高_(dá)中壓汽缸裂紋缺陷焊接修復(fù)

1、No.42009華北電力技術(shù)NORTHCHINAELECTRICPOWER47綜述高、中壓汽缸裂紋缺陷焊接修復(fù)宮俊峰(北京京能熱電股份有限公司,北京100041)摘要:介紹了高、中壓汽缸裂紋的處理及補(bǔ)焊過程,分析了裂紋的產(chǎn)生原因,并對(duì)補(bǔ)焊方法和焊接材料的選擇以及焊補(bǔ)工藝進(jìn)行了詳盡的論述和探討。關(guān)鍵詞:高、中壓汽缸;裂紋;補(bǔ)焊;鎳基焊條中圖分類號(hào):TK263.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B文章編號(hào):100329171(2009)0420047204Keywords:crack;repairwelding;nickel2basedweldingrods0引言汽輪機(jī)高、中壓汽缸作為火力發(fā)電廠主要的熱力設(shè)備,不僅平

2、穩(wěn)運(yùn)行狀況下長期承受高溫高壓載荷作用,而且在啟、停機(jī)以及負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)還會(huì)受到交變應(yīng)力的作用。這樣就容易在汽缸結(jié)構(gòu)的薄弱處或內(nèi)部存在缺陷的位置產(chǎn)生裂紋,若不及時(shí)處理或處理不當(dāng),產(chǎn)生的后果及損失將是難以估量的。汽缸體材質(zhì)為鑄鋼件,由于鑄鋼件壁較厚、鑄造性能差,內(nèi)部經(jīng)常有沙包、縮孔等,且生產(chǎn)制造單位對(duì)制造過程檢查發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行過補(bǔ)焊處理,在工作應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下,上述缺陷區(qū)或者制造單位的修補(bǔ)部位會(huì)產(chǎn)生更為嚴(yán)重的裂紋缺陷,嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。2008年北京京能熱電股份有限公司(下稱京位于后端軸封上部,共發(fā)現(xiàn)裂紋4條,表露原始長度最長為40mm,最短7mm;中壓缸上缸裂紋區(qū)域靠窗側(cè)出汽管,在約1

3、2060mm的區(qū)域內(nèi)存在4條裂紋,最長為100mm,最短為20mm。通過打磨將裂紋清理干凈后,高壓缸打磨到長約300mm,中間最寬,向兩側(cè)延伸變窄,最寬處約42mm,最深處約40mm;中壓缸打磨到長約140mm,最寬處約65mm,最窄處約10mm的梯形,最深處約25mm。112缺陷產(chǎn)生原因分析汽缸產(chǎn)生裂紋的原因是非常復(fù)雜的,不能簡單地從某一方面分析,它涉及到設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等多方面的因素。11211與制造時(shí)應(yīng)力分布和鑄造缺陷有關(guān)在制造中在對(duì)汽缸進(jìn)行澆鑄時(shí),因缸體體積較大,各處的厚薄不均,在冷卻時(shí)各處的冷卻速度也不一樣,會(huì)使先、后冷卻凝固的部位間存在拉應(yīng)力,大小與結(jié)構(gòu)的形狀和型式以及結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程

4、度有關(guān);另外,在液態(tài)金屬流動(dòng)較差的部位容易產(chǎn)生沙包等鑄造缺陷。11212與制造時(shí)的補(bǔ)焊工藝有關(guān)能熱電)3號(hào)機(jī)組大修中發(fā)現(xiàn)高、中壓缸體裂紋,通過分析鑄鋼件材料的特性,合理地選擇補(bǔ)焊材料及補(bǔ)焊工藝,完成了缸體重大缺陷的修復(fù)補(bǔ)焊工作。1缺陷產(chǎn)生的原因分析111缺陷描述3號(hào)機(jī)組大修中對(duì)高、中壓缸體進(jìn)行PT檢查制造廠修復(fù)缺陷時(shí)采用的補(bǔ)焊方法一般為熱補(bǔ)焊和冷補(bǔ)焊兩種。熱補(bǔ)焊由于采取了焊前預(yù)熱和焊后熱處理等措施,補(bǔ)焊區(qū)的應(yīng)力水平相對(duì)較時(shí)在高壓上缸和中壓上缸發(fā)現(xiàn)裂紋,高壓缸裂紋48華北電力技術(shù)NORTHCHINAELECTRICPOWERNo.42009表1鋼種化學(xué)成分%VPSNiCuAlMo0.400.60

