百萬(wàn)核電汽輪機(jī)軸瓦制造中的問(wèn)題分析

冀潤(rùn)景

（中國(guó)電能成套設(shè)備有限公司，北京 100080）

我國(guó)作為全球核電建設(shè)規(guī)模最大的國(guó)家，面臨大量發(fā)電設(shè)備需要國(guó)產(chǎn)化的情況。在國(guó)產(chǎn)化試制階段，受技術(shù)引進(jìn)方的限制及片面追求進(jìn)度的影響，一些交付的設(shè)備存在一定程度的質(zhì)量問(wèn)題，這對(duì)整個(gè)工程的工期、質(zhì)量造成影響。

作為汽輪機(jī)設(shè)備中的重要承載部件，軸瓦的制造質(zhì)量直接關(guān)系到汽輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。而在軸瓦制造中，巴氏合金澆注質(zhì)量、合金與瓦體的結(jié)合質(zhì)量都是衡量軸瓦質(zhì)量水平的主要指標(biāo)，特別是對(duì)大規(guī)格、結(jié)合力要求高的百萬(wàn)核電軸瓦而言，更是如此。本文針對(duì)首批百萬(wàn)核電汽輪機(jī)軸瓦制造中存在的質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)對(duì)巴氏合金澆注過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，提出建議措施。

1 軸瓦制造中的質(zhì)量問(wèn)題

1.1 軸瓦的技術(shù)特點(diǎn)和制造要求

本機(jī)組汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子（一高三低）為雙軸承支撐，全部8 副汽輪機(jī)軸瓦均為單油楔球面軸瓦。其中，2 副高壓軸瓦規(guī)格分別為Φ510mm、Φ560 mm，6副低壓軸瓦規(guī)格均為Φ785mm。軸瓦澆注巴氏合金，牌號(hào)為WL－2。合金層與軸瓦體結(jié)合強(qiáng)度要求為80N／mm2，明顯高于一般軸瓦。

表1 WL－2合金的化學(xué)成分要求

澆注完成、冷卻后，對(duì)合金表面分三次加工至最終尺寸，其中對(duì)上半瓦要進(jìn)行偏心加工，每次加工后，都要對(duì)合金表面和端部、中分面結(jié)合部位進(jìn)行超聲波探傷和滲透探傷檢查。

1.2 軸瓦制造中的主要質(zhì)量問(wèn)題

軸瓦承制廠家依據(jù)自主制定的工藝，在技術(shù)引進(jìn)方有限的指導(dǎo)下進(jìn)行試制，通過(guò)鑒定，給出了合格的結(jié)論。盡管首件試制成功，但通過(guò)全面的探傷檢查，廠家實(shí)際生產(chǎn)的軸瓦暴露出大量問(wèn)題，主要有：（1）上瓦偏心加工車去一定厚度合金后，頂部出現(xiàn)“裸露本體”的情況，該處合金和瓦體結(jié)合線上出現(xiàn)大量滲透探傷線性顯示；（2）中分面和端面合金與瓦體結(jié)合部位滲透探傷線性顯示；（3）合金表面大量超標(biāo)的超聲波探傷面積顯示（主要是結(jié)合不良）；（4）合金表面大量超標(biāo)的滲透探傷圓形顯示（主要是氣孔）。以上問(wèn)題如圖1所示。

圖1 軸瓦主要探傷缺陷

2 合金澆注過(guò)程剖析及探傷缺陷原因分析

合金澆注屬于特殊過(guò)程，澆注工藝的合理性、工藝執(zhí)行情況等對(duì)最終合金和瓦體的結(jié)合質(zhì)量有著重大影響，而軸瓦的探傷缺陷恰恰顯示出大量結(jié)合不良情況的存在。經(jīng)驗(yàn)表明，結(jié)合不良的原因一般歸結(jié)為工藝不合理或不能嚴(yán)格執(zhí)行工藝。因此要解決軸瓦的質(zhì)量問(wèn)題，需從工藝著手剖析，分析工藝中存在的不合理情況以及工藝執(zhí)行不到位的情況，以尋求解決問(wèn)題的措施。澆注過(guò)程主要包括瓦體準(zhǔn)備、掛錫、工裝預(yù)熱、合金熔煉、合金澆注及冷卻等。

2.1 瓦體準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

瓦體材料為鑄鋼件，入廠后需進(jìn)行120小時(shí)、650℃的脫氫熱處理。之后在待澆注面加工出燕尾槽。在機(jī)加工完成規(guī)定時(shí)間內(nèi)，進(jìn)行掛錫和合金澆注。瓦體的準(zhǔn)備階段對(duì)后續(xù)掛錫質(zhì)量、結(jié)合力有一定的影響，該階段容易出現(xiàn)的問(wèn)題有：

