汽輪發(fā)電機(jī)組汽缸的補(bǔ)焊工藝

汽輪發(fā)電機(jī)組汽缸的補(bǔ)焊工藝.概述齊魯石化熱電廠(chǎng)2#發(fā)電機(jī)組由上汽制造，型號(hào)：CC50—90—42—15—1,缸體材質(zhì)ZG20CrMo,如圖1所示。工作溫度535℃，自1988年5月1日運(yùn)行。于2008年3月大檢修中，經(jīng)金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)上缸結(jié)合面出現(xiàn)近50mm裂紋，如圖2所示。需緊急進(jìn)行補(bǔ)焊修復(fù)處理，以保證設(shè)備安全運(yùn)行。補(bǔ)焊需克服缸體外形尺寸大、焊接變形控制要求高、焊縫易出現(xiàn)裂紋、不易熱處理等不利因素。在對(duì)施工條件、檢修工期和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合考慮后，通過(guò)焊條電弧冷焊接工藝處理后投入運(yùn)行。本機(jī)組于4年后的2012年6月進(jìn)行了機(jī)組常規(guī)解體大檢修，補(bǔ)焊區(qū)域經(jīng)金相檢測(cè)無(wú)缺陷，滿(mǎn)足了設(shè)備長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

電機(jī)上汽缸-圖1（左）電機(jī)上汽缸-圖1（右）缺陷位置-圖2.汽輪機(jī)缸體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及鑄鋼材料特性（1）缸體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)ZG20CrMo屬珠光體耐熱鑄鋼，廣泛應(yīng)用于電站設(shè)備的汽輪機(jī)缸體、高壓閥門(mén)的殼體。由于汽缸工作時(shí)高壓端蒸汽溫度535℃、壓力0.9MPa，高壓蒸汽從高壓缸入口經(jīng)中壓缸到低壓缸出口溫差超過(guò)500℃，低壓缸端則在真空狀態(tài)下受外部壓力，工作壓力及溫度場(chǎng)存在梯度變化，因此汽缸壁受力也在變化。由于汽缸鑄件型體大，屬封閉式或半封閉式回轉(zhuǎn)殼體，殼體的直徑、截面積、外形的變化都很大，鑄鋼件的壁較厚且壁厚變化也大。還存在鑄造疏松、夾渣、氣孔等缺陷，在長(zhǎng)期高溫高壓及交變載荷下工作易產(chǎn)生冷裂紋、熱裂紋或高溫蒸汽吹刷的溝痕等缺陷而影響安全生產(chǎn)。（2）珠光體耐熱鋼與填充金屬的焊接性分析ZG20CrMo耐熱鑄鋼使用中要求具有足夠的持久強(qiáng)度、高溫抗氧化性和極強(qiáng)的抗氫蝕能力且組織穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。鋼中含有銘、鉬、釩、鴇等元素（化學(xué)成分見(jiàn)表1）使過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性提高，焊接熱影響區(qū)有淬硬傾向，隨著Cr、Mo含量的增加，鋼的抗氧化性、高溫強(qiáng)度和抗硫化腐蝕性能也增加。但珠光體耐熱鋼的焊接接頭有諸多的化學(xué)成分、金相組織、應(yīng)力分布場(chǎng)和性能不均勻性。這可以從焊接工藝和選用合適的焊接材料入手，減少焊接熱輸入，來(lái)控制近縫區(qū)的硬化和軟化問(wèn)題。比如選擇保證焊縫性能同母材匹配的焊接材料，保證焊縫應(yīng)具有必要的熱強(qiáng)性，保證其化學(xué)成分及應(yīng)力要求與母材相近些。焊縫金屬含碳量略低一些，力學(xué)性能比母材也低一些。采用小的焊接參數(shù)和合理的坡口形式，以控制熔合比可減小焊接過(guò)程中和高溫下長(zhǎng)期使用過(guò)程中焊接接頭的金相組織變化。從而減少焊縫金屬合金含量的稀釋以及避免焊縫金屬產(chǎn)生碳遷移和產(chǎn)生馬氏體組織，減少兩種母材之間不希望有的相互冶金反應(yīng)來(lái)控制，如形成金屬間化合物，低熔點(diǎn)共晶物等。所以母材與填充金屬的化學(xué)成分、焊接方法、焊道層次、焊接工藝以及焊后熱處理等都對(duì)金屬組成的焊接接頭的組織不均勻性均有影響。由于焊后熱處理能減小殘余應(yīng)力，提高焊接接頭綜合力學(xué)性能，但在冷卻過(guò)程中會(huì)造成接頭產(chǎn)生新的熱應(yīng)力，還因塑性變差和應(yīng)力增加往往容易引起裂紋。選用線(xiàn)膨脹系數(shù)介于母材與填充金屬之間的過(guò)渡段所需預(yù)熱溫度，能夠最大限度減小母材之間因線(xiàn)脹系數(shù)差造成的各種熱應(yīng)力。

