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摘要：本文分析了电厂超临界借助汽轮机高压内缸裂纹产生原因，介绍了消缺方案和焊前坡口面处理措施，制定了合理的补焊工艺方案和控制变形措施，最终裂纹一次返修合格，焊后汽缸中分面最大变形0.15mm。
关键词：ZG15Cr1Mo1V；裂纹；高压内缸；焊接修复
火力发电汽轮机缸体产生裂纹原因复杂，涉及设计、制造及运行等多方面因素[1]。归纳起来主要有两种情况：一、存在易产生裂纹的薄弱环节，如铸造缺陷疏松、夹渣等；二是应力较大，包括铸造应力、热应力和机械应力等[2]。缸体出现裂纹后，在裂纹两端存在着很大的应力集中，极易扩展，若裂纹得不到及时处理，或处理方法不当，裂纹将急剧扩张，严重影响机组的运行安全[3]。本文以某超临界机组缸体大修期发现的裂纹为例，研究Cr-Mo-V型铸钢件裂纹的补焊工艺。
1裂纹情况分析
该超临界机组始运行于2010年底，设计工作温度566℃，工作压力24.2MPa，2013年首次大修时，在高压内缸下半内壁发现目视可见的9条裂纹，最长裂纹约70mm。
缺陷正对着中压进汽口位置，汽缸在运行过程中，进汽口处的缸壁长时间受高温高压蒸汽冲蚀，缸壁金属的持久塑性会逐渐降低[1]，随持久塑性的降低，铸件应力集中的敏感程度增加，这将促成汽缸裂纹的形成和扩展。在消缺过程中，发现缺陷处母材存在严重的疏松组织，疏松组织是裂纹萌生的起点[4]。
此外，缺陷两侧的缸体壁厚分别为146.5mm和112.5mm，且在缺陷背面的缸体外壁处，沿圆周分布着隔热环（轴向70mm，径向300mm），有较强的散热作用。分析认为，缺陷处母材组织疏松是根源，厚度差产生应力集中，再加上隔热环的散热作用，长期存在着较大的温度梯度，由此产生热应力，在热应力、工作压力和蠕变的共同作用下，引起开裂。
2缺陷消除及坡口处理
根据裂纹情况，在焊接修复前，采用机械加工方法将缺陷清除。消缺前，先在裂纹两端打止裂孔，止裂孔距离裂纹两端5mm，裂纹去除后，进行表面PT探伤确认。最终消缺消除干净后，实物上显示两处，尺寸为320mm（长）×130mm（宽）×105mm（深）、300mm（长）×150mm（宽）×145mm（深）。消缺后，对机床消缺产生的棱角打磨圆滑过渡。由于消缺时，发现缸体内部有大量组织疏松,消缺后对坡口表面锤击以夯实母材，表面处于压应力状态。
高压内缸材质为ZG15Cr1Mo1V，属于珠光体耐热钢，其化学成分见表1。根据IIW推荐的碳当量计算公式：
进行计算，其碳当量在0.66～0.98之间，焊后易形成淬火组织，导致冷裂纹出现，焊接性较差，因此焊前必须进行预热，焊后及时进行热处理，才能保证焊缝质量。
表1 ZG15Cr1Mo1V化学成分（%wt）
3.1焊材
采用手工电弧焊焊接修复，焊材选用大西洋CHH407型，直径Φ3.2mm的焊条，电源极性直流反接。焊条使用前按要求烘焙，然后放入保温桶内保温，随用随取。
3.2预热
焊前使用天然气火焰，将待补焊区及附近100mm范围内局部缓慢加热至200-300℃，保温2-3h。升温速度不超过150℃/h。
3.3焊接
由于缺陷处组织疏松严重，该疏松组织易在焊接应力作用下开裂，为确保一次补焊合格，首先对坡口面全面打底焊接一层，打底同时对机床消缺台阶和棱角进行填充圆滑处理。打底层焊后进行MT检验，确保打底焊缝的质量。
