ZG20CrMoV 汽輪機缸體裂紋修理補焊

陳 罡，徐東洋，徐 彤

（中國石油遼陽石油化纖有限公司建修公司，遼寧遼陽 111003）

1 修理任務(wù)分析

1.1 設(shè)備裂紋概況

某電廠1#汽輪機大修，缸體檢查時內(nèi)壁有一條長度約60 mm的裂紋缺陷，裂紋尖端距上下缸體結(jié)合面不到30 mm，嚴重威脅汽輪機組的運行安全（圖1）。因電廠生產(chǎn)安排，補焊工作工期緊。

圖1 汽輪體缸體裂紋

1.2 裂紋產(chǎn)生原因

此汽輪機1992 年投入運行，服役已將近30 年，汽缸設(shè)計壓力9.8 MPa，設(shè)計溫度540 ℃，汽輪機汽缸長期在高溫高壓工作條件下運行。ZG20CrMoV 材料缸體結(jié)構(gòu)復雜、壁厚大、截面形狀變化大，存在鑄造缺陷的概率也大，而且不便于檢測。在形狀變化大的部位存在應力集中，加之汽輪機組運行過程中開停車頻繁，汽缸缸體承受溫差應力作用，在鑄造缺陷處產(chǎn)生裂紋并擴展。裂紋一旦擴展到上、下缸體結(jié)合面，高溫高壓蒸汽泄漏會引起重大事故，必須徹底清除裂紋缺陷、消除隱患。

1.3 修理難點

ZG20CrMoV 材料鑄件缸體裂紋修理難度大，不僅要防止修理過程中裂紋擴展，特別是避免裂紋擴展到汽缸上、下缸體結(jié)合面增加補焊后的密封面加工量，也要避免過大的、不均勻的焊接熱輸入引起汽缸結(jié)合面變形。而且ZG20CrMoV 低合金耐熱鋼鑄件焊接性差、采用同質(zhì)焊接材料補焊時需采取嚴格的工藝措施，防止產(chǎn)生新的焊接冷裂紋。

2 汽缸缸體補焊焊接方法選擇

2.1 ZG20CrMoV 材料焊接性分析

汽缸材料為ZG20CrMoV，其主要化學成分見表1（摘自JB/T 9625—1999《鍋爐管道附件承壓鑄鋼件技術(shù)條件》），屬于低合金耐熱鋼，金相組織主要為珠光體。

表1 ZG20CrMoV 鋼化學成分（質(zhì)量分數(shù)） %

按國際焊接學會（IIW）推薦的碳當量計算公式，ZG20CrMoV 的碳當量=0.81%＞0.45%，焊接性較差，焊接時快速冷卻可能出現(xiàn)淬硬的馬氏體組織。汽缸的缸體開裂處厚度大、存在形狀突變，造成補焊處剛性大、應力集中大，當補焊時預熱、層溫和焊后消氫措施及焊接規(guī)范數(shù)、消除應力熱處理措施不合理時，冷卻速度快、擴散氫濃度高，焊縫金屬和熱影響區(qū)產(chǎn)生淬硬的馬氏體組織部位，在焊接應力和擴散氫作用下產(chǎn)生氫致裂紋，由于氫的擴散、聚集和誘發(fā)需要一定時間，所以為延遲裂紋[1]。

當鋼中含有Cr、Mo、V 對再熱裂紋敏感的合金元素，消除應力熱處理規(guī)范不合適時，容易產(chǎn)生再熱裂紋（也稱消除應力裂紋），ZG20CrMoV 再熱裂紋敏感指數(shù)PSR=ω（Cr）+ω（Cu）+2ω（Mo）+10ω（V）+7ω（Nb）+5ω（Ti）-2，取ZG20CrMoV 鋼的實際合金成分含量計算，最小值也為1.9，大于0，容易產(chǎn)生再熱裂紋。

補焊工作應保證焊接接頭有與缸體母材基本相等的強度和塑性，特別是與缸體母材相當?shù)母邷爻志脧姸?。保證焊接接頭與母材相當?shù)目垢邷匮趸阅?、抗脆斷性能。焊接接頭應有與缸體母材相近的熱膨脹系數(shù)和導熱率，減小焊接接頭在高溫運行過程中的熱應力。在此前提下，減少焊接缺陷的產(chǎn)生。