表iZG20CrM口化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）及力學(xué)性能兒宗CSiXhiCrMoVSP含量吩0.120.290.631.060320.260.0120.007抗拉強(qiáng)度/AlPa.屈服強(qiáng)度asA'fPa伸長(zhǎng)率55（%）沖擊吸收能AKV-J建布氏硬度值HBW>3902195>22>92>1S7.填充金屬材料的選擇根據(jù)缸體母材及填充金屬材料的化學(xué)成分對(duì)比，選用A507不銹鋼焊條（化學(xué)成分見(jiàn)表2）作為缸體補(bǔ)焊填充金屬。表2熔敷金屬化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）化學(xué)成分CMnSisPNiXloCrN保證值［%）<0.12CL5T5<0.90<0.030<0.03522.0—27.(5.00-7.0014.0—ISC>0.10A507是堿性藥皮的純奧氏體Cr16Ni25Mo6焊條。符合GBE16—25MoN—15標(biāo)準(zhǔn)。堿性渣中CaO數(shù)量多，熔渣脫硫的能力強(qiáng)，熔敷金屬的抗熱裂紋的能力較強(qiáng)。而且，堿性焊條由于焊縫金屬中氧和氫含量低，非金屬夾雜物較少，具有較高的塑性和沖擊韌性。按照對(duì)熔敷缸體金屬化學(xué)成分限定的數(shù)值來(lái)選用，A507不銹鋼焊條銘和鎳含量較高、塑性和抗裂性較好，能避免因產(chǎn)生脆性淬硬組織而導(dǎo)致的裂紋，補(bǔ)焊過(guò)程中要嚴(yán)格按焊接性分析確定的焊接工藝及參數(shù)。將缸體和A507的化學(xué)成分組成，經(jīng)過(guò)計(jì)算代入舍夫勒組織圖，如圖3所示。

0 8 16 21 32 40偌當(dāng)量（%）淺談汽輪發(fā)電機(jī)組汽缸的補(bǔ)焊工藝-圖3從坐標(biāo)中可得：銘當(dāng)量（缸體）=1.06+0.32+1.5X0.29=1.833%；鎳當(dāng)量（缸體）=30X0.12+0.5X0.63=3.915%；銘當(dāng)量（焊條）=14+7+1.5X0.9=22.35%；鎳當(dāng)量（焊條）=22+30X0.12+0.5X2.5=29.85%；選用奧氏體Cr16Ni25Mo6不銹鋼焊條得到的焊縫組織是在熔合線(xiàn)附近有少量的鐵素體組織和焊縫中心的純奧氏體。這種組織不但能減少淬硬傾向避免熱裂紋，也有良好的耐腐蝕性、耐熱性，能夠滿(mǎn)足焊縫金屬各項(xiàng)性能要求。使用高銘銀不銹鋼焊材有以下優(yōu)勢(shì)：（1）與缸體金屬化學(xué)成分基本一致，防止合金元素?cái)U(kuò)散而降低焊接接頭高溫性能。銀基焊縫的成分允許變化范圍較大，減輕了因焊接參數(shù)不同影響焊縫稀釋率，從減小及消除對(duì)焊縫成分帶來(lái)的影響。（2）選用奧氏體化穩(wěn)定穩(wěn)定性強(qiáng)的填充金屬，會(huì)改善過(guò)渡區(qū)域的綜合力學(xué)性能。銘和鎳含量較高，力學(xué)性能相近尤其注重了高溫性能，如果焊接填充后使焊縫組織強(qiáng)度過(guò)高會(huì)使塑性變差冷彎角變小，甚至形成裂紋。

