汽輪機葉片鉚釘頭沖刷堆焊修復工藝

河北馬頭發電有限責任公司 （邯鄲 056044） 張 輪

河北電力石家莊焊接培訓中心 （石家莊 050031） 王寶才

1.概述

某發電廠6號機是原蘇聯列寧格勒金屬工廠制造的K—200—130—3型一次中間再熱單軸三缸雙排汽口凝汽式汽輪機，于1979年12月26日投產，大修時揭缸后檢查發現，13級葉片鉚釘頭旋轉方向迎汽側140片葉片鉚釘頭被沖刷掉3/4，深度約2mm，局部略低于圍帶。

原因分析：雖然13級為中壓缸首級，在過熱蒸汽區，但因葉頂漏氣，在經過第一道阻汽齒擴容降壓后形成較強的擾動，且在等熵擴壓后蒸汽濕度加大，導致位于兩道阻汽齒之間的鉚釘頭在旋轉力的作用下被沖刷，屬于正常現象。經討論分析，認為情況較為嚴重，不修復會影響圍帶的連接強度，有造成圍帶在高速旋轉產生的離心力作用下甩出的危險，因此計劃對鉚釘頭進行補焊修復。

13級葉片鉚釘頭材質為15Cr11MoV鋼，復環材質與葉片鉚釘頭材質相同，為保證機組檢修后軸系部件的安全運行，經研究決定將沖刷的140片葉片鉚釘頭全部進行補焊修復。

2.15Cr11MoV鋼葉片的焊接性分析

15Cr11MoV鋼系馬氏體耐熱不銹鋼，具有較好的組織穩定性、熱強性、減震性及工藝性能，線膨脹系數小，是一種良好的葉片材料。

（1）母材的化學成分 13級葉片材質為15Cr11MoV鋼，其化學成分如附表所示。

（2）15Cr11MoV鋼的焊接性分析 主要問題是接頭的冷裂紋和脆性，淬硬性是產生冷裂紋的根本原因之一，加之馬氏體導熱性差，焊接殘余應力大，如再有氫的作用，冷裂紋傾向就很明顯，就材質而言是有冷裂紋傾向的，實際上是否產生冷裂紋卻取決于具體的焊接條件；馬氏體鋼也有較大的晶粒粗化傾向，特別是多數馬氏體鋼的成分特點，使其組織往往處于馬氏體-鐵素體的邊界上，在冷卻速度較小時，近縫區就會出現粗大的鐵素體和碳化物組織，塑性顯著下降。若冷卻速度大時，由于產生粗大的馬氏體組織，故使塑韌性下降。另外，馬氏體鋼一般有回火脆性，在焊接前后的熱處理過程中，對此更應加以注意。

15Cr11MoV鋼的化學成分（質量分數） （%）

3.焊接工藝評定試驗

（1）試驗材料的選擇 根據13級葉片材質情況，找與葉片材質相同的材料很困難，因此用材質與葉片材料相近的材質1Cr13葉片來代替。

（2）焊接方法 由于鉚釘頭補焊量小，而且要保證鉚釘頭與復環不能焊接在一起，因此選用鎢極氬弧焊。

（3）焊接材料 我廠目前沒有與鉚釘頭材質相匹配的焊絲，而鉚釘頭的補焊又只是頭部2mm厚度的范圍內，因此選用鉻元素含量與鉚釘頭材質相近的H1Cr13氬弧焊焊絲，φ1.0～φ1.2mm。

（4）焊機 選用直流焊機，采用直流正接。

（5）金相檢測 母材組織為回火索氏體，如圖1所示；焊縫組織為柱狀晶的回火索氏體，如圖2所示；熔合區組織：左側為過熱區，右側為焊縫，如圖3所示；過熱區組織為回火索氏體，如圖4所示。

