350MW汽輪機(jī)主汽閥門桿漏氣管座角焊縫裂紋分析及工藝研究與應(yīng)用

吳友良

（上海大屯能源股份有限公司熱電廠，江蘇沛縣 221611）

某電廠采用東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的CC350/301-24.2/1.2/0.5/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸兩排汽、雙抽供熱汽輪機(jī)組。2020年9月份熱電廠#1汽輪機(jī)A修金屬監(jiān)督檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)2臺(tái)高壓主汽閥8根門桿漏氣管座角焊縫產(chǎn)生裂紋。因主汽閥為汽輪機(jī)主蒸汽進(jìn)汽總閘，閥門長(zhǎng)期處于高溫、高壓工作狀態(tài)，其設(shè)備可靠性直接影響汽輪機(jī)安全運(yùn)行可靠性。為徹底解決這一問題，我們對(duì)角焊縫失效原因進(jìn)行技術(shù)分析，針對(duì)高合金異種鋼焊接性較差的問題，制定了修復(fù)方案，優(yōu)化了焊接工藝，對(duì)焊接、熱處理過程提出了工藝要求，徹底解決高壓主汽閥門桿漏氣管座角焊縫失效的安全隱患，保證機(jī)組安全運(yùn)行。

1.焊接裂紋產(chǎn)生原因分析

1.1 試驗(yàn)檢測(cè)

采用金屬材料光譜檢測(cè)的方法對(duì)開裂的焊縫進(jìn)行分析，確定焊縫為9Cr+1Mo+V材質(zhì)，認(rèn)為原焊材選用為T/P91類焊材。采用硬度檢測(cè)的方法對(duì)開裂焊縫進(jìn)行硬度檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)硬度測(cè)量值區(qū)域?yàn)?07～321HRВ，硬度值明顯過大[1]。

采用磁粉檢測(cè)與滲透檢測(cè)相結(jié)合的方法，對(duì)門桿漏氣小管角焊縫裂紋的長(zhǎng)度和深度進(jìn)行確認(rèn)，檢測(cè)結(jié)果見圖1。由圖可見，小管座角焊縫已全部開裂，繼續(xù)打磨做滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)8根小管角焊縫均產(chǎn)生裂紋，長(zhǎng)度均超過管徑周長(zhǎng)的1/3，深度全部擴(kuò)展到焊縫根部，需全部進(jìn)行挖除。裂紋如圖1所示。

圖1 焊縫裂紋

1.2 焊縫失效原因分析

通過對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢測(cè)、材質(zhì)檢測(cè)和硬度分析，認(rèn)為ZG15Cr1Mo1VG和F92 2種異種鋼焊接工藝不合理是造成焊縫失效的直接原因[2]。通過檢測(cè)結(jié)果可以得出，原門桿漏氣管座焊接時(shí)采用焊材為高匹配原則，且通過硬度檢測(cè)分析確定焊接前后未做焊接熱處理，或熱處理工藝不當(dāng)，使得本就因錯(cuò)用高匹配焊材淬硬傾向較大的焊縫組織硬度更大，加之該處在運(yùn)行過程中冷熱溫差較大，是產(chǎn)生裂紋的原因之一。

高壓主汽閥門桿漏氣管疏放汽水管排水不及時(shí)，使管座內(nèi)壁長(zhǎng)期受到高溫蒸汽和凝水的沖擊、冷卻，導(dǎo)致該處溫度交變激烈，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，致使該處角焊縫金屬發(fā)生疲勞，是產(chǎn)生裂紋的又一因素。

1.3 閥體材料與門桿漏氣小管材料焊接性分析

1號(hào)機(jī)組主汽閥閥蓋使用的材料為ZG15Cr1Mo1VG，外徑為932mm，厚度為260mm，屬于珠光體低合金熱強(qiáng)鋼。根據(jù)碳當(dāng)量計(jì)算公式：Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15對(duì)該材料的碳當(dāng)量進(jìn)行計(jì)算為0.83%，碳當(dāng)量以大于0.6%，由此可知，該材料屬于難溶金屬，淬硬傾向大，在近縫區(qū)易形成淬硬馬氏體組織，材料對(duì)溫度和冷卻速率敏感，焊接時(shí)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，焊接過程中容易出現(xiàn)冷裂紋[3]。

主汽閥門桿漏氣接管的使用材料為F92鋼，直徑為60mm，厚度為12mm。F92鋼是在F91化學(xué)成分的基礎(chǔ)上將Mo的含量降低了0.5%，同時(shí)加入了1.7%的W，將材料的Mo當(dāng)量從F91鋼的1%提高到1.5%，此外，該鋼還加入了微量的В進(jìn)行合金化。F92鋼是馬氏體耐熱鋼，由于其合金元素含量較多，焊接接頭淬硬傾向較大，容易產(chǎn)生馬氏體組織。其主要焊接問題是焊接時(shí)易產(chǎn)生氫致裂紋和焊接熱影響區(qū)的脆化，在氫和應(yīng)力的綜合作用下也會(huì)產(chǎn)生冷裂紋（硬度250HВW）。ZG15Cr1Mo1VG和F92化學(xué)成分見表1。