（3）具有與母材相適應(yīng)的物理性能，奧氏體焊材雖熱膨脹系數(shù)大于母材，但是焊材含碳量低、韌性好能有效地降低焊接殘余應(yīng)力等。以避免因產(chǎn)生脆性淬硬組織而導(dǎo)致的裂紋。低的含碳量焊材能改善焊縫金屬的可熱處理性、沖擊韌性、鞏固熱強(qiáng)性。（4）能確保焊縫的完整性，能夠承受母材的稀釋而不產(chǎn)生諸如氣孔、夾雜物以及有害的金屬化合物，保證焊縫金屬具有所要求的綜合性能，如熱強(qiáng)性、耐熱性、耐腐蝕性。（5）焊接材料中奧氏體形成元素含量高，能減小過(guò)渡層寬度，避免組織脆化。在使用條件下能夠保持組織穩(wěn)定。銘、鎳親和氫與碳，鎳基焊縫對(duì)氫不敏感，對(duì)氫的溶解度大，不但克服氫對(duì)母材的有害作用防止氫致裂紋，而且減小了碳擴(kuò)散及碳化物析出等問(wèn)題。（6）預(yù)熱線(xiàn)膨脹系數(shù)較小的金屬缸體側(cè)，再者選用線(xiàn)脹系數(shù)介于兩母材之間的填充金屬或過(guò)渡段，減小了母材之間線(xiàn)脹系數(shù)差造成的各種熱應(yīng)力。低溫預(yù)熱可減少由于基體金屬與填充金屬熱膨脹系數(shù)不同而引起熱應(yīng)力，即使這種熱應(yīng)力不能完全消除。（7）保證焊接接頭的使用性能，即保證焊縫金屬與基體金屬具有良好的力學(xué)性能和綜合性能。.焊前準(zhǔn)備（1）焊前用超聲或磁粉無(wú)損檢測(cè)方法查明缸體疏松和裂紋缺陷深度、長(zhǎng)度和走向。（2）裂紋根據(jù)裂紋性質(zhì)確定需打止裂孔，深度根據(jù)裂紋深度，預(yù)防在修復(fù)過(guò)程中裂紋進(jìn)一步延伸。打孔用直徑6?12mm鉆頭在裂紋前部5?10mm處，然后用機(jī)械方法將缺陷裂紋仔細(xì)處理。（3）最好加工U形坡口，坡口底部應(yīng)有半徑不小于5mm的圓角，不允許有尖角和死角，止裂孔根部也要打磨成緩坡。坡口傾斜度應(yīng)＞15°，因缺陷處在缸體近邊緣處，坡口修整過(guò)程中缸體存在鑄造夾雜、砂眼、等缺陷都要打磨去除，最后形成了如圖4所示形狀。（4）將修好成形的坡口汽缸接合面周?chē)蒙凹垝伖?，?jīng)磁粉或著色金相檢測(cè)，徹底檢查確認(rèn)坡口及周?chē)巡淮嬖跍虾?、裂紋等缺陷。（5）為保證焊接質(zhì)量，環(huán)境溫度不得小于10℃，同時(shí)做好防風(fēng)措施。便可著手補(bǔ)焊工作。定位塊-圖4.補(bǔ)焊工藝（1）采用ZX7—400電焊機(jī)，準(zhǔn)備A507不銹鋼焊條p3.2mm，焊前烘干溫度250℃，保溫1h，置于干燥的保溫桶內(nèi)隨用隨取。（2）焊前用氧乙炔焰均勻緩慢將缸體坡口及周?chē)ǚ秶M可能大些）加熱至120~150℃，補(bǔ)焊區(qū)周?chē)訜岱秶M可能大些。（3）盡量縮短被焊金屬在液態(tài)下相互接觸的時(shí)間，以防止或減少生成金屬間化合物。熔焊時(shí)，使材料的加熱和接觸時(shí)間盡量短，可以將焊條電弧熱源偏向被焊的缸體側(cè)一方，采用焊條直線(xiàn)運(yùn)條不擺動(dòng)、直流反接、小電流、窄焊道、多層短弧焊，電弧電壓14~24V，焊接電流80~110A。（4）要求在坡口內(nèi)或焊道內(nèi)引弧并保證每層焊道熔合良好。（5）先從坡口寬度及深度大的里側(cè)焊一層敷焊層（厚度2~4mm），焊后不打藥皮立即保溫，冷卻后用著色無(wú)損檢測(cè)，仔細(xì)檢查補(bǔ)焊區(qū)，如發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷應(yīng)立即鏟除干凈，待補(bǔ)焊區(qū)檢測(cè)合格后，方可重新加熱至100℃方可進(jìn)行坡口填充的焊接。（6）每層焊接起弧的位置要交錯(cuò)，收弧要控制防止弧坑裂紋。層溫不高于100℃，使其在敏化溫度區(qū)停留時(shí)間短，有利于防止晶間腐蝕。每層焊完后，藥皮及邊緣飛濺物要清理干凈，并檢查是否有焊接缺陷。（7）第一層和填充層焊道適當(dāng)錘擊，以松弛焊道減小填充金屬與缸體拘束應(yīng)力，但蓋面層禁用。（8）蓋面層要稍高于結(jié)合面，控制不能有咬邊的產(chǎn)生，焊后立即用石棉布覆蓋保溫緩慢冷卻至室溫后進(jìn)行表面加工。.焊后質(zhì)檢（1）焊接加工面應(yīng)高于缸體結(jié)合面平面，熔合線(xiàn)兩側(cè)圓滑過(guò)渡，補(bǔ)焊焊縫不能有咬邊、未填滿(mǎn)、夾渣、裂紋等缺陷。（2）將補(bǔ)焊區(qū)打磨后研磨，要用長(zhǎng)平尺檢查接合面平整度，必要時(shí)將缸體試扣安裝，用塞尺檢查接合面，使上下缸體接合面齊平達(dá)到密封要求，以避免因補(bǔ)焊產(chǎn)生汽缸接合面變形的發(fā)生。（3）最后將找平后的補(bǔ)焊區(qū)進(jìn)行表面著色檢驗(yàn)，要求達(dá)到無(wú)缺陷。.注意事項(xiàng)（1）焊前用碳弧氣刨修整坡口時(shí)，應(yīng)用機(jī)械方法去掉坡口內(nèi)側(cè)約0.5mm厚的滲碳、銅層。（2）焊接過(guò)程用小熱輸入，以減少變形、焊接殘余應(yīng)力，改善接頭的加工性能。（3）焊接過(guò)程中要注意坡口與母材間熔合潤(rùn)濕度，不能產(chǎn)生夾渣、未熔合及弧坑裂紋等缺陷。（4）焊后不能采用磁粉檢測(cè)。