1）脫氫前粗加工留量較大，致使脫氫后加工量大，瓦體殘余應(yīng)力大，易變形［1］；同時(shí)，實(shí)際生產(chǎn)中存在精加工階段消缺補(bǔ)焊情況，而此時(shí)因結(jié)構(gòu)原因已不能回火，影響脫氫效果。有其他廠家采用鍛件瓦體，加工時(shí)基本不需挖補(bǔ)，相應(yīng)的脫氫時(shí)間也短，并能保證脫氫質(zhì)量。

2）掛錫前的瓦體表面處理不干凈，使掛錫不均勻、不全面；另外，掛錫前表面粗糙度不能達(dá)標(biāo)，使掛錫層變厚，影響掛錫質(zhì)量。實(shí)踐證明［2］，粗糙度越大，錫層厚度越大。

3）因生產(chǎn)安排，不能在機(jī)加工完成規(guī)定時(shí)間內(nèi)及時(shí)進(jìn)行澆注，使表面形成氧化膜，這將影響錫與瓦體之間的結(jié)合力。因此若不能及時(shí)澆注，可采用先掛錫保護(hù)的方法，這樣即使錫面出現(xiàn)氧化，也可通過(guò)顏色觀察并處理。

2.2 掛錫環(huán)節(jié)

掛錫的作用是在瓦體和合金之間形成過(guò)渡層（FeSn－FeSn2）［3］，以增強(qiáng)結(jié)合力。掛錫質(zhì)量是影響澆注質(zhì)量的關(guān)鍵因素，存在的主要問(wèn)題包括：

1）工藝中給出的錫液溫度范圍過(guò)大，不易操作。工藝要求熱浸方法掛錫，錫液溫度控制在260～300℃。而錫的熔點(diǎn)為232℃，錫液溫度若太低，高出熔點(diǎn)不多，流動(dòng)性就不好。若太高，則易使掛錫表面氧化，且溫差大會(huì)造成熱應(yīng)力大，形成不良的過(guò)渡層。不同的文獻(xiàn)［2，4］中給出的錫液溫度有所不同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，優(yōu)化工藝中的錫液溫度范圍。

2）工藝未給出對(duì)掛錫層厚度的控制措施。錫層雖有利于結(jié)合，但硬而脆，應(yīng)盡量薄。過(guò)厚的掛錫層易氧化，結(jié)合力降低。一些工廠利用錫液流動(dòng)性好的特點(diǎn)，采取垂直抖動(dòng)方式，使錫層盡量薄。實(shí)踐證明錫層厚度隨粗糙度的改善和抖動(dòng)次數(shù)增加而減薄。

3）工藝中未規(guī)定掛錫前預(yù)熱瓦體。瓦體若不預(yù)熱，因溫差大造成熱應(yīng)力大，會(huì)形成不良的過(guò)渡層。但溫度不宜過(guò)高，否則瓦體表面會(huì)氧化。具體預(yù)熱溫度應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定，有的文獻(xiàn)給出溫度為270～300℃［3］。實(shí)踐也證明，廠家往往忽視掛錫前的預(yù)熱。

4）未嚴(yán)格執(zhí)行掛錫時(shí)間，導(dǎo)致掛錫不完全。

2.3 工裝預(yù)熱環(huán)節(jié)

澆注中工裝的溫度，會(huì)局部影響澆注質(zhì)量，溫度過(guò)高會(huì)使合金局部過(guò)熱，不利于結(jié)晶；過(guò)低則過(guò)早結(jié)晶使隨后的結(jié)晶過(guò)程不均勻。嚴(yán)重時(shí)使局部產(chǎn)生熱裂傾向。因此對(duì)工裝進(jìn)行合適的預(yù)熱非常必要，而實(shí)際澆注時(shí)，往往存在不能按工藝嚴(yán)格執(zhí)行，忽視預(yù)熱要求的情況。

2.4 合金熔煉環(huán)節(jié)

經(jīng)調(diào)查分析，合金熔煉過(guò)程存在的問(wèn)題有：

1）不能嚴(yán)格控制舊料的用量。往往受成本影響，回爐舊料的數(shù)量超過(guò)工藝要求?；貭t舊料中的雜質(zhì)可能對(duì)合金金相組織、硬度、夾雜物有一定影響，但不會(huì)直接造成脫胎。