圖1 母材組織500 ×

圖2 焊縫組織500×

圖3 熔合區組織200×

圖4 過熱區組織200×

（7）焊縫硬度檢測 葉片上原鉚釘頭硬度為232～235HBW，新補焊的焊縫硬度為210～235HBW，母材硬度為238 HBW。

（8）焊縫表面無損檢測 從以上焊接工藝評定試驗結果可以看出，該工藝所焊的試樣經金相、硬度和著色無損檢測，均合格，表明該工藝可行。

4.焊接修復工藝

（1）鉚釘頭堆焊前的清理 ①堆焊前鉚釘頭表面磨擦面要清理干凈，摩擦附著層要打磨掉，并測量復環厚度。②將打磨后的葉片鉚釘頭表面用放大鏡宏觀檢查是否有缺陷。③實際施焊之前，焊工、加熱回火人員應進行焊前練習，在材質為1Cr13鋼的葉片上鉆一些深3mm、φ12mm盲孔，焊工練習時應在盲孔上堆焊，孔既要焊滿又不能和孔壁焊在一起，目的是保證現場焊接時不將鉚釘頭和圍帶焊在一起，以保證堆焊后機組的安全運行。練習合格后，方可施焊。④正式捻鉚施工前，需在堆焊試樣上進行試捻鉚。捻鉚后宏觀檢查應無表面裂紋缺陷，試鉚合格后，方可進行鉚釘頭現場實際鉚接。

（2）堆焊工藝 ①焊接方法選用全氬弧焊接。②焊接電源選用逆變焊機，用直流正接。③焊接電流選用40～50A，在保證焊接的情況下盡可能選用較小的電流。焊接工件接線應在本級葉輪上，連接需良好，嚴禁接線不良而打火。④焊接前用丙酮對鉚釘頭進行清洗。⑤預熱采用火焰加熱的方法，預熱溫度250～300℃，預熱采用小號火焊把低火焰對葉片鉚釘頭部進行緩慢加熱，加熱時采用遠紅外測溫儀進行測溫。⑥焊絲在使用前將焊絲表面的油、銹清理干凈，在鉚釘頭一側放置一塊與鉚釘頭材質相同的引弧板，其高度與鉚釘頭相平齊。⑦在引弧板上引弧。為保證堆焊成形好，堆焊時采用短弧焊，周向運弧，焊接電弧應穩定，控制堆焊層形狀，收弧時電弧逐漸移到引弧板熄弧，堆焊厚度為2mm左右，堆焊金屬與母材應圓滑，堆焊過程分為多層焊接，層與層之間溫度控制在200℃左右，焊接時盡可能不與復環焊在一起。⑧鉚釘頭堆焊完畢后用石棉保溫緩冷到室溫。

（3）焊后熱處理 ①堆焊完鉚釘頭用石棉保溫緩冷到室溫后，進行焊后回火熱處理，回火采用小號火焊把火焰加熱，小的熱能率，中性火焰加熱，加熱范圍包括焊縫和焊縫的熱影響區。②回火溫度為700～720℃，恒溫5min后空冷。加熱時升溫速度要緩慢，回火最高加熱溫度應嚴格控制，嚴禁超溫。

（4）質量檢查 ①堆焊鉚釘頭修復后進行焊縫表面硬度檢查，硬度合格。②堆焊完成后，將鉚釘頭堆焊層表面用砂紙打磨呈現金屬光澤，對堆焊鉚釘頭表面進行著色無損檢測，合格。

5.鉚釘頭補焊后捻鉚工藝

（1）捻鉚前將熱處理完畢的鉚頭加熱至700～720℃，使用紅外線測溫儀測溫。

（2）加熱至溫度范圍后立即用1.5磅（0.68kg）重的手錘進行捻鉚。

（3）每個鉚釘頭捻鉚時首先捻鉚軸向兩面，然后再鉚切向兩面。

（4）每一組應首先捻鉚兩端葉片，然后由中間向兩端鉚。以保證鉚接時圍帶可自由延伸。

（5）每個面的鉚接錘擊次數不宜過多，以免冷作硬化。每面一般不要超過2～3錘。

（6）捻鉚后的鉚頭，應能把圍帶裝鉚釘頭的孔覆蓋住，鉚頭表面至圍帶表面平滑過渡。

（7）捻鉚完畢用放大鏡宏觀檢查，無裂紋。有裂紋時應磨除裂紋重新補焊。

6.結語

通過工藝評定試驗所確定的堆焊鉚釘頭焊接工藝可行。該工作的圓滿完成，為汽輪發電機轉子葉片鉚釘頭運行后沖刷補焊提供了實踐經驗。

實踐證明，鉚釘頭鉚接工藝選擇合理，鉚接后未發現表面裂紋，鉚接接頭合格。