表1 ZG15Cr1Mo1VG和F92化學(xué)成分

根據(jù)對(duì)ZG15Cr1Mo1VG和F92的化學(xué)成分對(duì)比分析，2種材料的熱性能差異較大，因此異種鋼的焊接比同種鋼的焊接復(fù)雜的多，焊接時(shí)性能和組織變化較大，組織和性能也極不均勻，焊縫很容易產(chǎn)生淬硬及冷裂傾向，焊接性較差，焊接難度較大，焊接工藝較復(fù)雜，對(duì)焊工的操作過程要求比較嚴(yán)，必須嚴(yán)格控預(yù)熱溫度、層間溫度和焊后熱處理溫度。

2.焊接工藝優(yōu)化

針對(duì)ZG15Cr1Mo1VG+F92異種鋼焊接接頭的焊接性較差特征，對(duì)焊接工藝和熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)熱處理過程進(jìn)行全過程跟蹤，確保焊接質(zhì)量合格。工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程圖

2.1 焊前準(zhǔn)備

2.1.1 焊接方法和焊材選用的優(yōu)化

針對(duì)ZG15Cr1Mo1VG+F92異種鋼焊接選用高匹配焊材易造成焊接組織淬硬傾向大的問題，對(duì)焊材選用進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)際情況，確定焊接方法為手工鎢極氬弧焊打底，手工電弧焊填充及蓋面。焊接設(shè)備選用ZX7-400型逆變焊機(jī)。焊接位置置于管板2G焊接形式。

焊材的選用，有3種備選方案：

第一，選用與合金含量較高的一側(cè)相匹配的焊接材料；

第二，選用合金成分介于二者之間的焊接材料；

第三，選用與合金含量較低一側(cè)相匹配的焊接材料。

根據(jù)《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》DL/T 869中的推薦，結(jié)合設(shè)備運(yùn)行工況，宜選用成分介于二者之間或者與合金含量較低的匹配焊條；又根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施焊條件和焊接的質(zhì)量效果以及經(jīng)濟(jì)效益等方面的綜合考慮，焊接時(shí)采用低匹配的原則，即選用TIG-R31型焊絲和R317型焊條。低匹配焊材能避免熔合線處Cr含量的急劇變化，減少C的擴(kuò)散，降低、減少熔合線一側(cè)碳化物的形成，使焊縫金屬與ZG15Cr1Mo1VG之間的碳擴(kuò)散微乎其微。焊縫金屬與F92鋼之間的C擴(kuò)散也將由于焊縫金屬中具有強(qiáng)碳化物形成元素V和Nb等大大減弱。

對(duì)于焊材的使用，要求焊絲使用前應(yīng)清除表面的銹垢和油污等，直至露出金屬光澤；焊條使用前應(yīng)按說明書的要求進(jìn)行烘烤，使用時(shí)應(yīng)放在80℃～110℃的保溫筒中，隨用隨取。氬氣純度≥99.95%。

2.1.2 焊縫清理

將2臺(tái)高壓主汽閥8根門桿漏氣管座角焊縫裂紋全部采用機(jī)械方法清除掉，當(dāng)挖至母材表面時(shí)，再向母材深處挖掉2mm～3mm，將原焊縫金屬和母材熔合線全部清除掉，形成插入式管板接頭。把管與閥座坡口兩側(cè)15mm～20mm范圍內(nèi)外的油污、鐵銹用角向磨光機(jī)清理干凈，露出金屬光澤。用PT檢驗(yàn)每只焊口母材焊接區(qū)，確保無裂紋存在。

2.1.3 焊接工藝參數(shù)

正確地選擇焊接工藝參數(shù)可以有效地控制焊接裂紋的產(chǎn)生，為防止再次產(chǎn)生裂紋，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們選擇采用小的焊接電流、短弧焊，避免因焊接電流過大使焊接區(qū)溫度升高，熔深過深，焊道過寬，形成熱裂紋，另外在熱力的作用下，焊接區(qū)金屬顆粒增大，影響焊材的物理性能。采用多層多道法來焊接，每層厚度在3mm左右。層間溫度嚴(yán)格控制在200℃～250℃。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

2.2 裝配與焊接過程控制的要點(diǎn)