2）熔煉、澆注溫度（390～420℃）的范圍不合理。巴氏合金液體冷卻中，首先結(jié)晶析出針狀ε相（Cu6Sn5），隨后降溫過(guò)程中方形結(jié)晶β′相（SnSb），β′相易偏析，先形成的ε相呈骨架狀分布在液相中，防止β′上浮形成偏析。如果合金液體溫度過(guò)低，則流動(dòng)性差，澆注時(shí)易產(chǎn)生冷隔、氣孔及砂眼缺陷；若過(guò)高，則會(huì)增加熔化過(guò)程中合金燒毀的可能性，并使合金組織粗大，影響力學(xué)性能。錫基合金的ε相結(jié)晶溫度為370℃［5］，一般澆注溫度應(yīng)高于初始結(jié)晶溫度50～100℃。因此可在工藝規(guī)定范圍內(nèi)，使?jié)沧囟冉咏?20℃。

2.5 合金澆注及冷卻環(huán)節(jié)

盡管經(jīng)驗(yàn)表明，相對(duì)靜態(tài)澆注、離心澆注能消除合金中的氣孔、夾渣缺陷，得到更精細(xì)的組織［7］，但因ε相比重大，受離心力作用會(huì)在結(jié)合部位聚集，產(chǎn)生較大偏析。曾有國(guó)內(nèi)百萬(wàn)火電機(jī)組離心澆注軸瓦運(yùn)行不滿2年就發(fā)生合金層剝落的問(wèn)題［8］，原因是結(jié)合部位ε相比重過(guò)多，使合金變硬，韌性不足，在交變和沖擊載荷下碎裂和剝落。本軸瓦結(jié)合力要求80N／mm2，遠(yuǎn)高于同類項(xiàng)目機(jī)組50～60N／mm2的要求，因此，只能采用靜態(tài)澆注。該環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問(wèn)題有：

1）澆注方法不合理。采用直立連續(xù)澆注方法，合金層從液態(tài)冷卻至固態(tài)時(shí)是作為一個(gè)整體，由于軸承合金WL－2（α＝19.32×10－6）與瓦體ZG225－450（α＝12.9×10－6）線膨脹系數(shù)相差大，在合金從固相線以下冷卻到常溫過(guò)程中，兩種金屬的收縮變形量不同，產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，可能導(dǎo)致結(jié)合不良。其次，結(jié)晶過(guò)程中ε相（Cu6Sn5）因比重大出現(xiàn)偏析，實(shí)踐中曾出現(xiàn)過(guò)在下部取樣進(jìn)行化學(xué)分析時(shí)，銅含量明顯過(guò)高。另外，澆注時(shí)下部首先凝固，上部液體因澆注空間面積大而且寬度窄，補(bǔ)縮距離長(zhǎng)而來(lái)不及補(bǔ)縮，易造成縮孔和疏松。實(shí)踐表明［6］，采取間歇澆注的方法，能一定程度上解決或緩解上述問(wèn)題。同時(shí)，還有廠家嘗試底注方法，在解決補(bǔ)縮問(wèn)題的同時(shí)，也能避免從頂部澆入時(shí)氣泡不易排出的情況，改善澆注質(zhì)量。

2）冷卻方式不能起到效果。合理地控制各部位溫度，是結(jié)合力達(dá)到要求的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，合理的溫度如圖2所示：瓦面中下部A 最低，由此向瓦面放散性升高，兩邊高于中部、上部高于下部，模具內(nèi)表面溫度應(yīng)顯著高于瓦面溫度，一般應(yīng)控制在250～290℃，這樣可增大合金擠向瓦面的凝縮力，加強(qiáng)結(jié)合力。

圖2 冷卻時(shí)合理的溫度分布

而在實(shí)際澆注時(shí)按傳統(tǒng)離心澆注方式用水槍噴水，無(wú)法控制溫度分布。某工廠針對(duì)此情況，設(shè)計(jì)出一種半環(huán)形空心鋼制水管，澆注時(shí)水管圍繞瓦體背部布置，水管面向瓦背設(shè)置很多噴水孔，水由水管兩頭以一定的壓力進(jìn)入，從噴水孔中噴出進(jìn)行冷卻。而且，還可通過(guò)提升水管，達(dá)到不同高度的冷卻，此工裝一定程度上解決了冷卻時(shí)的溫度分布要求。

3）忽視一些細(xì)節(jié)。如工作銜接不好，未能保證掛錫后在5分鐘內(nèi)澆注，使得錫層可能出現(xiàn)氧化，影響結(jié)合，也使得瓦體澆注前245℃的溫度難以保證。

