高壓主蒸汽閥門體裂紋修復(fù)工藝分析

劉建國(guó)

摘 要：針對(duì)某電廠俄制K-500-240-4型汽輪機(jī)組高壓主汽閥門體在運(yùn)行中因貫穿性裂紋導(dǎo)致泄漏的問(wèn)題，根據(jù)高壓主汽閥門體檢修運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析裂紋成因及材料性能，從而確定修復(fù)工藝，徹底解決高壓主汽閥門體運(yùn)行隱患。

關(guān)鍵詞：ZG15Cr1Mo1V;高壓主蒸汽閥門體;裂紋缺陷;焊接修復(fù)

中圖分類號(hào)：TK621 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）18-0048-04

Abstract： Aiming at a Russian high-pressure main steam valve of K-500-240-4 steam turbine for penetrating cracks cause leakage in the operation， according to the main steam valve group physical repair operation data， performance analysis of causes and crack， determine the repair process， completely solve the main steam valve body hidden danger.

Keywords： ZG15Cr1Mo1V;high pressure main steam valve body;crack defects;welding repair

某電廠汽輪機(jī)組高壓主汽閥門體材質(zhì)為ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼，自投產(chǎn)以來(lái)已累計(jì)運(yùn)行106 000 h。它經(jīng)歷了3次A檢修，對(duì)外表面進(jìn)行了100%磁粉探傷，未見(jiàn)缺陷磁痕。主蒸汽運(yùn)行參數(shù)中，溫度為540 ℃，壓強(qiáng)為23.5 MPa。2011年4月8日，運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)#1機(jī)組#2高壓主汽閥門體下部保溫被吹散。檢修人員發(fā)現(xiàn)，#1機(jī)組#2高壓主汽閥門體底部保溫局部被破壞并伴有飽和蒸汽呲出，確定為高壓主汽閥門體泄漏，申請(qǐng)調(diào)度機(jī)組停止運(yùn)行。

1 裂紋分析

機(jī)組停運(yùn)后檢查2#高壓主汽閥門體泄漏處，發(fā)現(xiàn)高壓主汽閥門體泄漏部位有兩條裂紋：一條為長(zhǎng)12 mm、寬2 mm的裂紋;旁側(cè)分布一條長(zhǎng)2 mm、寬1 mm的裂紋，見(jiàn)圖1。高壓主汽閥門體為一次鑄造成型件，缺陷發(fā)生區(qū)域?yàn)楦邏褐髌y門體分流區(qū)，泄漏部位實(shí)測(cè)壁厚為82 mm。從高壓主汽閥門體外表面分析，泄漏部位為貫穿性裂紋。

閥門壁溫低于60 ℃解體后，內(nèi)部觀察閥門裂紋形貌。內(nèi)表面裂紋處距閥門上蓋1 600 mm。使用高倍變焦照相機(jī)和內(nèi)窺鏡進(jìn)行內(nèi)部裂紋檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋總長(zhǎng)度在280 mm以上，并伴有塊狀脫落現(xiàn)象，見(jiàn)圖2。打磨區(qū)域長(zhǎng)度為450 mm、寬度為130 mm，裂紋總長(zhǎng)為330 mm，裂紋寬度為25～40 mm。從打磨的整體過(guò)程來(lái)看，主裂紋為一整條，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的分叉和較大的次生裂紋。打磨區(qū)域有較多的包砂、疏松以及氣孔出現(xiàn)，見(jiàn)圖3。閥門泄漏失效原因?yàn)樵艰T造缺陷（微裂紋、包砂以及氣孔等）及制造廠內(nèi)部缺陷修補(bǔ)區(qū)在長(zhǎng)期高溫高壓和應(yīng)力應(yīng)變作用下，導(dǎo)致高壓主汽閥門體結(jié)構(gòu)突變部位擴(kuò)展開(kāi)裂，最終形成貫穿性裂紋缺陷。

2 材料的成分、性能以及焊接性分析

ZG15Cr1Mo1V材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能，分別如表1和表2所示[1]。

在我國(guó)大容量、高參數(shù)火力發(fā)電廠中，高壓主汽閥門體材料普遍采用ZG15Cr1Mo1V，行業(yè)大多采用碳當(dāng)量（Carbon Equivalent，CE）法評(píng)估金屬材料焊接性能優(yōu)劣。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，行業(yè)內(nèi)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（International Institute of Welding，IIW）提出了應(yīng)用較廣、精度較高的碳當(dāng)量公式計(jì)算ZG15Cr1Mo1V材料碳當(dāng)量，即：

當(dāng)[CE]≤0.4%時(shí)，焊接性好;當(dāng)CE在0.4%～0.6%時(shí)，焊接性稍差，焊前需要適當(dāng)預(yù)熱;當(dāng)[CE]≥0.6%時(shí)，焊接性較差，屬難焊材料。根據(jù)碳當(dāng)量公式，計(jì)算出ZG15Cr1Mo1V材料的碳當(dāng)量為0.689。

從國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推出的碳當(dāng)量公式和鐵相圖分析，ZG15Cr1Mo1V焊接時(shí)對(duì)熱處理冷卻溫度較敏感，容易在鋼中造成不均勻組織，導(dǎo)致焊接性極差，需要采用較高的預(yù)熱溫度和嚴(yán)格的工藝方法進(jìn)行焊接。

3 修復(fù)工藝

3.1 焊前工件要求

焊前采用機(jī)械加工方式將裂紋清理干凈，表面著色檢驗(yàn)確認(rèn)，焊接坡口加工成U形，清除坡口及附近母材外表面20 mm范圍的油污、銹蝕以及塵土，使其露出金屬光澤。

