電站鍋爐閥門密封面耐磨堆焊層性能分析

寧亮亮

（哈爾濱華德學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150025）

0 引言

電站鍋爐閥門在使用過程中經(jīng)常啟閉， 由于密封面間的相互摩擦、擠壓、剪切，以及高溫高壓的水蒸氣和煙氣的沖刷和腐蝕等作用，極易受到損傷。一旦密封面損傷泄漏，電站鍋爐必須要停爐檢修［1］。 我國目前密封面堆焊材料常選用鈷基合金D802 焊條。D802 對應(yīng)GB 984 標(biāo)準(zhǔn)中的型號EDCoCr-A， 采用D802 材料堆焊層具有優(yōu)良的耐磨性、 抗沖擊性、抗氧化性、耐腐蝕性及抗氣蝕性。但由于閥體剛性大，使得堆焊層抗裂性較差，易形成結(jié)晶裂紋或冷裂紋，因此焊前必須進(jìn)行預(yù)熱。 預(yù)熱溫度范圍取350～500 ℃。同時控制層間溫度大于等于 250 ℃， 閥體焊后必須立即450 ℃保溫，焊后進(jìn)行710±20 ℃回火，保溫2 h后隨爐冷卻［2］。 工藝過程非常復(fù)雜，而且浪費(fèi)大量的生產(chǎn)周期和經(jīng)濟(jì)成本。 然而經(jīng)實驗采用D547Mo 焊條，堆焊層具有較高的空淬性，焊接性良好。 堆焊金屬具有較高的中溫硬度， 良好的熱穩(wěn)定性， 抗沖蝕性、耐磨性和抗裂性，對電站閥門密封面焊接過程焊前不用預(yù)熱，焊后不用熱處理，用于堆焊500～600 ℃的高壓截止閥密封面。

1 焊接設(shè)備及材料

1.1 焊接設(shè)備

采用林肯V270T-PULSE 焊機(jī)。

1.2 母材的選用

母材選用12CrMoV 鋼板，尺寸為120 mm×60 mm×8 mm。 12CrMoV 為珠光體耐熱鋼，是電站鍋爐閥體的主要材料。

1.3 焊條的選用

采用的焊接材料為D547Mo 堆焊焊條， 藥皮的類型為低氫鈉型CrNiSiMo 型閥門堆焊焊條，采用直流反接。堆焊金屬有良好的抗磨損、抗高溫腐蝕等性能，主要用于600 ℃電站鍋爐閥門堆焊修復(fù)，其化學(xué)成分見表1 所示。

表1 D547Mo 熔敷金屬化學(xué)成分 （%）

2 焊接工藝

2.1 焊前準(zhǔn)備

首先對工件表面用角磨機(jī)進(jìn)行除銹并露出金屬光澤， 之后再用砂紙將角磨機(jī)打磨在工件上殘留的毛刺和其他細(xì)小的雜物，并用砂紙打磨干凈，做到工件表面光潔。其次焊接前要把焊條經(jīng)烘干后使用。焊條烘干溫度為300 ℃左右烘干1 h。 堆焊比較大的工件，深孔小口徑截止閥閥體一定要預(yù)熱和焊后緩冷。

2.2 焊接過程

堆焊厚度3～5 mm、堆焊層數(shù)2 層。 堆焊層的厚度不能小于2 mm，降低稀釋率保證焊縫的硬度和化學(xué)成分的穩(wěn)定，但也不要堆焊過厚，以免產(chǎn)生裂紋。堆焊完第一道焊縫需要緩冷，否則試件后發(fā)生變形。試件堆焊層如下圖1 所示。

圖1 堆焊層簡圖

焊條電弧堆焊在板材上進(jìn)行堆焊， 焊條為D547Mo，焊槍與焊接方向成 80～85°，電弧高度控制在0～1 mm，避免焊縫出現(xiàn)氣孔缺陷。 焊接時焊槍速度保持一致，保證焊縫的寬度和余高一致。熔渣清理要徹底，每道焊縫壓上一道焊縫的1／2，保證焊道間熔合良好。 第一層堆焊完畢之后徹底清理表面的熔渣和焊接飛濺，并且控制層間溫度不得超過300 ℃，以防止熱裂紋的產(chǎn)生。 第二層堆焊操作與第一層一致，注意避免層間未熔合缺陷發(fā)生，并保證焊縫表面無氣孔、夾渣等缺陷，填滿弧坑，保證表面光滑。焊接參數(shù)如表2 所示。

表2 焊接參數(shù)

3 焊后檢驗

3.1 焊縫無損檢測

對第一層焊縫和第二層焊縫都進(jìn)行了滲透探傷，PT 探傷前對焊縫表面的熔渣、飛濺等進(jìn)行清理，施加著色滲透劑，滲透時間至少保持10 min 以上，然后用蘸上清洗劑的抹布對焊縫表面多余的滲透劑進(jìn)行清理，露出焊縫金屬光澤，施加顯像劑，觀察焊縫表面均未發(fā)現(xiàn)裂紋等焊接缺陷。

3.2 焊縫硬度檢測

用洛氏硬度計來測試硬度， 實驗前用檢測件來檢測儀器的準(zhǔn)確性， 保證試件的壓頭壓入去表面光滑測試臺無雜物，并且要采用多點(diǎn)測量，保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，如圖2 所示。

