汽輪機(jī)閥座堆焊開裂原因分析與對策

劉雙明 裴玉冰 肖 杰

(東方汽輪機(jī)有限公司制造技術(shù)處，四川618000 )

隨著汽輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展，汽輪機(jī)主蒸汽室零部件承受的工作環(huán)境越來越苛刻，其中蒸汽室閥座等長期承受高速氣流的沖刷、震動(dòng)和閥桿頭部撞擊，容易在接觸密封面附近造成損壞，影響機(jī)組運(yùn)行安全。為保證閥座的密封性，通常在密封面堆焊司太立6號硬質(zhì)合金以增加耐磨性。閥座與主蒸汽室之間的配合為過盈配合，常采用的方法是將閥座在液氮中冷卻，然后進(jìn)行套裝。但公司某機(jī)型供水泵機(jī)組在套裝閥座后發(fā)現(xiàn)部分閥座司太立合金堆焊部位出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。我們針對上述問題進(jìn)行了研究，分析其產(chǎn)生的原因，并提出了改進(jìn)方法。閥座結(jié)構(gòu)如圖1所示，開裂狀況如圖2所示。

1 閥座母材及司太立堆焊面裂紋分析

1.1 基材和堆焊層分析

對開裂的閥座取樣，進(jìn)行基材化學(xué)成分、力學(xué)性能檢測和堆焊層硬度檢測，檢測結(jié)果如表1、表2 、表3所示。金相組織如圖3所示。

上述結(jié)果表明，閥座基體的化學(xué)成分、力學(xué)性能和金相組織，以及堆焊司太立合金的硬度均符合規(guī)范要求，說明整個(gè)閥座生產(chǎn)過程中熱處理參數(shù)選擇是合理的。

圖1 閥座結(jié)構(gòu) Figure 1 Valve seat structure

圖2 閥座裂紋Figure 2 Valve seat crack

CSiMnPSCrMoVNiCuAl規(guī)范要求0.15～0.230.20～0.600.45～0.85≤0.025≤0.0251.00～1.500.90～1.200.15～0.30≤0.50≤0.25≤0.015復(fù)驗(yàn)結(jié)果0.180.270.600.0110.0011.070.970.180.400.0210.089

表2 閥座基材力學(xué)性能檢測結(jié)果Table 2 Mechanical property test results of valve seat base material

(a)堆焊層組織 500×(b)基材組織 500×圖3 金相組織Figure 3 Metallographic structure

測試位置焊肉要求值HRC35.0～50.0檢測值HRC37.438.436.9

1.2 裂紋金相分析

在裂紋位置附近進(jìn)行取樣分析，取樣位置如圖4所示。取樣數(shù)量為2件。

從開裂部分的金相組織圖中可以明顯的看到，除肉眼可見的一條裂紋外，在該條裂紋附近靠近熔合線的堆焊層中還存在一些明顯的微裂紋，如圖5所示。同時(shí)，從這些微裂紋的形貌可以看出，基本上沿晶界開裂，因此這些微裂紋應(yīng)該是在堆焊過程中形成的。

2 閥座司太立合金堆焊質(zhì)量的影響因素及控制措施

2.1 堆焊材料的影響及控制措施

汽輪機(jī)閥座密封面堆焊材料通常選用司太立6號，化學(xué)成分如表4所示，它屬于鈷基耐熱合金，合金含量中鈷含量大于50%[1]。司太立合金基本結(jié)構(gòu)是M7C3碳化物和鉻在鈷中的固溶體[2]。司太立合金在高溫下有相當(dāng)好的抗應(yīng)力松弛性能[3]。堆焊一層后，焊道及其近縫區(qū)將存在較大的拉伸殘余應(yīng)力，這是這一區(qū)域產(chǎn)生裂紋的主要原因之一[4]。鈷基耐熱合金裂紋主要是結(jié)晶裂紋。為防止裂紋產(chǎn)生，應(yīng)采用較小的焊接熱輸入[5]。