2.6 其他方面的因素分析

1）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不合理。如上瓦經(jīng)偏心加工，加工時(shí)車刀正好位于燕尾槽邊緣，車刀和燕尾槽邊緣對(duì)合金共同作用，導(dǎo)致合金表面層被剪開(kāi)或合金層處被壓開(kāi)，出現(xiàn)裂紋。后續(xù)升版了圖紙，減少了偏心加工量，解決了此問(wèn)題。

2）澆注時(shí)冒口不夠高。冒口位置合金暴露在外表面，與內(nèi)部相比應(yīng)力少了一維方向，更容易脫胎。因此，適當(dāng)增加冒口高度，澆注后通過(guò)機(jī)加工去除，可解決端面線性顯示問(wèn)題。另外，有廠家將上下瓦合成整圓澆注，使中分面不暴露，也能一定程度上解決問(wèn)題。

3 改善措施建議

3.1 優(yōu)化掛錫、澆注及冷卻等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的工藝要求

在工藝中應(yīng)明確在掛錫前預(yù)熱瓦體，以及在掛錫后通過(guò)抖動(dòng)減少錫層厚度的要求，并通過(guò)工藝試驗(yàn)，優(yōu)化掛錫溫度。調(diào)整澆注方法，選用間歇式澆注或底注；調(diào)整冷卻用裝備及方式，確保按自下而上順序凝固；優(yōu)化合金熔煉、澆注溫度；澆注時(shí)適度增加冒口高度或采用上下半整體澆注。

3.2 嚴(yán)格執(zhí)行工藝要求

盡量保證在規(guī)定時(shí)間掛錫澆注，如實(shí)在不能保證，則至少應(yīng)先掛錫保存。確保掛錫表面的加工粗糙度符合要求；嚴(yán)格執(zhí)行工藝所要求的掛錫時(shí)間。確保按工藝要求執(zhí)行工裝預(yù)熱。

3.3 其他建議

合理設(shè)計(jì)脫氫前的加工留量。選用質(zhì)量好的軸瓦體鑄件，也可選用鍛件；加工時(shí)注意控制走刀方向、走刀速度和吃刀量。加強(qiáng)軸瓦制造過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量監(jiān)督。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某百萬(wàn)核電汽輪機(jī)軸瓦制造過(guò)程中探傷發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)分析，剖析了影響軸瓦最終質(zhì)量的關(guān)鍵工藝，即巴氏合金的澆注過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)的工藝重點(diǎn)和難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上分析了本項(xiàng)目汽輪機(jī)軸瓦合金澆注工藝及其執(zhí)行中存在的問(wèn)題，并進(jìn)一步提出了改善措施和建議。

隨著核電汽輪機(jī)組容量的不斷增大以及設(shè)備質(zhì)量要求的不斷提高，高結(jié)合力要求的巴氏合金軸瓦的應(yīng)用將會(huì)成為趨勢(shì)，本文從工程實(shí)踐出發(fā)，對(duì)合金澆注這一特殊工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行的經(jīng)驗(yàn)反饋，將為提升百萬(wàn)核電汽輪機(jī)軸瓦的國(guó)產(chǎn)化質(zhì)量提供具有重要價(jià)值的建議。

［1］周建龍.影響巴氏合金結(jié)合力的因素和改進(jìn)措施［J］.汽輪機(jī)技術(shù)，1999（6）：380－382.

［2］吳鐵生.影響離心澆注巴氏合金軸瓦粘結(jié)不牢的因素分析［J］.特種鑄造及有色合金，1996（4）：46－48.

［3］盛含香.澆注巴氏合金軸瓦的工藝實(shí)踐［J］.現(xiàn)代零部件，2005（2－3）：111－113.

［4］耿建成.巴氏合金澆注過(guò)程中的溫度控制［J］.熱加工工藝，2003（5）：63.

［5］邱艷芳.如何提高軸承合金澆注質(zhì)量［J］.通用機(jī)械，2008（3）：81－82.

［6］邱洪波.巴氏合金軸瓦的直立間歇澆注及其特點(diǎn)分析［J］水泥工程，2011（4）：56.

［7］郭亞希.鑄造方法對(duì)巴氏合金組織及性能的影響［J］.河南大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2009（4）：8－11.

［8］唐麗英.某超超臨界發(fā)電機(jī)組汽輪機(jī)巴氏合金層剝落原因分析［J］.理化檢驗(yàn)物理分冊(cè)，2010（46）：207－210.