ZG20CrMoV 同質(zhì)焊接材料補焊時，除了采取工藝措施、由技能熟練焊工操作，避免一般低合金鋼材料可能出現(xiàn)的氣孔、夾渣、未熔合、未焊透等焊接缺陷。為避免延遲裂紋及再熱裂紋，首先應做好缺陷清除、保證焊接坡口的加工質(zhì)量，清除裂紋源；做好焊接材料的清理，除去容易引起焊接缺陷的油、銹、氧化皮等污物；選用焊縫金屬合金成分與強度性能與母材匹配的焊接材料；根據(jù)焊件材料、補焊部位拘束度大小選取合適的預熱溫度和焊后消氫規(guī)范、消除應力熱處理規(guī)范，避免焊接接頭冷卻速度過快，得到理想的焊接接頭組織性能，避免產(chǎn)生延遲裂紋和再熱裂紋[1]。

2.2 ZG20CrMoV 焊接方法比較

根據(jù)DL/T 753—2015《汽輪機鑄鋼件補焊技術(shù)導則》，汽輪機鑄鋼件的補焊方式有熱補焊、同質(zhì)冷補焊、異質(zhì)冷補焊。

（1）熱補焊。采取與ZG20CrMoV 母材匹配的焊接材料施焊，如2.1 節(jié)分析，需要采取控制焊接熱輸入、降低擴散氫含量、預熱和及時后熱、焊后熱處理的措施以防止冷裂紋產(chǎn)生[1]。由于裂紋緊鄰汽缸結(jié)合面，這樣的同質(zhì)熱焊法修補需要預熱、連續(xù)焊接、后熱及焊后熱處理，造成汽缸缸體局部溫度升高、受熱不均勻，會引起汽缸結(jié)合面的變形，給修復工作增加困難。

（2）同質(zhì)冷補焊。選取超低氫高韌性焊接材料，相比熱補焊，在較低的預熱溫度下補焊，此次補焊工作，超低氫高韌性焊接材料采購困難，而且深20 mm、寬30 mm、長150 mm 的焊接量和立焊的焊接位置決定了焊接應力相對較大，ZG20CrMoV 汽缸缸體采取同質(zhì)冷補焊減小焊接應力的難度較大。

（3）異質(zhì)冷補焊。選取鎳基焊條，相比熱焊，在不預熱或較低的預熱溫度下補焊，鎳基焊條熔敷金屬塑性相對較好，可以減小補焊時的焊接應力。

2.3 ZG20CrMoV 焊接方法的確定

考慮汽缸缸體的補焊工作量大，通過對熱補焊、同質(zhì)冷補焊、異質(zhì)冷補焊3 種焊接方法的比較，確定采取異質(zhì)冷補焊。保證焊接質(zhì)量、保證補焊后幾何尺寸滿足缸體密封要求的前提下減小勞動強度、提高補焊工作效率。

3 施工方案的制定

3.1 焊接材料的選擇

使用鎳基奧氏體焊接材料補焊ZG20CrMoV 珠光體鋼時，需考慮奧氏體與珠光體導熱系數(shù)不同、線膨脹系數(shù)不同，焊后冷卻時焊縫金屬與汽缸缸體收縮量不同而產(chǎn)生焊接接頭殘余應力。

異質(zhì)冷補焊時選用與ZG20CrMoV 缸體母材導熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)相近的鎳基焊接材料ENiCrFe-3 焊條，汽缸缸體與鎳基焊接材料性能對比見表2。填充金屬與ZG20CrMoV 珠光體鋼線膨脹系數(shù)相近可減小應力，焊接應力集中在相對塑性好的奧氏體焊縫一側(cè)，可以降低焊接接頭殘余應力，減小汽缸在高溫下工作時補焊部位產(chǎn)生的附加熱應力[2-3]。

表2 ENiCrFe-3 熔敷金屬和ZG20CrMoV 鋼在550 ℃與20 ℃之間典型物理性能對比

3.2 避免焊縫金屬稀釋易產(chǎn)生裂紋

ENiCrFe-3 奧氏體焊接材料與ZG20CrMoV 珠光體鋼異種金屬焊接時，焊縫金屬受珠光體鋼稀釋，在過渡區(qū)產(chǎn)生脆性馬氏體，此部位容易產(chǎn)生焊接裂紋。焊接接頭中的過渡區(qū)無法避免，焊縫金屬中較高的鎳含量，可以促進在過渡區(qū)形成奧氏體組織、減少馬氏體組織，減小脆性過渡區(qū)，以提高焊接接頭韌性，避免產(chǎn)生焊接裂紋[2]。