圖4 閥座裂紋取樣位置 Figure 4 Sampling location of valve seat crack

圖5 熔合線附近微裂紋形貌Figure 5 Microcrack appearance near fusion line

CSiMnWNiCrMoFeCo0.9～1.40.4～2.0≤1.03.0～6.02.0～3.026.0～32.0≤1.0≤3.0余量

2.2 母材的影響及控制措施

母材為20Cr1Mo1V，該材料為貝氏體合金結(jié)構(gòu)鋼。在閥座司太立合金堆焊過程中，熔池中與母材接觸的部分，即熔合線附近化學(xué)成分相對比較復(fù)雜。其中鉻、鉬、釩、鎢等強(qiáng)碳化物元素的存在會(huì)使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度降低[6]，焊接過程中如果母材不預(yù)熱或溫度偏低，在熔合線附近更易加速馬氏體轉(zhuǎn)變。因馬氏體轉(zhuǎn)變過程是體積膨脹的過程，因此在熔合線附近存在較大的拉伸應(yīng)力。

2.3 預(yù)熱溫度和層間溫度的影響及控制措施

為了降低擴(kuò)散氫含量，防止堆焊層和基體金屬之間產(chǎn)生冷裂紋，一般要求對基體金屬進(jìn)行預(yù)熱，同時(shí)要求堆焊過程中工件應(yīng)保持在預(yù)熱溫度以上。對司太立6號硬質(zhì)合金堆焊，預(yù)熱溫度一般選擇在400～500℃范圍內(nèi)[1]。預(yù)熱方法推薦采用整體預(yù)熱方式，堆焊過程中采取采用電阻加熱或火焰加熱進(jìn)行適當(dāng)補(bǔ)熱。

2.4 熱處理制度的影響及控制措施

盡管司太立合金在加熱或冷卻過程中不存在復(fù)雜的相變，但由于司太立合金的導(dǎo)熱性能很差且具有相當(dāng)好的抗應(yīng)力松弛性能[2]，因此司太立合金的堆焊件須嚴(yán)格控制堆焊后的冷卻過程。一般要求堆焊后先在450℃±20℃范圍內(nèi)保持一段時(shí)間，然后以≤50℃/h冷卻到80～100℃左右，在這個(gè)階段使熔合線附近的過冷奧氏體充分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體組織。同時(shí)要求選擇合理的熱處理制度并及時(shí)進(jìn)行熱處理。熱處理的目的是去除焊接應(yīng)力、防止裂紋產(chǎn)生，同時(shí)改善堆焊金屬及熱影響區(qū)組織和性能[1]。合理的熱處理制度應(yīng)綜合考慮閥座性能熱處理最終回火溫度、司太立合金堆焊層與母材熱脹系數(shù)的差異及堆焊層的硬度要求等，原則上要求焊后去應(yīng)力退火溫度應(yīng)≥650℃。

3 結(jié)論

結(jié)合上述分析，造成閥座司太立合金堆焊區(qū)域開裂并延伸到母材的主要原因是預(yù)熱階段缺乏可靠的溫度控制，堆焊過程中無溫度補(bǔ)償措施，造成熔合線附近組織轉(zhuǎn)變太快，形成應(yīng)力集中，并在熔合線附近形成微裂紋。再加上后續(xù)熱處理不及時(shí)，造成熔合線上微裂紋向母材和司太立合金焊肉區(qū)擴(kuò)展。另外，閥座與蒸汽室之間為過盈配合，閥座采用液氮冷卻套裝工藝，閥座收縮量大(≥0.60 mm)，閥座母材與司太立合金堆焊層間線脹系數(shù)差異較大，加大了熔合線區(qū)域應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展開裂。因此焊前預(yù)熱、焊接過程中層間溫度控制、焊接方法及焊后熱處理等都是閥座司太立合金堆焊質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。裝配冷卻工藝的改進(jìn)也是防止司太立堆焊層開裂的措施之一。

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