5、0.030.030.030.030.025表2鋼種力學(xué)性能鋼號(hào)ZG20CrMoZG20CrMoV屈服強(qiáng)度0.2/MPa抗拉強(qiáng)度b/MPa245315460490伸長率5/%1817斷面收縮率/%沖擊吸收功Akv/J30302424硬度HB135180140220低;而冷補(bǔ)焊時(shí),制造廠一般都使用奧氏體焊條,由于不進(jìn)行焊后熱處理,補(bǔ)焊區(qū)的殘余應(yīng)力水平較高,且奧氏體材料與低合金鋼的熱膨脹系數(shù)相差較大,在運(yùn)行中由于溫度的變化會(huì)產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力。112130.86;0.4,說明其淬,增加,不利于易析出淬硬組織。所以,Mo和ZG20CrMoV焊接時(shí)冷裂紋傾向較行時(shí),溫度和壓力分布趨于穩(wěn)定,這時(shí)溫差引起的

6、熱應(yīng)力是不大的。當(dāng)機(jī)組啟、停、負(fù)荷發(fā)生改變時(shí),汽缸各部分就會(huì)出現(xiàn)較大的溫差,從而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。若汽缸內(nèi)部本身存在缺陷,于是一些應(yīng)力集中的部位和缺陷處,在交變應(yīng)力的作用下,就會(huì)誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生。大,焊接性不好,常規(guī)焊接時(shí)要求進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后熱處理消除應(yīng)力。213焊接方法比較目前,國內(nèi)對(duì)汽缸裂紋補(bǔ)焊一般采用兩種方法:熱補(bǔ)焊法、異質(zhì)冷補(bǔ)焊法。熱補(bǔ)焊法采用與汽缸材料相同的焊條,焊前對(duì)汽缸進(jìn)行整體預(yù)熱,焊后進(jìn)行整體高溫回火,補(bǔ)焊質(zhì)量是令人滿意的。但熱補(bǔ)焊法有許多不利因素,即工件的變形難以控制,補(bǔ)焊工藝復(fù)雜,且勞動(dòng)條件差,現(xiàn)場(chǎng)適用性差。異質(zhì)冷補(bǔ)焊工藝主要采用鎳基焊條,其焊縫為奧氏體組織,它在焊接的熱循

7、環(huán)過程中不發(fā)生相變,因此從理論上講奧氏體焊縫不要求預(yù)熱和焊后熱處理,這樣可以簡化工藝,減小熱作用范圍,減少工件的變形量和殘余應(yīng)力。同時(shí)奧氏體組織塑性高,從而有很好的抗裂性能。其優(yōu)點(diǎn)是工藝簡單,工作量小,并且不需熱處理,工件不會(huì)產(chǎn)生大的變形。通過以上比較,大型鑄鋼件現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊修復(fù)宜采用異質(zhì)冷補(bǔ)焊工藝進(jìn)行。214異質(zhì)冷補(bǔ)焊的焊接材料選擇2焊接方法及焊接材料選擇211缸體材料京能熱電3號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)是東汽產(chǎn)品,型號(hào)為NC200/140212.7/535/535,高壓外缸材質(zhì)為ZG20CrMo、中壓缸前部材質(zhì)為ZG20CrMoV。兩種鑄鋼化學(xué)成分和力學(xué)性能見表1、2。212材料的焊接性ZG20CrMo和Z

8、G20CrMoV都屬于低合金熱強(qiáng)鑄鋼,適用于汽輪機(jī)的高溫鑄件,ZG20CrMo工作溫度通常在510,ZG20CrMoV工作溫度通常不超過540。依據(jù)國際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量公式計(jì)算鋼材的碳當(dāng)量,進(jìn)行焊接性分析:材料ZG20CrMo的碳當(dāng)量Ceq1=C+(Mn/6)+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.5270.80;材料ZG20CrMoV的碳當(dāng)量Ceq2=C+(Mn/6)+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.567目前,異質(zhì)冷補(bǔ)焊工藝多數(shù)選用鎳基焊條(如ENiCrFe22、ENiCrF23),其熔敷金屬主要化學(xué)成分、力學(xué)性能見表3、4。選用鎳基焊材,使用ENiCrF

9、e23焊條進(jìn)行補(bǔ)焊的優(yōu)點(diǎn),主要表現(xiàn)在:(1)鎳基焊條的線膨脹系數(shù)與珠光體的線膨No.42009華北電力技術(shù)NORTHCHINAELECTRICPOWER49%Nb+Ta0.53.0()TiCuFe表3可用的鎳基焊條熔敷金屬主要化學(xué)成分焊條牌號(hào)ENiCrFe22CNi剩余表4可用的不銹鋼和鎳基焊條熔敷金屬力學(xué)性能力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度b/MPa伸長率5/%ENiCrFe2255030ENiCrFe2355030mm鎳基合金(ENiCrFe23)焊條。使用前焊條用脹系數(shù)接近,在補(bǔ)焊及運(yùn)行過程中引起的殘余應(yīng)力和附加熱應(yīng)力均小得多。(2)鎳基焊縫組織鎳含量高,奧氏體組織穩(wěn)定性較好,可以抑制母材中的碳擴(kuò)散問題