焊接采用多层多道方式，后道焊缝覆盖前道焊缝的1/3-1/2，息弧时稍慢，将弧坑填满，防止弧坑裂纹。焊接时，后一层的焊接方向与前一层相反，控制柱状晶生长方向。同时，为减小焊缝横向收缩，焊道从两侧向中间压道，每侧焊完后立即采用大号风枪锤击焊缝，锤击须充分、均匀，直到焊缝表面呈密集蜂窝状麻点方可停止锤击，进行另一侧焊接。
为降低坡口底部（焊层）与坡口壁夹角处应力集中，此部位焊接时有意填充实现圆滑过渡，过渡圆角不小于R20。由于缸体结构刚性很大，且缺陷较深，每焊接50mm左右，须停止焊接，进行中间去氢处理，去氢温度250-350℃，保温2h。
3.4热处理
焊后立即采用采用天然气+氧气火焰进行局部热处理，曲线如图1所示。
图1 焊后局部热处理工艺
3.5无损检查
（1）焊后打磨焊缝平整，表面粗糙度达Ra6.3μm；（2）对补焊区域作UT检验，按JB/T4730-2005 II级验收合格；（3）对补焊区域作MT检验，按JB/T4730-2005 II级验收合格；（4）割除防变形拉筋，打磨拉筋切割部位平整并进行MT检验合格。
4汽缸变形控制
汽缸为已运行机组，返修过程的变形控制尤为重要。通过分析汽缸结构和加工面重要程度，主要从以下几方面入手来控制变形：
4.1防变形拉筋布置
从消缺照片可以看度，焊缝沿轴向和径向收缩趋势都较大，为控制变形。在汽缸中分面架设“井”字型方箱拉筋
4.2汽缸焊前支撑
设计图纸要求汽缸上下半中分面自由状态（未把合螺栓前）合口间隙不大于0.05mm，可见中分面平面度是变形控制重点。从汽缸结构和返修热过程分析，可能引起中分面变形的主要因素除焊接收缩外还有自重引起塌腰和局部受热引起的不均匀变形两点。从图2可以看出，缺陷靠近汽缸中压端，分布于垂直中分面两侧，局部加热变形量在径向是大致对称的，轴向不对称。为降低返修过程中汽缸因自重和局部加热在轴向的不对称变形，汽缸采取5点支撑方式找平，并采用横向水平仪检测中分面水平度不大于0.05mm。其中对角线4点为主支撑，中部支点为辅助支撑。
图2 汽缸补焊后中分面平面度
4.3汽缸最终变形数据
汽缸补焊后在数控龙门铣机床上测量中分面平面度数据，得到变形数据见图2。从图2数据可看出，补焊处中分面下塌量最大0.15mm，在可接受范围内。
结论
1)汽缸开裂主因是铸件材质疏松，缸体结构应力，热应力和长期高温运行蠕变综合作用下引起疏松组织开裂和裂纹扩展；2)重大裂纹缺陷采用机床消缺可大幅提升效率，但因此也会带来消缺棱角和台阶面等应力集中点，焊前打磨倒钝和焊接时有意填充圆滑是必要的；3)对疏松组织引起开裂，焊前锤击坡口面夯实母材形成表面压应力可有效防止打底层反泡和再次开裂。4)焊前布置刚性拉筋和合理的支撑方式可有效控制缸体的焊接和局部热处理变形。
参考文献
[1]姜保米，周钦．4#机气缸开裂的成因分析与处理．无损探伤，2009，27（4）:38~40．
[2]卢超，葛兆祥．电站汽轮机缸体常见材质及焊接工艺介绍．江苏电机工程，2008,27（3）：81~84．
[3]许江晓，崔文涛．汽轮机高压缸体裂纹补焊．河南电力，1996，27（4）:19-20，64.
[4]张文钺．焊接冶金学．北京：机械工业出版社，2002.
论文作者:刘振江
论文发表刊物:《基层建设》2019年第5期
论文发表时间:2019/4/30
标签：裂纹论文; 汽缸论文; 中分论文; 缸体论文; 应力论文; 疏松论文; 缺陷论文; 《基层建设》2019年第5期论文;