1、湛 江 发电 厂 给水 泵 汽轮 机 隔板 裂 纹的 分 析及 焊 接修 复 许春义 （ 湛江发电厂 , 广东 湛 江 524099 ） 摘 要 ： 直 接指 出湛 江发电 厂 1 号机 组的 给水 泵汽轮 机隔 板分 面出 现裂 纹的原 因是 ： 原 铸钢 件 ZG20Cr Mo 材质 的铸 型能 力 差 ， 存 在气 孔 、 砂眼 、 缩 孔 、 裂 纹等 缺陷 ； 给 水泵 汽轮机 隔板 结构 复杂 ， 刚 性不均 匀 ， 应 力分 布也 不 均匀 ， 造 成应 力集 中而出 现裂纹 。 为此 ， 针 对给 水泵 汽轮机 隔板 所 用 ZG2 0CrM o 材质的 化学 成分 和力 学性
2、 能 ， 分 析其 焊接 性 ， 确定 现场补 焊方 案及 工艺 。 给 水泵汽 轮机 隔板 裂纹 补焊 修复后 投入 运行 ， 一 直未 发现任 何异 常情 况 ， 说 明 补焊方 案 、 工艺 的正 确合 理 。 关键词 ： ZG2 0CrM o 钢 ； 隔板 ； 补 焊 ； 热处 理 A n a l y s i s a n d r e p a i r w e l d i n g f o r b a f f l e c r a c k s o n f e e d p u m p d r i v i n g s t e a m t u r b i n e i n Z h a n j i a
3、n g P o w e r P l a n t X U C h u n y i ( Z h a n j i a n g P o w e r P l a n t , Z h a n j i a n g , G u a n g d o n g 5 2 4 0 9 9 , C h i n a ) A b s t r a c t : T h i s p a p e r i n d i c a t e s t h e r e a s o n s o f t h e b a f f l e c r a c k s o n t h e f e e d p u m p d r i v i n g s t e
4、a m t u r b i n e o f U n i t 1 i n Z h a n j i a n g P o w e r P l a n t : 1 ) T h e p o o r c a s t i n g c a p a b i l i t y o f s t e e l Z G 2 0 C r M o f o r t h e b a f f l e l e d t o d e f e c t s s u c h a s a i r h o l e s , s a n d h o l e s , c a v i t a t i o n a n d c r a c k s ; 2 )
5、T h e b a f f l e i s o f c o m p l i c a t e d s t r u c t u r e , u n e v e n r i g i d i t y a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n , t h u s c a u s i n g c o n c e n t r a t e d s t r e s s a n d c r a c k s . I n v i e w o f t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n a n d m e c h a n i c
6、a l p r o p e r t y o f s t e e l Z G 2 0 C r M o f o r t h e b a f f l e , i t s w e l d a b i l i t y i s a n a l y z e d a n d t h e o n s i t e r e p a i r w e l d i n g p r o c e d u r e s d e t e r m i n e d . N o a b n o r m i t i e s h a v e e v e r h a p p e n e d s i n c e t h e r e p a i
