汽輪機低壓轉子次末級葉片開裂修復

孫 偉，董再勝，高 昕

（1.山東電力集團公司電力科學研究院，山東 濟南 250002；2.濟南鋼鐵集團總公司，山東 濟南 250101；3.山東石橫發(fā)電廠，山東 肥城 271621）

0 引言

轉子是汽輪機最重要的部分之一，它是汽輪機的轉動部分的總稱，主要由主軸、葉輪、動葉和聯(lián)軸器等組成，起著工質能量轉換及扭矩傳遞的任務。動葉片的作用是將蒸汽的熱能轉換為動能，再將動能轉換為汽輪機轉子旋轉機械能，使轉子旋轉。高速旋轉的轉子承受很大的離心力，實際轉速為3 000 r/min（50 Hz）［1］。 葉片裝機運行，只要其中的一片發(fā)生問題，就可能導致嚴重的危害。尾帶部位線速度最高，如果堆焊金屬塊開裂，隨時可能斷掉被高速拋出，擊損其它葉片和部件，同時帶來連鎖破壞；次末級葉片為無拉筋葉片，整級葉片的振動頻率和振幅的約束是依賴于葉片之間尾帶結合面的緊密配合，只要有一片尾帶缺失，整級葉片約束破壞，后果將不堪設想。

1 問題綜述

某電廠對125 MW機組進行擴容 （135 MW），需改造汽輪機。由于在造的低壓轉子次末級葉片第二十四級和第三十級（對稱左右旋）振動頻率試驗不符合要求，經多方協(xié)商決定，由制造廠對全部次末級葉片（材質為2Cr12NiW1Mo1V，兩級共208片）葉肩部的尾帶進行堆焊加厚，堆焊層厚度約為8～10mm，以改善振動頻率滿足要求。葉片裝配后，在對整個低壓轉子的精車加工過程中，發(fā)現(xiàn)車刀經過堆焊金屬與葉片尾帶熔合區(qū)及附近熱影響區(qū)時打滑，成形不良；同時發(fā)現(xiàn)個別葉片的堆焊金屬與尾帶熔合線處有肉眼可見的裂紋。后經全部次末級葉片進行硬度及著色探傷檢查，發(fā)現(xiàn)熔合線及附近熱影響區(qū)的硬度均在HRC50以上，甚者達HRC53，并存在較寬的淬硬帶（約3 mm）；著色探傷發(fā)現(xiàn)表面存在嚴重連續(xù)裂紋的為11片 （內部裂紋未查），如圖1、圖2箭頭所示。其余的均帶有不同程度的焊接缺陷。大量焊接缺陷說明焊接及熱處理工藝不當，需進行改進，重新制定焊接及熱處理工藝。

圖1 葉片表面裂紋位置

圖2 尾帶堆焊處的連續(xù)裂紋

修復2Cr12NiMo1W1V鋼種無經驗可借鑒，制定合理焊接工藝將面臨三個主要問題：1）焊后淬硬裂紋的預防；2）堆焊完成后熱處理問題：如將葉片放入熱處理爐整體高溫回火，可良好改善焊后熔合區(qū)硬度超標問題，但將導致葉片的變形，無法完成精密裝配工作，如采用局部熱處理，溫度和時間無法妥善控制，亦會局部超溫變形；3）焊接材料以及焊接方法的選用。

2 2Cr12NiW1Mo1V鋼性能分析

次末級葉片材質2Cr12NiMo1W1V是國產鋼種，屬高合金熱強馬氏體不銹鋼，該鋼具有高的強度水平及良好的韌性配合，抗蝕性好，冷熱加工性能良好，抗回火能力強。該鋼種相當于美國Crucible-422鋼和AISI616鋼以及日本的SUH616鋼，是12%鉻鋼的改型鋼種之一。其化學成分與機械性能見表 1、表 2［2］。

表1 2Cr12NiMo1WV鋼的化學成分（質量分數(shù)，%）

表2 2Cr12NiMo1WV鋼的機械性能

表3 2Cr12NiMo1WV鋼的供貨狀態(tài)

2Cr12NiW1Mo1V目前已推廣為我國優(yōu)化200MW汽輪機800 mm末級葉片用鋼。與lCrl2WMoV（?И802）鋼相比，2Cr12NiW1Mo1V 鋼的碳與鎢、鉬含量均有所增加，并加入了少量的鎳元素，從而使鋼的高溫長期性能得到提高。鋼的使用溫度可達649℃，當使用于低應力抗氧化零件時，可用到788℃。該鋼與冶標YB/Z8-75序號l給出的鋼號2Crl2NiWMoV化學成分與性能均有差別，應予注意。該鋼調質狀態(tài)下為回火馬氏體，目前為止，2Cr12NiMo1W1V鋼焊接性受限制［2］。

3 修復措施

提高預熱溫度。挖補預熱溫度由原來的150℃提高到250～300℃，在箱形電爐內整體緩慢加熱，爐口處焊接，焊接過程控制溫度不易過高，焊后立即回爐恒溫1 h，隨爐緩冷至室溫。

采用小直徑Ni基焊條或高Ni奧氏體焊條（A507）進行焊接均可取得成功。使用手工電弧焊進行焊補，直流正接，小規(guī)范，低電弧焊接。焊接全過程用石棉布包裹葉片，只露尾帶焊接處。防止葉片整體溫度散失過快，減小焊接過程中各部位溫差梯度及變形；防止飛濺造成葉片表面損傷。

焊后熱處理采用高溫回火。為防止葉片變形以及更好的控制時間與溫度，將葉片葉根部位懸掛倒置，僅將堆焊部位及少部分葉片基體放入脫氧后的鹽浴爐內加熱。加熱溫度620～640℃，恒溫15min。事先將葉片放入350℃恒溫箱形電爐內等溫預熱，再將其放入鹽浴爐高溫回火，等鹽爐加熱完成后立即再次放入350℃恒溫箱形電爐內等溫，最后隨爐緩冷至室溫。此舉目的達到了減少溫度梯度，更好的防止了因材質線膨脹系數(shù)相差過大在快速升溫過程造成的損害，并完善解決了變形及應力集中問題。

4 結語

焊接工作完成后經探傷檢驗全部合格，硬度值均在HRC30以下，且經多處檢查，硬度均勻。至今為止，葉片修復后已投入安全運行3年，取得了可觀的經濟效益。