點(diǎn)固：點(diǎn)固之前首先對(duì)管子和閥座進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱方法采用火焰加熱法，加熱范圍距離管子外徑50mm～100mm左右，用紅外線測(cè)溫儀測(cè)溫，預(yù)熱溫度200℃～250℃。為了減少焊接應(yīng)力與變形，保證定位精度，采用氬弧焊三點(diǎn)焊固定工藝，按照?qǐng)A周方向均勻分布，氬弧焊焊絲、焊接工藝參數(shù)和工藝要求與正式焊接時(shí)一致。點(diǎn)固長(zhǎng)度20mm左右，焊縫厚度為3mm左右，厚度不能太薄或太短，否則容易產(chǎn)生裂紋，太厚還會(huì)給焊接接頭帶來困難。收弧時(shí)，弧坑需填滿，以免產(chǎn)生裂紋。

氬弧焊：第一層和第二次焊接采用鎢極氬弧焊方法，第一層焊縫是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。焊前對(duì)點(diǎn)固的兩端削成一定量的斜坡，以便于焊接接頭過渡。起焊點(diǎn)可在任意一個(gè)固定焊點(diǎn)端部開始，采用接觸法引弧，焊接過程中焊絲送進(jìn)要均勻，焊槍向前移動(dòng)要?jiǎng)蛩佟?/p>

收弧采用增加焊速法，在焊縫熔池已填滿的情況下焊槍前移速度逐漸增加，焊絲給進(jìn)量減小，使熔池面積逐漸縮小，直到焊件不熔化為止，即可迅速收弧。打底過程中如發(fā)現(xiàn)有裂紋、氣孔或其他缺陷時(shí)，應(yīng)采用機(jī)械方法將其徹底鏟除重焊。焊口打底層焊縫檢查合格后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行次層焊縫的焊接，以防止產(chǎn)生裂紋。第二層，繼續(xù)采用氬弧焊焊接，厚度為2mm～3mm，不宜太厚，焊接時(shí)兩側(cè)稍作停頓，保證兩側(cè)焊透。

電焊填充及蓋面：氬弧焊焊完后檢查無缺陷，將層間溫度升溫到200℃～250℃進(jìn)行次層的施焊。施焊過程中確保層間溫度在200℃～300℃，超過300℃時(shí)應(yīng)停止施焊。第三層至蓋面層采用焊條電弧焊多層多道焊接方法，多層多道焊的層間接頭應(yīng)錯(cuò)開10mm～20mm，以提高焊縫的致密性。為保證后一焊道對(duì)前一焊道起到回火作用，焊接時(shí)每層焊道的厚度控制不超過焊條的直徑。每層焊完用直徑為1.5mm的錐形園頭手錘趁熱均勻敲擊焊縫金屬，使焊縫金屬得到延展，從而減低或消除焊接應(yīng)力，焊縫的蓋面層可不做敲擊。焊接時(shí)，要對(duì)每一層的熔渣進(jìn)行徹底清除，并對(duì)每一層的焊縫表面進(jìn)行自檢發(fā)現(xiàn)缺陷要及時(shí)修復(fù)，待前層焊縫自檢合格后方可進(jìn)行后一層的焊接。焊縫蓋面層收弧處狐坑必須填滿，避免出現(xiàn)弧坑裂紋。

焊縫外觀檢驗(yàn)：電焊蓋面結(jié)束后，必須將焊縫表面的藥皮、飛濺等清理干凈，焊縫表面檢查應(yīng)沒有溝槽、咬邊、末熔合、夾渣、焊瘤、弧坑、成型不良等缺陷，發(fā)現(xiàn)以上缺陷立即進(jìn)行修復(fù)。

角焊縫焊腳高度應(yīng)符合工藝卡要求，根據(jù)規(guī)程要求，2種不同厚度的鋼材T角焊縫焊接，焊腳高度尺寸一般以兩母材中較薄件厚度為準(zhǔn)，及以主汽閥門桿漏氣接管的厚度，焊腳厚度計(jì)算公式為：a=0.7×t(較鋼材厚度) 。

3.熱處理工藝優(yōu)化及檢查

為了降低ZG15Cr1Mo1VG+F92異種鋼焊接接頭的的淬硬傾向和焊縫冷卻速度，改善應(yīng)力條件和降低焊接冷裂紋傾向，根據(jù)《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》（DL/T819-2019）規(guī)定，對(duì)主汽閥門桿漏氣管座角焊縫進(jìn)行熱處理。由于主汽閥體的厚度和直徑較大，同時(shí)存在耐熱異種鋼焊接焊縫淬硬傾向大的問題，基于現(xiàn)場(chǎng)條件，不能將閥體整體放入爐內(nèi)進(jìn)行熱處理工藝，我們優(yōu)化了焊前預(yù)熱、焊接過程中層間溫度控制和焊后熱處理工藝文件，采用火焰預(yù)熱加柔性陶瓷電阻加熱器纏繞方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)熱處理工藝。該結(jié)構(gòu)因焊前采用電腦控制的電阻繩加熱因難，也不利于焊接操作，我們改用手工氧乙炔焰作為熱源進(jìn)行預(yù)熱和層間溫度控制，焊后采用電腦控制的電阻繩進(jìn)行熱處理工藝，方便了現(xiàn)場(chǎng)操作。