7、r w e l d i n g , w h i c h p r o v e s t h e r a t i o n a l i t y o f t h e p r o c e d u r e s . K e y w o r d s : s t e e l Z G 2 0 C r M o ; b a f f l e ; r e p a i r w e l d i n g ; h e a t t r e a t m e n t 湛 江发 电厂 1 号 机组 型号是 N 300- 16. 7/5 37/5 3 7- 3( 合缸 ) ， 为亚 临界 中间 再热两 缸两 排汽 凝汽 式机 组 。 1 9
8、94 年 12 月开 始试 运 行 ， 1 995 年 2 月正 式移 交 运营 ， 截 止至 2 003 年 8 月 29 日 ， 共 运行 46 71 7. 32 h 。 200 3 年 8 月 30 日 ， 开 始对本 台机 组进 行第 三次 大修 ， 在对 给水 泵汽 轮机 解体检 修时 ， 发 现第 2 级 隔 板中分 面处 存在着 由于原 来铸造 缺陷 诱发扩 展的裂 纹 ， 已 危及 机组的 安全运 行 ， 需 要对 其缺陷 进行 焊接修 复 。 1 裂纹产生原因分析 1. 1 铸钢浇注性能不好 给 水泵 汽轮 机隔 板材 料 ZG20 CrMo 中 Cr 元 素的 质量分 数较
9、 大 ， 在浇 注时 ， 其液 态金 属的 流动 性 不好 ， 充满 铸 型 的能力 较差 。 此外 ， 铸钢 件单件 的体积 大 、 重 量大 ， 影响 铸钢件 在浇注 时的 成型能 力 。 因此 Z G20C rMo 铸钢 件本 身 就存在 较多 的铸 造缺 陷 ， 如气孔 、 砂眼 、 疏 松 、 缩 孔 ， 在运 行中 ， 这 些缺 陷 随时会 发展 成裂 纹 。 1. 2 结构复杂 汽轮 机隔 板结构 复杂 ， 造成局 部刚 性小 ， 结构的 刚性不 均匀 ， 在工 艺加工 时 ， 必 然出 现应力 分布 不均匀 ， 形 成严 重的 应力 集中现 象 。 由于 铸钢 件的结 构特点
10、， 在浇 注时 极易产 生不同 类型的 铸造 缺陷 ， 如气孔 、 砂眼 、 疏 松 、 缩 孔 ， 这 些缺陷 在运 行中还 会扩展 成裂纹 。 铸 钢件的 结构刚 性大 ， 焊接 后的残 余应力 水平高 。 这 类材料 的焊 接 性 又不 好 ， 在补焊 过程中 ， 工艺 不合 理 ， 极 易产生 裂纹 ， 促使 铸钢件 原有的 铸造缺 陷诱 发成裂 纹 。 由 于结构 形状 的复杂 ， 焊后 残余应 力分 布不均 匀 ， 造 成局部 地方 变形不 均匀 ， 扩大了 整体 的变形 量 ， 而隔板 是配 合件 ， 具 有严 格的形 状和 尺寸 要求 ， 这 给补焊 带来 很大 的困 难 。
11、2 铸钢裂纹补焊方案的选 择 珠光 体铸 钢件的 常规补 焊工艺 有两 种 ： 采 用奥氏 体耐热 钢焊 条的冷 补焊方 案和采 用珠 光体钢 焊条 的热补 焊方 案 。 2. 1 奥氏体耐热不锈钢 焊条 冷补焊 2. 1. 1 冷补 焊工 艺的 优点 冷补 焊的 焊缝金 属是奥 氏体组 织 ， 焊接过 程中不 发生相 变 ， 且焊缝 的塑性 和韧性 较 好 ， 因此 可不 预 热 ， 也 不需 焊后热 处理 ， 简化了 补焊 工艺 ， 避免铸 钢件受 到过 大的热 作用 ， 从而减 小被 焊件的 应力 和 变形 ； 奥氏 体组织 对氢有 较大的 溶解 度 ， 可 避免焊 缝产生 氢致 裂纹
12、， 减少珠 光体组 织的 近缝区 产生 氢 致裂纹 的可 能 ； 奥 氏体组 织的缺 口敏 感性比 珠光体 组织低 ， 即 使焊缝 内部有 裂纹也 不易 扩展 ； 奥氏 体 组织焊 缝金 属的屈 强比小 于珠光 体组 织的 ， 因而在 应力作 用下 ， 必然 产生塑 性变形 ， 从 而使应 力得 到松弛 ， 避 免了 结构 的破 坏 。 2. 1. 2 冷补 焊存 在的 缺点 a) 补 焊近 缝区 的淬 硬 问题 冷 补焊 时近 缝区 的冷 却速度 较大 ， 最高 可达 120 /s ， 在 补焊 的近 缝区 不 可避免 地产 生淬 硬组 织 。 这种高 硬度 、 低 塑性 的淬 硬层约 有
