中型水輪機不銹鋼活動導葉缺陷修復

摘 要：不銹鋼活動導葉常由于裂紋、疏松、變形等問題進行返修，由于導葉結構、材料、質量要求等因素，造成該類鑄件修復時間長、成本高。文章針對不銹鋼活動導葉最難修復的三類缺陷探討經濟有效的修復工藝方法，同時滿足質量與生產進度要求。

關鍵詞：不銹鋼活動導葉；鑄件；缺陷

1 引言

不銹鋼活動導葉是水輪發電機導水機構重要部件，通常為馬氏體不銹鋼整鑄成型，質量要求高。隨著鑄件尺寸及重量的增大，出現重大缺陷返修的機率增高。雖然該類鑄件可用焊接方法進行修復，但鑄件從本質上與型材存在較大差異，因此鑄件修復過程中應充分考慮母材的特點，綜合各種因素，從而制定出最合理的修復方案，滿足質量與進度要求。

2 中型不銹鋼活動導葉特點

不銹鋼整鑄活動導葉通常為板-桿連接結構（見示意圖），中間板體由下至上逐漸增厚，兩端分別連接長、短圓軸，長短軸直徑與板體厚度相差較大。中型不銹鋼導葉總長約4000mm，軸徑約500mm，重量約5噸。鑄造時高飛板體與長軸中部設置冒口進行補縮，冒口需進行熱割去除。

3 不銹鋼活動導葉常見的三類缺陷

3.1 裂紋：鑄件本體、本體與冒口之間壁厚相差懸殊，易在冒口側及導葉軸頸處出現長而粗的裂紋。

3.2 縮松：實際生產過程中，當鑄件鋼水不足或冒口設計不當時，冒口下或軸頸處易出現縮松缺陷。通常肉眼不可見，但無損檢測時不合格。

3.3 變形：導葉為長形板桿結構，隨著總長的增加，極易產生出現撓曲變形，即板體或長軸出現局部缺肉無加工量。鑄件凝固過程中不均衡的熱脹冷縮；熱割冒口；熱處理擺放等因素均是造成鑄件變形的原因。

4 修復工作前的準備工作

修復前應進行以下工作，為制定恰當的修復方案作準備：查閱圖紙和鑄造工藝、查閱鑄件過程記錄、查閱鑄件理化性能及無損探傷報告、現場查看缺陷形狀出現位置等，仔細分析缺陷的成因，預測缺陷的嚴重程度。

5 裂紋及縮松松缺陷的修復

5.1 缺陷的清除

裂紋及縮松類缺陷宜用挖補法進行修復。在實際修復過程中，清除缺陷往往占用50%以上的周期，需進行多次重復性工作。因此，如何進行清缺是影響整個修復進度的關鍵。缺陷清除應遵循盡量一次清除到位、減少焊補量、凹坑形狀滿足焊接操作要求的原則。以碳弧氣刨、氣割加砂輪打磨三種方式最為常見。若采用吹刨或氣割去除缺陷，則需再用砂輪將凹坑打磨光滑，用滲透或磁粉探傷進行檢測確認所有缺陷均已清除干凈。

5.1.1 裂紋缺陷清除

砂輪打磨是清除裂紋的最好方式，不易造成裂紋延展，但勞動強度高、效率低，打磨的最大深度有限，適合短淺裂紋清除。而活動導葉的裂紋多數發生在應力集中的軸頸或截面變化大的冒口補貼兩側，長且粗，深度較深。宜采用碳弧氣刨在預熱狀態下進行吹除，吹除方向應與延伸方向相反。在實際生產中發現，大型裂紋，特別是裂紋傾向較大馬氏體不銹鋼鑄件，若只是在預熱狀態下用碳弧氣刨進行吹除，雖然在吹刨過程中目測已吹清，但在冷卻過程中多次出現再次開裂并延伸擴展的現象。造成這種現象的原因有多種，如：鑄件熱處理不足有殘余應力，鑄件在下序加工過程中形成切削應力等。此類鑄件返修時應先進行一次消除應力熱處理將有利于裂紋的去除，減少鏟挖量，提高處理效率。

5.1.2 縮松缺陷的清除

當鑄件無損檢測及綜合其它因素判定有縮松缺陷時，根據鑄件凝固原理，該缺陷多位于鑄件芯部，深度較深。實際生產過程中，曾批量在板體補貼位置出現大面積縮松缺陷，滲透探傷顯示為數量較多的冰花狀缺陷，經反復吹刨、打磨均不能有效地清除缺陷。經反復論證及計算后，采用氣割將板體缺陷區域全部切除，根據導葉板體線型另外制作鑲塊進行組焊，并采取相應的手段保證導葉板體型線及組焊質量。此方法工作量較大，但在處理批量性缺陷時仍不失為有效方法。

5.2 缺陷的修復

因清除缺陷出現的凹坑一般采用手工電弧焊或熔化極氬弧焊進行補焊。

5.2.1 防變形措施

當缺陷發生在板體中間、長軸軸頸處，采用碳弧氣刨、氣割等方式去除時，均應在缺陷清理前于板體或板體與長軸之間焊防變形筋，直到消除應力熱處理后去除。

5.2.2 焊前預熱

不銹鋼焊前應進行100℃以上的預熱，可減小冷卻速度和焊接應力，防止鑄件變形及焊縫熱裂紋。

5.2.3 焊材選擇

水輪機活動導葉通常耐汽蝕和抗磨性能較好的高強馬氏體不銹鋼。為保證焊縫強度及使用要求，應選用與母材同類型的焊接材料。

5.2.4 焊接工藝參數

焊接工藝參數根據缺陷類型、大小、凹坑所在位置、焊接位置、焊接材料等來確定。在安全操作的前提下，應盡量采用平焊位，方便操作及觀察。根據該材料的WPS選擇電流、電壓、速度、層間溫度等保證焊縫內在質量。

5.2.5 補焊過程中質量控制

補焊過程中，焊縫區域應保持在預熱溫度以上，除第一層及最末一層焊縫外，均應逐層錘擊。若補焊面積較大、深度較深并處于應力集中區，則應在焊至總量一半時做進行一次消除應力熱處理。

5.2.6 焊后熱處理

屬于重大缺陷的焊補結束后降溫至100℃左右進行消除應力熱處理，最高溫度應比全過程熱處理回火段最高溫度略低，不改變鑄件母材的力學性能。

5.2.7焊后無損探傷檢測

熱處理之后在熱狀態下采用碳弧氣刨吹平焊縫，去除防變形筋。冷卻至室溫后采用砂輪打磨，按圖紙標準進行無損探傷檢測，保證補焊合格。

6 導葉變形的修復

導葉發生變形時應首先考慮使用冷校形法，如使用油壓機進行校正，適合板體位置發生的變形。若長軸發生變形則可用火焰局部加熱進行校形，加熱部位應在長軸變形的起點，即在板體與長軸相貫處、長軸軸頸處進行加熱，利用不均勻的熱脹冷縮校形。最后再采用補焊的方法對局部小量缺肉進行校正。

7 結束語

綜上所述，若要同時滿足生產周期和質量要求，經濟高效地修復導葉應：

7.1 做好修復前的各種準備工作，收集理化性能、加工狀態、質量要求、鑄造過程等相關信息。

7.2 根據缺陷類型、呈現的狀態及所在部位，選擇最有效的缺陷清除方式，缺陷清除工作的質量與效率，是整個缺陷修復工作的關鍵。

7.3 注意采取防變形措施。

7.4 同材質焊材保證鑄件的使用要求，充分使用無損檢測及消除應力熱處理是保證焊接質量的重要手段。