圖2 母材焊縫硬度五點(diǎn)測量

將工作臺擦干凈試件置于表面， 并將焊縫打磨面垂直于壓頭下方，要保證試件平穩(wěn)。旋轉(zhuǎn)手輪小指針至紅點(diǎn)，大指針轉(zhuǎn)3 圈垂直向上為止。旋轉(zhuǎn)外殼保證大指針指于CB 線。 扳動加載手柄，大指針逆向轉(zhuǎn)動。 指針停止轉(zhuǎn)動后，推回卸力載荷手柄。 從指示器讀取實驗數(shù)。

表面硬度檢測時要保證表面的平整干凈， 分別在表面焊縫取5 個點(diǎn)，硬度值見表3 所示。各點(diǎn)之間距離為3 mm， 取5 個點(diǎn)硬度的平均值39.7 HRC，而母材的表面硬度平均值為18.6 HRC，堆焊層硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于母材硬度。

表3 焊縫及母材的硬度值 單位：HRC

3.3 磨粒磨損實驗

由于摩擦磨損試驗機(jī)卡具大小受限制， 需要將焊接件切割成10 mm×10 mm 才能使用， 如圖3 所示。 不能用火焰切割機(jī)來切割試件否則會造成試件性能發(fā)生變化，所以要用手工鋸割來取得標(biāo)準(zhǔn)試件，切割完畢后用砂紙將表面打磨平整。 本次實驗需要得到磨損量差證明D547Mo 的耐磨性， 所以要磨損兩個試件，第一個是有焊縫的試件，第二個是母材試件，母材試件的規(guī)格大小也是10 mm×10 mm。因為堆焊標(biāo)準(zhǔn)件尺寸適宜，所以試樣下料采用人工方法，用鋸條鋸割下來，在這里一定要保證尺寸大小，否則試樣裝不到磨損卡具上。

圖3 磨粒磨損標(biāo)準(zhǔn)件

利用電子天平測得實驗前試件的重量。 將對磨環(huán)和裝載試件的卡具安裝在試驗機(jī)上， 采取對磨環(huán)在下卡具上的方法。 使試件垂直于對磨環(huán)偏差小于2 mm，如圖4 所示，然后固定。點(diǎn)擊電腦上清零鍵，重新設(shè)定數(shù)值。 選取實驗力200 N、 磨損時間是20 min、轉(zhuǎn)速 200 r／min、摩擦力矩值 15 N·m、載荷 30 MPa 無潤滑。 實驗力是通過螺絲來改變的。 安裝和設(shè)定完成后即開始實驗，選擇低速按鈕然后點(diǎn)擊電腦中的開始鍵。 實驗開始后，磨擦磨損曲線如圖 5 所示。

磨損實驗之前需要用電子天平對試件進(jìn)行稱重，磨損結(jié)束后再對試件進(jìn)行稱重，以得到磨損量。對其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如表4 所示。

圖4 磨損實驗試樣及磨輪裝配示意圖

圖5 磨擦磨損曲線圖

表4 磨損數(shù)據(jù) 單位：g

由摩擦磨損實驗結(jié)果， 可以看出用D547Mo 堆焊的試件磨損前重量是80.326 8 g， 磨損后重量是80.320 1 g，所得磨損量是0.006 7 g。母材的磨損前重量是82.654 2 g，磨損后的重量是82.595 1 g，所得磨損量是0.059 1 g。 母材的磨損量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于堆焊件的磨損量， 這就充分的說明了利用D547Mo 堆焊的耐磨性高， 從磨損量看D547Mo 耐磨性提到了大概9 倍。 從圖5 可以看出12CrMoV 鋼的摩擦系數(shù)在0.5～0.6 之間波動， 堆焊層的摩擦系數(shù)在 0.1～0.2 之間波動。而摩擦系數(shù)越大，說明表面粗糙程度大也就說明其越不耐磨。 這樣也證明了用D547Mo 的堆焊層具有很好的耐磨性。

3.4 金相組織分析

對10 mm×10 mm 焊接試件利用牙托粉和牙托水進(jìn)行鑲嵌制備金相試樣， 依次利用400～2 000 目金相砂紙打磨，并在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，使得試件表面沒有劃痕。 將試件拋光面用配置好的腐蝕劑（4%氫氟酸加4%硝酸加92%蒸餾水）腐蝕后，用流動水沖洗和吹風(fēng)機(jī)吹干。 在電子顯微鏡下觀察試件為1Cr13 半鐵素體的高鉻鋼，具有良好的抗蝕性。

4 結(jié)束語

D547Mo 堆焊層為1 Cr13 半鐵素體的高鉻鋼具有良好的抗蝕性，滲透實驗證明堆焊層無氣孔、裂紋等缺陷具有良好的焊接性。 洛氏硬度數(shù)據(jù)顯示經(jīng)過堆焊的堆焊層的硬度HRC 比母材大了21.1 HRC，說明了焊縫的高硬度。 磨損量由母材的0.059 1 g 下降到堆焊層的0.006 7 g， 從磨損量的角度看堆焊層的耐磨性提高了9 倍。 另外，12 CrMoV 鋼的摩擦系數(shù)也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于堆焊層的摩擦系數(shù)。 這就充分的說明了利用D547Mo 堆焊的耐磨性高， 體現(xiàn)了 D547Mo 焊條在電站鍋爐閥門密封面耐磨堆焊修復(fù)的可行性。