660MW超超臨界汽輪機(jī)中壓隔板溝槽缺陷原因分析及焊接修復(fù)

陳彪

摘要：某電廠660MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組檢修過程中，發(fā)現(xiàn)汽機(jī)中壓缸#2-#7級靜葉隔板外環(huán)出汽側(cè)靜葉根部附近存在大面積溝槽，經(jīng)分析認(rèn)為汽輪機(jī)中分面部位葉片接合部位配合不良導(dǎo)致靜葉根部部位出現(xiàn)蒸汽紊流是缺陷形成的主要原因。隔板外環(huán)材質(zhì)1Cr9MoVNbN和1Cr12Mo為馬氏體耐熱鋼，具有較高的冷裂敏感性，同時部件對變形控制要求較高，為此制訂了合理的焊接工藝，采用鎳基焊材氬弧焊冷焊焊接，焊后進(jìn)行錘擊消除應(yīng)力，控制層間溫度小于60℃，打磨修型后表面探傷合格。成功焊接修復(fù)后已運(yùn)行2年多，開缸檢查未發(fā)現(xiàn)問題。

1 概況

某電廠安裝四臺某汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的CCLN660-25/600/600型660MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組，其#2機(jī)組于2009年4月投產(chǎn)。2014年5月檢修過程中，發(fā)現(xiàn)汽機(jī)中壓缸#2-#7級靜葉隔板套出汽側(cè)靜葉根部附近存在大面積溝槽。吹損溝槽均處于靜葉片出汽側(cè)根部密封焊部位，如不進(jìn)行處理，吹損溝槽繼續(xù)擴(kuò)展，將勢必導(dǎo)致靜葉脫落，嚴(yán)重威脅機(jī)組運(yùn)行安全。中壓缸隔板套及靜葉材質(zhì)為：1-4級1Cr9Mo1VNbN，5-7級1Cr12Mo。

2 缺陷成因分析

2.1 缺陷宏觀檢查

缺陷溝槽缺陷均分布于隔板出汽側(cè)，緊鄰出汽側(cè)靜葉根部，與汽封之間有稍許距離，其中#2～#7級靜葉部位吹損溝槽總數(shù)約為38處，吹損溝槽深度為1～5mm，寬度為3～6mm，溝槽長度50mm～250mm。部分缺陷溝槽形成尖角型尾部，表明缺陷形成原因可能與氣流吹損有關(guān)。

缺陷于隔板圓周方向整圈均有分布，在不同方向深度和寬度略有差別。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

在正常工況下，靜葉根部部位盡管動葉與隔板外環(huán)存在徑向間隙，但由于動葉葉頂汽封的存在，主要蒸汽均通過做功通道進(jìn)入下一級，靜葉根部部位的汽流相對較小，在靜葉根部周向汽流幾乎可以忽略不計(jì)，不太可能形成周向吹損溝槽。

同時，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，在隔板中分面部位，靜葉出汽側(cè)的型線與其它部位存在細(xì)微的差別，即正常部位靜葉為整體件，而在中分面部位，靜葉不能整體制作，因此在靠近隔板內(nèi)外環(huán)附近因配合需要適當(dāng)減少了葉片工作面面積，蒸汽因此在中分面部位經(jīng)由此間隙透過靜葉在靠近外環(huán)部位產(chǎn)生了周向汽流，進(jìn)而經(jīng)過較長時間的運(yùn)行而產(chǎn)生了吹損溝槽。

3 焊接性分析

中壓缸靜葉隔板套材質(zhì)分別為1Cr9Mo1VNbN和1Cr12Mo，兩種材料均為馬氏體型耐熱鋼，具有較高的淬硬性，基本上在所有冷卻條件下選用同質(zhì)焊材的焊縫和熱影響區(qū)焊后狀態(tài)的組織為硬脆的馬氏體組織（或少量鐵素體組織），其焊態(tài)最高硬度值可達(dá)450HV[1]。因中壓缸隔板套厚度大，不可避免的焊接拘束應(yīng)力高，在焊接過程中要求必須嚴(yán)格控制擴(kuò)散氫含量，采取適當(dāng)?shù)暮盖邦A(yù)熱和焊后緩冷措施，以盡量避免焊接過程冷裂紋。馬氏體型不銹鋼導(dǎo)熱性較碳鋼差，易導(dǎo)致熱影響區(qū)出現(xiàn)更為陡降的溫度梯度，加上組織轉(zhuǎn)變時的體積變化，可引起較高的內(nèi)應(yīng)力，從而進(jìn)一步提高了冷裂傾向[2]。為降低焊縫內(nèi)應(yīng)力，避免焊后冷裂紋的發(fā)生，采用同質(zhì)焊材時，焊后必須進(jìn)行高溫回火處理。