3.2 焊接材料

R327 E5515-B2-VW是低氫鈉型藥皮的CrMoVW的珠光體耐熱鋼焊條，用于焊接工作溫度在570 ℃以下的15CrMoV等珠光體耐熱鋼。焊接電源直流反接，焊前焊條須經(jīng)過(guò)350 ℃左右高溫烘焙1 h，隨烘隨用。熔敷金屬擴(kuò)散氫含量≤6.0 mL/100 g（甘油法）。R327 E5515-B2-VW焊條熔敷金屬化學(xué)成分及力學(xué)性能分別如表3和表4所示[2]。

3.3 焊接前預(yù)熱

焊前對(duì)高壓主汽閥門體整體或焊接區(qū)域局部進(jìn)行加熱的工藝手段稱為預(yù)熱。適當(dāng)預(yù)熱可以減緩焊后的冷卻速度，有利于焊縫金屬中擴(kuò)散氫的逸出，避免產(chǎn)生氫致裂紋，還可以降低焊接應(yīng)力及焊接結(jié)構(gòu)的拘束度，降低裂紋的發(fā)生率。預(yù)熱溫度的確定主要取決于鋼材和焊條的成分、焊件的壁厚、焊接結(jié)構(gòu)的拘束度以及環(huán)境溫度等。這里選擇伊藤等人提出的焊縫冷裂敏感指數(shù)[Pcm]計(jì)算公式確定預(yù)熱溫度[3]：

式（2）和式（3）中：[Pcm]為冷裂紋敏感指數(shù);[CC]、[CMn]、[CCr]、[CSi]、[CV]、[CNi]、[CCu]分別為鋼中C、Mn、Cr、Si、V、Ni、Cu元素的含量;[Pw]為冷裂紋敏感性，當(dāng)[Pw]>0時(shí)，即有產(chǎn)生裂紋的可能性;[CH]為擴(kuò)散氫含量，R327 E5515-B2-VW焊條取6 mL/100 g;[δ]為壁厚，取82 mm。

預(yù)熱溫度計(jì)算公式為：

式（4）中：[To]為預(yù)熱溫度，℃。

利用式（2）、式（3）和式（4），可以計(jì)算出電廠汽輪機(jī)組ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼高壓主汽閥門體貫穿性裂紋補(bǔ)焊要得到無(wú)裂紋焊縫需要的預(yù)熱溫度為279 ℃，其中[Pw]為0.466。由計(jì)算分析可知，汽輪機(jī)組ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼高壓主汽閥門體貫穿性裂紋補(bǔ)焊時(shí)有較大的淬硬傾向，管壁厚有較大的拘束度。因此，補(bǔ)焊前必須進(jìn)行預(yù)熱。升溫速度要嚴(yán)格按照工藝要求執(zhí)行，并采用低氫型焊條焊接，且焊后要進(jìn)行高溫回火熱處理。

3.4 焊接工藝

對(duì)于#1機(jī)組主蒸汽閥組的裂紋焊接檢修，焊接工藝的相關(guān)內(nèi)容如表5所示[4]。

3.5 修復(fù)后熱處理

為了獲得珠光體焊縫組織，采用高溫回火方式進(jìn)行熱處理。高溫回火的目的是降低焊縫脆性，消除內(nèi)應(yīng)力，提高焊縫的塑性和韌性。本次補(bǔ)焊采用多層多道焊接工藝和錘擊法消除層間應(yīng)力，后一道焊接工藝對(duì)前一道焊接工藝的熱處理作用能細(xì)化晶粒并改善前層焊縫和熱影響區(qū)的組織，有效防止裂紋的產(chǎn)生。熱處理工藝曲線見(jiàn)圖4[5]。

4 修復(fù)后檢驗(yàn)

汽輪機(jī)組ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼高壓主汽閥門體貫穿性裂紋補(bǔ)焊完成后，按照規(guī)程要求進(jìn)行焊縫光譜檢驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)、磁粉探傷檢驗(yàn)（Magnetic Particle Testing，MT）、超聲波檢驗(yàn)（Ultrasonic Testing，UT）以及金相檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

通過(guò)分析檢驗(yàn)結(jié)果可知，汽輪機(jī)組ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼高壓主汽閥門體貫穿性裂紋補(bǔ)焊后，組織為珠光體，焊縫硬度值為211 HB，MT檢驗(yàn)和UT檢驗(yàn)均無(wú)可記錄缺陷。

5 結(jié)語(yǔ)

某電廠汽輪機(jī)組ZG15Cr1Mo1V低合金耐熱鋼高壓主汽閥門體貫穿性裂紋，采用手工電弧焊熱焊法多層多道的焊接工藝，嚴(yán)格控制層間溫度、焊接電流，并選擇合適的焊后熱處理工藝，得到硬度適中、金相組織為珠光體的焊縫，可以滿足電站汽輪機(jī)組使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]湖北高中壓閥門有限責(zé)任公司.鋼制閥門常用材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能及執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)[EB/OL].（2010-04-01）[2021-05-29].https：//www.doc88.com/p-1856002944033.html.

[2]黃文哲.焊工手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997：564-565.

[3]劉瑞琦.電廠金屬材料[M].沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994：101-103.

[4]國(guó)家能源局.火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程：DL/T 869—2012[S].北京：中國(guó)電力出版社，2012.

[5]國(guó)家能源局.火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程：DL/T 819—2019[S].北京：中國(guó)電力出版社，2019.