13、1 mm 宽 ， 给补 焊 接头的 性能 带来 不利 影响 。 b) 奥 氏体 焊缝 金属 相析出 脆化 奥 氏体 焊缝 金属 长期 在高温 下运 行 ， 将 有 相 析出 。 相是 Fe 和 Cr 的 金属间 化合 物 ， 性 脆而 硬 。 它的析 出物 一般 分布 在奥 氏体晶 粒的 边界 处 ， 使 奥 氏体焊 缝的 韧性 下降 。 有 资料表 明 ， 18 Cr8N i 奥 氏体 焊缝金 属在 高温 下长 期运 行 1 000 h ， 由于 相 析出 ， 使焊 缝的 韧性 变化 幅度 很大 ， 最低 韧性 值降 至 原 韧性值 的 1 0% 左 右 。 c) 奥 氏体 焊缝 金属 与
14、珠光体 母材 之间 的碳 扩散 问题 奥 氏体 焊缝 与珠 光体 母材间 的合 金含 量相 差十 分悬殊 ， 特别 是 C r 元 素的 质量分 数相 差更 大 ， 构 成 了 母材的 碳向 焊缝扩 散的条 件 ， 从 而在 近缝区 母材侧 出现脱 碳层 ， 铁素 体晶粒 长大 ， 强度 下降 ， 在机 组启停 的热 循环 过程 中 ， 沿脱碳 层产 生热 疲劳 裂纹 而破坏 。 d) 接 头产 生的 附加 应 力 奥 氏体 与珠 光体 的线 膨胀系 数不 同 ， 在 今后 的 运行中 ， 由于 温度 的变 化 ， 及 起停 的热 循环 过程 中 ， 在接头 的界 面将 产生 附加 热应力 ，
15、 随着 这种 热循 环 次数的 增加 ， 热应 力变 化 将引起 接头 的热 疲劳 破坏 。 2. 2 珠光体耐热钢焊条 的热 补焊 热补 焊工 艺由于 补焊填 充材料 与铸 钢件材 料基本 一致 ， 在高 温运行 条件下 ， 不会 出现 冷补焊 时存 在 的 相 析出 等问题 ， 补焊 接头的 性能 稳定 。 但是 ， 热补焊 工艺 复杂 ， 需对隔 板进行 预热 和焊后 热处 理 ， 由于 附加 加热次 数的增 加 ， 大 大增 加了铸 钢件补 焊的残 余变 形量 。 而隔板 有一定 的尺 寸要求 ， 因此 在热补 焊过 程中严 格控制 变形是 非常 必要的 。 热补 焊虽然 采取 了许多
16、 工艺措 施 ， 但 实践 表明 ， 用热 焊 方法补 焊的 焊缝 ， 应力水 平仍是 较高 的 ， 有 时接近 母材的 屈服 极限 ， 又由于 珠光体 组织 的焊缝 塑性 和 韧性均 较奥 氏体焊 缝差 。 为减少 应力 水平 ， 补焊过 程中应 严格 控制预 热温度 、 热处 理温 度和层 间温 度 ， 尽 量减 小焊 接应 力 ， 改善焊 缝组 织 。 为了 保证 补焊后 焊缝组 织的性 能 ， 避免冷 焊带来 的不稳 定性 ， 我们 决定采 用珠光 体耐 热钢焊 条的 热补焊 工艺 。 3 焊接性分析 给 水泵 汽轮 机隔 板体 材质 Z G20C rMo ， 以 Cr , Mo 为主
17、要 合金 元素 的珠 光体 耐热钢 , 其 化学 成分 和 力 学性能 见 表 1 。 珠光 体耐 热钢由 于含碳 及合金 元素 较多 ， 焊缝及 热影响 区容 易出现 淬硬组 织 ， 当 焊件 刚性较 大及 接 头应力 大时 ， 容易 产生冷 裂纹 ， 应进 行焊前 预热与 焊后热 处理 ， 以减 小焊接 残余应 力从 而减少 冷裂 纹 的产生 。 但 是 ， 铸 件现场 补焊的 工件 体积大 、 结构 复杂 ， 很难 对补焊 处进行 常规 的 充分 预热和 焊后 热 处理 。 由于 工件结 构刚性 大 ， 拘 束度 大 ， 局 部补焊 时产生 的焊 接拘束 应力较 大 ， 同 时冷 却速度
18、 大 ， 散 热快 ， 难于 用局部 加热的 方法来 控制 焊接时 的冷却 速度 ， 预热 、 焊接 和焊后 热处理 都可 能造成 变形 等 种种特 点 ， 给补焊 工作增 加很大 的难 度 。 使 用奥氏 体不锈 钢焊 条对此 类铸件 进行冷 补焊 虽然能 解决 上 述部分 问题 ， 但焊 缝与母 材是异 种金 属结合 ， 存在 着熔合 区脆 性过渡 层 、 熔 合线两 侧碳 迁移 、 线膨 胀 系数不 同等 问题 ， 补焊区 域的长 期安 全运行 受到影 响 ， 因 此决 定采用 同质焊 材补焊 。 同 质补焊 必须 同 时充分 考虑 工件的 体积 、 结构 、 刚性 、 冷却 等多种 因
19、素的 组合 ， 采用 适当的 焊接工 艺参 数 、 预 热和 后热温 度 、 冷却 速度 等才 能保证 补焊 工作 的成 功 。 4 焊接工艺 4. 1 焊接设备 选 用美 国 L INCO LN 公 司的 V 300- 型焊 机及 配套 工具 1 套 ， 美 国 MX 2 红 外线 测温 仪 1 台 ， 氧 乙炔 火 焰加热 工 具 1 套 。 4. 2 焊接坡口 用 机械 方法 将所 有裂 纹彻底 消除 后 ， 修磨 坡口 成圆滑 过渡 的 U 型 。 在不 妨碍施 焊并 保证 焊接 质量 的前提 下 ， 坡口 的角 度越 小越好 ， 以 减少 热输 入和 工作量 ， 减 少焊 接应 力和