3.3 減小碳遷移產(chǎn)生應力集中

鎳基奧氏體焊條焊接ZG20CrMoV 珠光體鋼時，如果焊接接頭在高溫下停留時間過長，在奧氏體與珠光體交界處會產(chǎn)生嚴重碳遷移，珠光體側(cè)形成脫碳層、軟化，奧氏體一側(cè)增碳層、硬化，兩側(cè)性能相差懸殊，產(chǎn)生較大的應力集中，降低焊接接頭的承載能力。

能夠在珠光體鋼側(cè)先堆焊奧氏體過渡層，并控制過渡層焊接時熱輸入，減小焊接接頭高溫下停留時間，也可以減小焊接應力，減小珠光體稀釋和碳遷移的影響。

4 汽缸冷焊法補焊步驟

4.1 裂紋的清除及坡口制備

為避免修理補焊過程中裂紋擴展，在裂紋尖端處鉆止裂孔。然后使用角磨機清除裂紋并制備坡口，打磨過程中使用10 倍放大鏡查看裂紋清除情況，坡口制備避免存在較深溝槽，在減小焊接填充量的前提下保證焊接坡口形狀平緩，以方便焊接層次布置并減小焊接應力。

嚴格清理焊接坡口表面和焊接材料，清除油、銹、污物，防止硫、磷等雜質(zhì)熔入焊縫，減少氣孔和裂紋產(chǎn)生的傾向。

4.2 坡口制備和焊接順序

為保證有足夠的過渡層施焊空間，便于減小過渡層施焊時熔合比、減小碳遷移的影響，坡口角度比普通對接縫大，坡口結(jié)構(gòu)如圖2 所示。先在整個坡口面堆焊隔離層，然后采取多層多道焊的焊接層次、由坡口面向中間分層施焊，每一道焊縫沿坡口長度方向分段退焊。

圖2 焊接坡口及焊接順序

4.3 焊接規(guī)范

（1）焊前氧乙炔中性焰加熱消氫，加熱區(qū)域大于補焊區(qū)域周圍100 mm，加熱至250～300 ℃，保溫2 h，使用紅外線測溫儀測溫。

（2）采用Φ2.4 mm 的ENiCrFe-3 焊條施焊，使用前在250～300 ℃烘干1 h，選取盡量小的電流，以評定合格的焊接線能量的下限施焊，減少裂紋產(chǎn)生傾向。

（3）焊前和焊接過程中使用氧乙炔中性火焰預熱并保證層溫在60～100 ℃，避免焊接接頭與周圍母材溫差應力過大，也避免層溫過高產(chǎn)生焊接熱裂紋。

（4）按4.2 節(jié)順序施焊，施焊過程中，焊條盡量減少擺動，以加強熔池保護。分段施焊，每段焊道長度25～30 mm，避免焊接熱輸入過大，熄弧時保證每處焊道弧坑填滿，防止出現(xiàn)弧坑裂紋。

（5）每處焊道焊后立即用不銹鋼圓頭小錘錘擊，減小焊接應力，350 ℃以下停止重擊。蓋面層不進行錘擊消除應力。因為滲透檢測需要焊縫冷卻至50 ℃以下才能進行，避免反復冷卻再預熱產(chǎn)生應力，除了蓋面層焊道，其余每層焊縫不再進行滲透檢測。去除渣殼飛濺，使用10 倍放大鏡檢查，如果發(fā)現(xiàn)裂紋，將裂紋清除后按前述步驟補焊，合格后再繼續(xù)施焊。

（6）補焊焊縫表面打磨光滑與母材圓滑過渡，以減小形狀缺口及結(jié)構(gòu)不連續(xù)帶來的應力集中（圖3）。

圖3 過渡層焊縫及最終補焊效果

5 修理效果

補焊焊縫使用10 倍放大鏡檢查無裂紋，立即進行保溫緩冷。因ZG20CrMoV 鋼材有延遲裂紋傾向，焊縫表面打磨至周圍汽缸缸體母材平滑，在焊后24 h 后進行滲透檢測，無裂紋、氣孔等缺陷，確認合格使用。

使用鎳基合金焊條冷焊法對汽輪機ZG20CrMoV 汽缸缸體裂紋進行焊接修復，通過先在坡口面堆焊過渡層、選取合適的焊接工藝規(guī)范，減少了碳遷移并減小焊接應力，有效防止了裂紋產(chǎn)生，更可以減小缸體變形，節(jié)省缸體補焊后加工成本，保證修理質(zhì)量。