百萬千瓦超超臨界汽輪機閥殼管件焊接技術的研究及應用

陳得潤，馬 進

（寧夏共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

隨著汽輪機技術的發展，大功率火電、核電機組逐漸成為主流，而大功率火電機組又逐步向超臨界、超超臨界發展，這也給汽輪機鑄件提出更高的要求［1］。要實現更高要求的超臨界、超超臨界的自主化生產就必須克服內部核心部件主汽閥殼體、調節閥殼體和聯合汽閥殼體等一系列產品鑄造與組焊等關鍵技術。

該類鑄件材質采用目前汽輪機閥體件較為廣泛應用的ZG1Cr10Mo1NiWVNbN高合金鋼材料，屬于超低碳復相馬氏體鋼，金相組織主要為馬氏體及少量的鐵素體［2］，該材料焊接裂紋傾向極其嚴重。國內外能夠掌握此類閥體及其管件焊接制造技術更是少之又少，僅為幾家大公司所壟斷。因此，在成功鑄造此類閥體鑄件的先決條件下，如何突破其管件焊接制造技術成為寧夏共享鑄鋼公司的一項重要攻關課題。本文以寧夏共享鑄鋼公司近期研發制造的百萬千瓦超超臨界汽輪機閥殼鑄件為例，主要討論了閥殼體大壁厚管件坡口焊接技術的研究及應用。

1 產品特點及難點分析

此套汽輪機閥殼分主汽閥閥殼、中壓聯合汽閥及調節閥閥殼三類共五個鑄件組成，其中最大 件 尺 寸 為 3 230×2 481×2 200（mm），壁 厚 尺寸60～200 mm，最大鑄件質量達到21.2 t，材質為ZG1Cr10Mo1NiWVNbN。與其組焊的最大管件單件質量2.8 t，單個焊件最大坡口厚度尺寸達到214 mm，材質與鑄件相同，閥體管件坡口組焊裝配圖見圖1。

圖1 閥體管件坡口組焊圖

由于殼體處于汽輪機內承受高壓部位，工作環境惡劣，因此焊接接頭無損檢測要求非常高，坡口焊縫表面要求進行磁粉檢測，焊縫接頭要求進行超聲波檢測和射線探傷，且全部要求ASMEⅠ級合格，因此如何確保焊接質量將是整個鑄件組裝的關鍵步驟。

2 技術解決方案

2.1 材料焊接性分析

材質ZG1Cr10Mo1NiWVNbN的化學成分及機械性能見表1和表2，可以看出該鋼種的合金含量較高，有較大的淬硬傾向，因此材料的焊接性很差，焊接時需要正確選擇焊前預熱、焊后熱處理和焊接工藝參數。以避免焊接裂紋，并控制焊縫的含氫量，從而獲得優質的焊接接頭。

表1 ZG1Cr10Mo1NiWVNbN化學成分含量 (wt)%

表2 室溫下的機械性能

2.2 焊接工藝試驗及制定

根據鑄鋼件常用焊接規范《ASME Ⅸ焊接與釬焊評定標準》制作ZG1Cr10Mo1NiWVNbN焊板各一塊，采用對接方式，按照鎢極氬弧焊ER90S-B9焊材打底、手工電弧焊E9015-B9焊材進行填充蓋面的方式進行預焊接工藝評定施焊操作，并根據規范對焊接試板進行無損檢測（射線探傷、超聲波探傷和磁粉探傷）和力學性能檢測，以上指標合格后，判定焊材選用及工藝符合要求，焊接工藝制定完成，可應用于實際生產。

2.3 焊接方法的選用

鑒于鑄件及管件本體截面積較大，坡口處易產生應力集中現象，而焊接應力分布情況復雜，因此在打底焊接時極有可能在焊縫根部出現裂紋源，因此打底焊在確保熔透和良好融合的情況下盡可能采用小的熱輸入，以減小焊接熱影響區的寬度，避免焊縫脆性組織的產生[3]。坡口焊縫打底焊接時選用熱輸入集中、焊接質量好的鎢極氬弧焊焊接方法，填充焊接過程選用目前工藝成熟、技能要求相對較低、操作熟練的手工焊焊接并蓋面。