20、 提高工 作效 率 。 4. 3 焊接工艺 a) 焊 接方 法打 磨后 坡口 角度 要尽 量小 ， 深 度最 深处 达 50 mm 。 氩 弧焊 枪无 法到 达坡 口 底部 ， 因 此不 能使 用手 工 氩弧焊 操作 ， 只 能采 用手 工电弧 焊施 焊 。 b) 预 热温 度及 层间 温 度 预 热 1 50 200 ， 保持层 间温 度不 低 于 300 ， 使 用美 国 M X 2 红外 线测 温度仪 进行 温度 监测 。 c) 焊 接材 料 为 保证 补焊 区的 热强 性及高 温性 能满 足工 件长 期高温 运行 的要 求 ， 选用 熔敷金 属的 化学 成分 及力 学性能 与母 材相
21、近的 低氢 焊接材 料 R3 07 焊条 ， 直径 3. 2 mm 。 熔 敷金 属的 化学成 分及 力学 性能 见表 2 。 焊 前经 350 烘 焙 1 h ， 随烘 随用 ， 并 放在 保温 筒内 。 d) 焊 接工 艺参 数 为 了减 少焊 接热 输入 ， 减 少焊 接应 力 ， 采 用小 规范参 数施 焊 。 焊 接电 流 90 12 0 A ， 直 流反 接 ， 电 压 20 25 V ， 焊接 速度 4 0 70 m m/mi n 。 5 焊接操作过程 焊 接操 作过 程详 细介 绍如下 ： a) 用 渗透 探伤 方法 确 认补焊 区部 位缺 陷已 打磨 干净 ， 对补 焊区 坡
22、口 及附 近 50 m m 范 围内 焊件 清除 铁锈 ， 采用 丙酮 、 棉 纱清 理去除 坡口 处的 油污 、 水 分 、 探 伤试 剂等 杂质 。 b) 采 用中 性火 焰加 热 焊接部 位及 附近 区域 温度 达 150 200 ， 补 焊区 加热最 高温 度和 最低 温度 之差不 超 过 50 。 c) 施 焊采 用短 弧操 作 ， 焊 条直 线运 作 ， 严 禁摆 动 ， 每层 分道 ， 每条 焊道 厚度不 超 过 4 mm ， 多层 多 道施焊 后 ， 一 道焊 波覆 盖 前一道 焊波 的 1 /3 ， 每焊 完 一道后 ， 用 圆 头锤 及时 对 焊道进 行充 分锤 击 ， 以
23、 通 过焊缝 金属 的变 形使 焊接 应力得 以松 弛 。 d) 补 焊后 保证 有足 够 的修磨 余量 。 e) 焊接 完成 后 ， 待焊 接部位 缓冷 至 15 0 以下 进行去 氢处 理 。 采用 中性 火焰加 热焊 接部 位 ， 以 小 于 300 / h 的 速度 缓慢 升 温到 3 50 400 并 保持 1 5 20 min 后 ， 用硅 酸铝 包裹缓 冷至 室温 。 f) 焊 补工 作结束 48 h 后 ， 对 补焊 区及 附近 母 材进行 表面 宏观 检查 ， 确 认无明 显缺 陷 ， 再采 用机 械打磨 工具 钳修 焊接 部位 ， 使表 面着 色达 探伤 检验 的要求 。
24、g) 按 JB 4 730 标准 要 求 ， 对 补焊 区进 行渗 透探 伤 ， 确 认补 焊区 域无 线状 显示为 合格 。 h) 精 修隔 板中 分面 ， 使之达 到使 用要 求 。 6 结束语 对 湛江 发电 厂 1 号机 组给水 泵汽 轮机 隔板 进行 补焊后 ， 焊 缝表 面经 探伤 检验合 格 ， 回装 投入 运 行 使用至 今已 达 1 80 0 h ， 未 发现任 何异 常 ， 说明 对现 场 ZG2 0CrM o 铸 件同 质补 焊 一次成 功所 采用 的方 案 、 工艺是 正确 、 合 理的 ， 确 保了机 组的 安全 、 经 济营 运 。 参考文献 1 俞尚 知 焊接 工艺 人 员手册 M 上 海 : 上海 科 学技术 出版 社 ， 1991 . 2 李永 安 实用 焊接 手 册 M 北 京 : 水利 电力 出 版社 ， 1985 . 3 刘松 平 珠光 体耐 热 钢的焊 补修 复 J . 四 川 电力技 术 ,1 998, 21D K （ A 01 ） :1 7 2 0. 4 张振 球 高压 汽轮 机 高压缸 中平 面裂 纹的 挖补 处理 J 上海 电力 ,200 1 （ 3 ） : 52 53. 5 DL 50 07 1992 , 电 力建 设施 工及 验 收技术 规范 ( 火 力发 电厂 焊 接篇 S
