹的产生有以下几个原因:
（1）由于汽缸体壁较厚、铸造性能比较差，在对裂纹清理过程中发现裂纹表面和内部存在许多直径大小不一，面积不等的铸造疏松组织、气孔和夹渣并成蜂窝状，从裂纹的位置与分布可以确定,这些缺陷正是裂纹的起裂源。
（2）裂纹起源于缸体变径处,且壁厚变化大。设备在启停过程中，产生的热应力较大，此处的应力集中也较大。
二、修复过程中存在的主要问题
在对高压缸体检查过程中，除发现此段裂纹较为严重外，未发现其它龟裂或大面积材质腐蚀老化损伤，所以采用焊接修复在技术上是可行的，经济上是合理的。但在制定焊接修复工艺时需要解决下列问题:
2.1焊接变形
由于缸体和隔板套配合尺寸有严格的要求，因现场条件所限不可能进行机械加工，因此焊接变形必需控制在合理的尺寸之内，该钢的常规焊法需进行焊前预热及焊后热处理，缸体这样庞大的铸件在现场进行焊前预热及焊后热处理也是不可能做到的，只有采用奥氏体焊材异质冷焊法。
2.2材质的冷裂倾向及焊接性
ZG15Cr1Mo1V为珠光体低合金热强铸钢，综合性能较好，可在570°C范围长期工作。但该钢的铸造性能、焊接性能较差，焊接时容易产生裂纹。由碳当量可以看出，其热影响区的淬硬和冷裂倾向非常大，如果焊接区域壁厚即使采用焊前预热，焊后冷却速度也会很大;焊缝所受拘束度和焊接残余应力大等,都加剧了焊缝热影响区的冷裂倾向。氢对焊缝及热影响区危害也较大，由于打磨后整个焊缝坡口长度达到200mm，深度最大达到25mm、宽度最大达30mm;根据焊条消耗量公式m=ALρ可见金属填充量是比较多的，即使采用低氢型焊条，随着填充金属量的增加，热影响区扩散氢的含量也会逐见提高，导致冷裂倾向增大。由化学成分、扩散氢影响，决定了其材质可焊性是比较差的。
2.3焊缝稀释及碳扩散的影响
焊缝是由化学成分不同的填充材料和母材溶合而成。ZG15Cr1Mo1V属于低合金珠光体热强铸钢其合金含量较低，对焊缝金属的成分有稀释冲淡作用，使得焊缝中的奥氏体元素不足，减少了CrNi含量，离熔合区越近，这种稀释冲淡作用越强烈，在母材和奥氏体焊缝之间有可能产生马氏体组织过渡层，从而恶化了焊接接头质量，甚至会引起裂纹。
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2.4接头残余应力
由于ZG15Cr1Mo1V与奥氏体焊缝金属的线膨胀系数不同及奥氏体的导热性差，焊后冷却时收缩量的差异必然导致焊缝和母材的交界处产生焊接残余应力，这种残余应力是无法消除的，运行过程中，由于温度变化以及启停的热循环作用，这种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。
2.5未焊接区产生新的裂纹
在焊缝热影响区以外没有进行焊接的区域，缸体上还存有铸造缺陷，如表面砂眼、疏松组织、浅表层下的气孔等，在焊接应力作用下，这些缺陷都可能成为新裂纹的起始源，在运行过程中有可能扩展成宏观裂纹。
三、工艺研究
针对焊接修复中存在的以上问题，决定采用异质冷焊+分段对称焊工艺：
选用含Ni量(25%)较高的奥氏体不锈钢焊条作填充材料。第一层与母材接触为过渡层，焊条采用A507，焊前100°C低温预热，填充层采用A107焊条，层间温度不大于60°C，焊缝长度每次不超过50毫米并分段对称焊接，这种焊接方法的优点主要有以下几个方面:
1:减轻了因焊接规范不同影响焊缝稀释率从而对焊缝成分带来的影响。
2:焊缝含Ni量高塑性好，能降低残余应力，同时能减少未焊区域新裂纹的产生。氢在奥氏体不锈钢中的扩散系数为2.0×10-12cm2/S左右，在ZG15Cr1Mo1V等低合金钢中的扩散系数为6.0×10-7cm2/S左右，而且扩散氢在奥氏体中的溶解度远大于在铁素体中的溶解度，因此镍含量高的焊材，能减小热影响区扩散氢含量，从而减小冷裂倾向。
3:选用含镍量高的A507焊条作过渡层，在焊缝中可以抑制金属的碳扩散，使接头在高温下运行时，保持组织的稳定性，提高接头的长期使用寿命。
4:A507焊条为纯奥氏体组织，有一定的热裂纹倾向，A107焊条为奥氏体+少量铁素体双向组织，有助于减小焊缝金属的热裂纹。
5:焊接过渡层时，热影响区只受相变应力和焊接应力，拘束应力小。由于奥氏体材料塑性、韧性较好，焊接填充层时能松弛接头应力，减小冷裂倾向。
四、工艺要点简述
4.1焊前准备
将焊接区域的油污、氧化层、杂质清理干净至金属光泽，整理坡口形式，根据裂纹位置不同，对坡口角度作了适当增减。用机械方法清除内部裂纹等缺陷，对坡口中还未清理干净的残余缺陷，采取钻止裂孔，止裂孔分别处于裂纹尖端前不小于5mm，然后进行着色检验，确定裂纹清除彻底。采用逆变直流焊机，反接法焊接，焊条为A507、A107、直径Φ3.2mm。焊前350°C烘陪2小时，装入保温筒内。
4.2过渡层焊接
焊前低温预热100-150°C，采用A507焊条焊敷一层与母材接触的过渡层、后焊道压先焊道的1/3、将坡口面全部覆盖、焊接电流75A-85A、焊层厚度4-5mm。采用分段对称焊、焊接顺序为:AB-CB,交替进行。过渡层焊完后、缓冷至室温、对其表面进行清渣打磨检查、进行着色探伤，确认无裂纹和其它焊接缺陷后再进行填充层焊接。
4.3填充层的焊接
用A1O7焊条在过渡层上进行填充层焊接、电流80-90A。用分段对称方法进行多层多道填充焊接、焊接顺序:AB-CB。焊接过程中每焊完一道、利用小风铲锤击焊道消应力。清渣检查、确认无缺陷后继续施焊。
五、结论
采用异质冷焊，虽然母材与焊材的化学成分、机械性能存在本质区别，但只要能正确分析焊接中出现的问题、制定焊接工艺、合理选用焊接材料、就能得到满足使用性能的焊接接头。修复后机组运行至今良好。结果表明该修复焊接技术工艺是可行的，修复是成功的。
参考文献
[1]焊接工艺人员手册.上海科学技术出版社，2000.
[2]异种难焊材料的焊接及应用.化学工业出版社，2002.
[3]火力发电厂异种钢焊接技术规程，DL/T752-2001.
论文作者:刘博
论文发表刊物:《电力设备》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/7
标签：裂纹论文; 奥氏体论文; 汽缸论文; 应力论文; 焊条论文; 冷焊论文; 缸体论文; 《电力设备》2018年第11期论文;