然而1Cr12Mo這種馬氏體型耐熱不銹鋼還具有一定的高溫回火脆性，有研究顯示1Cr12Mo鋼二次回火溫度大于480℃時其沖擊性能快速下降，部分不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。同時中壓缸隔板套的焊接修復(fù)對變形控制要求高，較高的預(yù)熱溫度、層間溫度和焊后熱處理溫度對于控制變形極為不利。因此，針對此次焊接修復(fù)的特點(diǎn)，決定選擇采用鎳基焊材冷焊，焊后不進(jìn)行熱處理的焊接工藝進(jìn)行焊接修復(fù)。

4 焊接修復(fù)工藝

4.1 缺陷消除及坡口準(zhǔn)備

采用氣動砂輪小心的將隔板套出汽側(cè)位置吹損溝槽及裂紋打磨去除，注意不能傷及靜葉片，并盡量使其平滑過渡。滲透探傷確認(rèn)缺陷去除干凈，溝槽及吹損部位打磨去除氧化皮露出金屬光澤，滲透探傷確認(rèn)待補(bǔ)焊部位沒有缺陷。用丙酮仔細(xì)清洗待補(bǔ)焊區(qū)域及其周圍10mm-15mm范圍內(nèi)，不允許有油污、銹斑、水等任何影響焊接質(zhì)量的污物存在。

4.2 焊接工藝

采用ErNiCr-3焊絲手工鎢極氬弧焊方法進(jìn)行補(bǔ)焊，焊絲規(guī)格φ1.6mm，焊絲使用前用丙酮（分析用純丙酮）擦拭干凈，直流反接，焊接電流：60-100A，氬氣流量：9-14L/min。

4.3 焊接注意事項(xiàng)

焊接時采用小電流短電弧短焊道快速斷續(xù)焊接，每焊道長度不宜大于50mm，順序焊接的兩焊道間長度方向間距不宜小于兩焊道長度的最大值，以盡量減小焊接線能量和降低焊道的寬深比。焊接過程中應(yīng)使用起弧、熄弧的薄弱區(qū)交錯分布，收弧時填滿弧坑，斷弧后焊槍停留于收弧點(diǎn)繼續(xù)充氬保護(hù)不小于5s。

焊道排列整齊，焊道之間要有三分之一的覆蓋量，焊縫與坡口邊緣母材圓滑過渡。每道焊接完成，焊縫熔敷金屬處于中高溫時采用電錘或氣錘對焊縫表面進(jìn)行捶擊，錘擊時，盡可能地向焊縫的橫向錘擊，使焊縫金屬盡可能橫向伸展，并且錘擊要稠密、輕快而均勻。每道焊接前需待前一道焊縫冷至60℃以下（手模不燙）方可實(shí)施焊接。焊接過程中焊工要隨時進(jìn)行自檢，逐道進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋應(yīng)立即鉗工打磨去除，重新焊接。

4.4 焊后檢驗(yàn)

補(bǔ)焊區(qū)域宏觀檢查，發(fā)現(xiàn)氣孔、咬邊應(yīng)修磨圓滑過渡;宏觀檢查合格后進(jìn)行滲透探傷檢查，補(bǔ)焊區(qū)及熱影響區(qū)無缺陷即為合格。

5 結(jié)束語

靜葉隔板套出汽側(cè)靜葉根部附近的大面積溝槽，因中分面部位蒸汽透過靜葉間隙在靠近外環(huán)部位產(chǎn)生了周向汽流吹損形成。選擇適當(dāng)?shù)暮附硬牧喜⒅朴喠撕侠淼暮附庸に嚕晒附有迯?fù)了中壓缸靜葉隔板，焊接修復(fù)后至今已運(yùn)行2年多，開缸檢查未發(fā)現(xiàn)缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大。

1、周鑫磊， 劉文進(jìn)， 周瑞，等. 電站閥門用高合金耐熱鋼焊接工藝的分析[J]. 閥門， 2011（5）：16-20.

2、夏福慶， 郝永華. 火力發(fā)電廠300MW機(jī)組汽輪機(jī)隔板靜葉片裂紋的焊接修復(fù)[J]. 金屬加工：熱加工， 2007（12）：30-30.

3、袁達(dá)， 方順發(fā). 1Cr12Mo鋼的高溫回火脆性研究[J]. 熱處理， 2008， 23（4）：35-39.