10、,減輕了由于碳擴(kuò)散帶來的不良后果。(3)鎳基焊縫對(duì)氫不敏感,氫的溶解度大,克服氫對(duì)母材的有害作用十分明顯。綜合考慮以上因素,為了保證修復(fù)的質(zhì)量高、(ENiCrFe23)3311焊前準(zhǔn)備(1)打磨清理裂紋,打磨工具使用角向磨光機(jī)和電磨頭(裝旋轉(zhuǎn)銼頭),清理時(shí)作好安全措施和防護(hù),防止打磨的飛濺物傷人。(2)裂紋清理干凈后,用PT方法確認(rèn)。(3)坡口修理,補(bǔ)焊坡口尺寸設(shè)計(jì)不合理,也會(huì)影響補(bǔ)焊的質(zhì)量。坡口過大使焊縫的填充金屬增加,焊縫輸入的熱量增加,也就是擴(kuò)大了焊縫熱影響區(qū);坡口尺寸過小,不能保證焊縫與母材的充分熔化,同時(shí)影響焊接操作,產(chǎn)生熔化不良或坡口未熔等缺陷。為了有效控制焊接應(yīng)力和變形,減少焊接

11、工作量,坡口型式打磨成U型,根部R大于10mm,坡口內(nèi)部圓滑過渡,應(yīng)無尖角槽或棱角,坡口角度為20左右,并將坡口周圍30mm范圍內(nèi)清理打磨出金屬光澤。(4)準(zhǔn)備焊接使用的焊接電源、焊條以及焊工使用的個(gè)人工器具。(5)準(zhǔn)備好風(fēng)泵、風(fēng)管、氣刮鏟等錘擊焊縫的工器具。(6)準(zhǔn)備1臺(tái)紅外測(cè)溫儀,在預(yù)熱和焊接過程中監(jiān)控溫度。(7)準(zhǔn)備2包硅酸鋁棉氈,焊接完成后保溫使用。312焊接工藝(1)補(bǔ)焊使用手工電弧焊接方法,選用D3.2烘干箱烘干,烘干溫度為150,恒溫2h,施焊前放在保溫筒內(nèi)隨取隨用。(2)鋪底焊接采用低溫預(yù)熱,預(yù)熱溫度為80100。這樣做的好處首先可以提高焊接速度,降低冷卻速度,以便提高錘擊的效

12、果,并且有利于焊縫金屬與母材的熔合,減少焊接缺陷。(3)預(yù)熱方法:氧-乙炔焰加熱控制措施:利(4),反接。5。焊接時(shí)控制層間,70。,在此溫度范圍進(jìn)行施焊。(6)因裂紋長度和深度都較大,補(bǔ)焊時(shí)應(yīng)考慮應(yīng)力和變形對(duì)汽缸的影響,焊接次序上采用分道、分段焊,焊條以不擺動(dòng)為宜。(7)根據(jù)補(bǔ)焊區(qū)域的尺寸,合理安排焊接順序,每一焊道應(yīng)采用分段間斷跳焊,每一段的焊接長度盡可能不超過50mm。(8)每段焊接?；『?應(yīng)立即用風(fēng)動(dòng)錘擊工具錘擊,直到焊縫上布滿密密麻麻的麻點(diǎn)為止,以有效消除焊接應(yīng)力。(9)注意控制焊道厚度,以不超過3mm為宜,在保證熔合良好的前提下,盡可能提高焊接速度。(10)每層焊接完成后,應(yīng)用肉眼

13、仔細(xì)檢查焊縫表面,確認(rèn)無裂紋等缺陷后方可繼續(xù)進(jìn)行下一層的焊接。(11)蓋面焊接要保證足夠的修磨量,以高出周圍缸體23mm為宜,呈圓滑過渡。(12)全部補(bǔ)焊完成后,應(yīng)立即用保溫材料覆蓋補(bǔ)焊區(qū),緩慢冷卻至常溫。(13)停焊冷卻24h后,對(duì)補(bǔ)焊焊縫進(jìn)行修理打磨清理,使焊縫及補(bǔ)焊周圍母材露出金屬光澤。(14)以JB4730級(jí)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)補(bǔ)焊焊縫及其周圍進(jìn)行PT檢驗(yàn)。(15)記錄補(bǔ)焊部位,在有拆缸檢修時(shí),打磨補(bǔ)焊過的部位及邊界進(jìn)行PT檢查。4汽缸缺陷補(bǔ)焊411焊接施工將焊條進(jìn)行150、12h烘干后,裝入保溫50華北電力技術(shù)NORTHCHINAELECTRICPOWERNo.42009筒內(nèi),帶到現(xiàn)場(chǎng),隨用隨取