2.4 坡口工藝設計

為保證焊接質量，制備形式和尺寸合理的坡口是非常重要的[4]。本項目閥體鑄件管口截面厚度較大，最厚部分達到214 mm，坡口設計尤為重要，考慮到管口內徑只有120 mm，因此環形焊縫只能開單面坡口，在參考坡口設計規范的情況下采取對稱式“U”型坡口 。

3 焊接質量控制

裝配前將鑄件置于焊接平臺，保證坡口端面與焊接平臺之間水平夾角控制在5°以內，然后以內腔加工面為基準，保證內壁齊平，錯邊值不大于1 mm，且坡口間隙1～2 mm，最后采用工裝將鑄件與管件焊接點固。裝配后，采用鎢極氬弧焊對坡口焊縫進行點固，在管子圓周上分別均勻焊接三處，焊道長度為40 mm左右，并對焊縫兩端打磨，避免二次焊接時接頭處形成缺陷。

裝配點固后利用特制加熱工裝對焊接坡口及其周邊200 mm范圍內進行預熱，溫度達到200～250℃時配合使用鎢極氬弧焊和TIG焊機，對坡口進行打底焊接，焊接采用單面焊雙面成型技術，且焊接厚度不小于4 mm。當焊到定位塊時應將定位塊磨掉，并將焊點用砂輪機打磨干凈，然后以肉眼或低倍放大鏡觀察，確認無裂紋等缺陷后方可繼續施焊。打底焊接完成后，及時對打底部分進行打磨，并采用放大鏡等工具檢查，返修未焊透、弧坑裂紋等對焊接質量有影響的缺陷。

填充焊接時將坡口置于立焊位置或立向上位置行填充焊接，焊接時第一層使用直徑φ2.5 mm的焊條焊接，后續采用多層多道焊的焊接方法，根據焊接坡口的寬度確定焊條直徑，具體參照表3進行選用[4]。為確保良好的焊接質量，焊接時應注意以下幾點：

a）電弧焊時，每層焊接厚度≤焊條直徑，焊條擺動的寬度＜焊條直徑的3倍；

b）嚴格采用多層多道法焊接，接頭之間應錯開，收弧時應填滿弧坑，衰減收弧；

c）層與層之間,道與道之間焊完后,應用電動工具、鋼絲刷或砂輪機等將焊渣、飛濺等雜物清理干凈，道與道之間應避免出現焊接死角。

表3 坡口焊接參數對照表

為提高焊接質量，管件坡口焊縫采用多次分階段方式進行填充焊，焊接厚度控制在60～80 mm以內為宜，且分階段對焊縫進行射線探傷。在生產過程中一旦存在超標缺陷時，應采用射線和超聲波聯合探傷的方法對焊縫缺陷進行定位，再返修，直至合格。依此工藝執行，保證在前一階段焊接并檢測合格的情況下，方能進行下一階段坡口焊縫的填充焊接工作。

通過以上方案措施，百萬千瓦超超臨界汽輪機閥殼鑄件管件組焊及焊接質量得到有效控制，焊接后經射線探傷、超聲波探傷和磁粉探傷，均滿足顧客規范要求，尺寸驗收后也符合公差要求，控制符合率達到98%以上，順利通過顧客驗收并發運。

4 結論

通過材料的焊接性分析、坡口的設計及焊接方法、工藝試驗等方面工作的開展，很好地控制了管件的焊接及焊補返修過程，達到了管件焊接技術要求，確保了焊接質量，同時掌握了高合金鋼管件對焊工藝技術，百萬千瓦超超臨界蒸汽輪機閥殼鑄件及管件焊接質量、返修及焊接過程得到大大提高，焊接質量較好，工藝方案可操作性強，效果顯著。

[1]黃天佑，劉小剛，康進武，等.我國大型鑄鋼件生產的現狀與關鍵技術 [J].鑄造 ,2007（09）.

[2]邵建華.A335-P91鋼主蒸汽管道焊接技術[C].第二屆中國北方焊接學術會議論文集.2001年.

[3]蔡娟.焊工之友[M].上海:上?？茖W技術出版社,2009.

[4]洪松濤，胡寶良，彭偉華.焊工常用技術手冊[M].上海:上?？茖W技術出版社,2009.