3.1 焊前預(yù)熱溫度的選擇

F92鋼焊前預(yù)熱溫度為250℃～350℃，ZG15Cr1Mo1-VG鋼焊前預(yù)熱溫度為200℃～300℃。不同鉻鉬鋼焊接時(shí)，預(yù)熱按照淬硬傾向大的一側(cè)預(yù)熱溫度進(jìn)行，所以F92與ZG15Cr1Mo1VG組成的異種鋼接頭預(yù)熱溫度應(yīng)該選擇250℃～350℃。但因?yàn)榇虻缀附硬捎面u極氣體保護(hù)焊焊接速度較慢，在焊接的局部事實(shí)上產(chǎn)生了所需的預(yù)熱溫度，所以預(yù)熱溫度可以降低50℃，預(yù)熱溫度最終確定為200℃。

3.2 層間溫度的控制

根據(jù)焊接工藝參數(shù)對(duì)鋼接頭韌性的影響分析，在施焊過程中為了抑制焊縫晶粒過熱、提高焊縫的力學(xué)性能而采用多層多道焊來控制焊接熱輸入，層間溫度嚴(yán)格控制在預(yù)熱溫度要求的下限稍高一點(diǎn)的溫度區(qū)間。采用遠(yuǎn)紅外測(cè)溫槍對(duì)焊接層間溫度進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，要求層間溫度控制在200℃～250℃。

3.3 焊后熱處理溫度的選擇

焊后熱處理是利用金屬高溫下強(qiáng)度的降低而把彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詰?yīng)變以達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的，因此選擇合適的焊后熱處理參數(shù)是非常重要的，既要保證對(duì)F92鋼一側(cè)熱影響區(qū)的高溫回火，同時(shí)又能夠?qū)缚p進(jìn)行有效的熱處理。

當(dāng)焊縫整體焊接完畢，焊接接頭冷卻到100℃～120℃時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行焊后熱處理。因2臺(tái)高壓主汽閥各有4根門桿漏氣管座角焊縫需要焊接，一次不能全部焊完，焊接接頭也就不能立即進(jìn)行整體焊后熱處理，本結(jié)構(gòu)采取焊后做加熱溫度為300℃～350℃，恒溫時(shí)間為1h的消氫處理，待4根管座焊縫全部焊接完后再進(jìn)行一次性整體焊后熱處理。

焊后熱處理加熱溫度為740℃±10℃，保溫時(shí)間1h。升、降溫速度以≤100℃/h為宜，降溫至300℃以下時(shí)，可不控制，在保溫層內(nèi)冷卻至室溫。焊后熱處理工藝工藝過程曲線如圖3所示。進(jìn)行焊后熱處用時(shí)，采用柔性陶瓷電加熱措施使得角焊縫處于被加熱的最高溫度位于上。使用3支熱電偶，其中1支位于焊縫（控溫用），其他2支熱電偶（監(jiān)測(cè)溫度用）分別位于距邊緣1倍壁厚，且不小于50mm的管座與支管上。保溫層厚度在60mm～80mm，保溫外表溫度低于60℃。

圖3 焊后熱處理工藝曲線

3.4 熱處理后焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)

焊接接頭熱處理工作結(jié)束，對(duì)焊縫母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)使用便攜式硬度儀現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行100%硬度測(cè)定，結(jié)果在合格范圍內(nèi)。對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行100%的磁粉探傷和100%的滲透探傷，未發(fā)現(xiàn)焊縫有超標(biāo)缺陷，符合JВ/T4730.4-2005《承壓設(shè)備無損檢測(cè)第3和4部分》質(zhì)量等級(jí)I級(jí)合格。

4.結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目實(shí)施后徹底解決了1號(hào)機(jī)高壓主汽閥門桿漏氣管座角焊縫開裂泄漏的問題，機(jī)組投運(yùn)后至今該位置運(yùn)行狀況良好。該研究成果有效避免1號(hào)機(jī)高壓主汽閥門桿漏氣管座角焊縫開裂泄漏問題的發(fā)生，避免了因高壓蒸汽泄漏造成機(jī)組搶修所產(chǎn)生的各項(xiàng)費(fèi)用，具有較高的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)為其他同類異種鋼焊接工藝制定具有較高的指導(dǎo)意義，為熱電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。