14、。用大號(hào)的氧-乙炔烤把對(duì)所焊接的部位進(jìn)行加熱,預(yù)熱溫度控制在80100,加熱要均勻。坡口表面溫度不超過120,邊預(yù)熱邊用點(diǎn)溫儀進(jìn)行測(cè)量。預(yù)熱完成后進(jìn)行正式補(bǔ)焊,整個(gè)補(bǔ)焊施工過程嚴(yán)格按照確定的工藝措施和參數(shù)進(jìn)行,整個(gè)過程沒有異常發(fā)生,補(bǔ)焊完成后使用保溫材料覆蓋進(jìn)行保溫緩冷至室溫,并放置24h后進(jìn)行PT檢驗(yàn)。412焊后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題及處理焊后24h后,將補(bǔ)焊焊縫和熱影響區(qū)打磨清理干凈,露出金屬光澤,采用肉眼觀察和PT相結(jié)合的方法,對(duì)補(bǔ)焊的焊縫及熱影響區(qū)特別是熔合線位置進(jìn)行了檢查,中壓缸補(bǔ)焊焊縫及其熱影響區(qū)沒有發(fā)現(xiàn)裂紋、未熔合等缺陷。高壓缸補(bǔ)焊焊縫在原裂,長約10mm;清理,補(bǔ)焊,PT檢驗(yàn),焊縫未熔

15、合等缺陷。缸體的焊接性較差。(2)通過對(duì)焊接方法的分析比較,采用同材質(zhì)熱焊法修復(fù)缸體裂紋,焊接工藝復(fù)雜,工作環(huán)境惡劣,焊接變形大,控制困難;采用鎳基焊條冷焊法修復(fù)缸體裂紋,可以降低施工難度,簡化施工工藝,修復(fù)后能夠保證質(zhì)量。(3)通過實(shí)踐證明,采用鎳基焊條修復(fù)缸體裂紋,制定的焊接施工工藝和措施是恰當(dāng)?shù)?。參考文獻(xiàn)1周振豐,張文鉞.(第2版).北京:,.2DL.,9Cr21Mo汽缸補(bǔ)焊.汽,(2):1552156.,魏廣海,趙衛(wèi)東等.ZG15Cr1Mo1V閥門鎳基焊條冷補(bǔ)修復(fù).華北電力技術(shù),2006,(12):28229.收稿日期:2009203209作者簡介:宮俊峰(1972),男,焊接工程師,

16、畢業(yè)于太原重型機(jī)械學(xué)院,工學(xué)學(xué)士?，F(xiàn)主要從事發(fā)電廠檢修的焊接技術(shù)管理工作。5結(jié)論(1)通過對(duì)高、中壓缸缸體材料的分析,認(rèn)為(上接第14頁)(本文編輯杜秋平)幾個(gè)方面:a)在設(shè)備接口附近的管道上合理地裝設(shè)限位支吊架,可以減少管道對(duì)設(shè)備的推力和力矩,甚至改變推力的方向。限位支吊架主要對(duì)離它近的端點(diǎn)影響較大,要減少某端點(diǎn)的推力,就應(yīng)當(dāng)在該端點(diǎn)的附近裝設(shè)限位支吊架。當(dāng)汽機(jī)縱向布置時(shí),主蒸汽、再熱熱段、再熱冷段管道對(duì)汽機(jī)的推力主要以Y向?yàn)橹?應(yīng)在汽機(jī)中心線與管道相交處設(shè)置Y向限位(即通常的剛吊)或在設(shè)備接口附近設(shè)限位支架。b)在管系適當(dāng)?shù)牡胤窖b設(shè)限位支吊架,就能改變管道的固有頻率,使其遠(yuǎn)離外界干擾引起的強(qiáng)制振動(dòng)頻率,減小振動(dòng)。這是一種控制管道振動(dòng)措施中最簡單和最經(jīng)濟(jì)的措施。c)在管系適當(dāng)位置加設(shè)限位支吊架,特別是在垂直管段上加設(shè)剛性吊架后可增加管道穩(wěn)定性,防止管道下沉?？傊诠芟抵泻侠淼卦O(shè)置剛性吊架和限位支吊架,能有效地控制管系的熱膨脹,有利于管道的安全運(yùn)行,