淺談火力發電廠300MW機組汽輪機隔板靜葉片裂紋的焊接修復

楊恩

（大唐國際發電股份有限公司張家口發電廠 河北張家口 075133）

1 案例介紹

某火力發電廠300MW機組在進行檢修過程中，發現機組汽輪機隔板靜葉排氣邊出現了一條深度為4mm，長度為20mm，和葉片根部距離200mm的裂紋，該裂紋的出現已經對機組的安全運行造成了影響，為了保證機組的正常運行，需要對該裂紋進行處理。研究后決定在施工現場采取焊接的方式對汽輪機隔板靜葉片裂紋進行修復。

2 靜葉片出現裂紋的原因

（1）因維護不合理，導致異物擊傷。在維護汽輪機組時，因為一些遺留的硬質異物隨蒸汽進入到了汽輪通道，將葉片打傷。

（2）高溫疲勞過載。由于靜葉片材料工作的過程中所處的環境比較惡劣，需要同時承受振動、蒸汽激振力、濕蒸汽水滴沖蝕、高溫等因素的影響。這些因素會導致葉片自身有一定的損傷或缺陷存在。根據葉片裂紋的具體形貌，判斷葉片可能是因外力撞擊后受溫度交變應力的影響導致裂紋出現擴展。

3 分析葉片的焊機性質

靜葉片的主要材質為1Crl3，屬于馬氏體不銹鋼，淬硬性比較高，熱影響區和焊縫焊接后的狀態組織為硬脆的馬氏體組織。會持續比較粗大的碳化物和鐵素體，冷卻速度過快，會在熱影響區出現硬化的情況，產生比較大的馬氏體，降低不銹鋼的韌性和塑性。馬氏體不銹鋼具有導入性差的缺點，再加上組織轉變過程中體積出現的變化，很有可能導致內應力過大，加劇冷裂傾向。所以，要控制熱輸入，防止出現冷裂紋。由于1Cr13不銹鋼中含有比較多的Cr，很容易提升淬硬性，熱影響區和焊縫屬于脆且硬的馬氏體，韌性不高，當焊接接頭中焊縫中含有比較多的氫其或者焊接結構剛度比較大時，溫度從高溫下降至120～150℃時，靜葉片極易出現冷裂紋。綜合分析后，選用馬氏體不銹鋼焊條進行焊接施工。

4 靜葉片裂紋修復工藝

4.1 清除缺陷

使用角向磨光機對坡口進行修理，然后進行探傷檢查，保證裂紋全部被消除。挖除裂紋后，將坡口整理成V形，然后打磨干凈坡口兩側10mm的范圍，并利用丙酮對打磨好的位置進行清洗，將油污去掉。施工過程中，要避免挖穿裂紋，根部預留2mm的間隙，確保根部可以焊透[1]。為了降低焊接變形以及焊接應力，降低焊接填充金屬量，需要保證坡口可以圓滑的進行過渡，坡口最后大小為30mm×10mm×7mm。打磨工作完成后，要使用專用的膠布對周圍的葉片以及葉片的位置進行保護，避免出現碰傷的情況。

4.2 焊接施工方法

采用焊條電弧焊結的施工方法具有方便靈活、操作便利，焊接穩定等優點。所以，此次修復選用焊條電弧焊進行焊接施工。

4.3 選擇焊接材料

為了確保修復靜葉片后可以具有良好的導熱性、高溫強度以及良好的熱膨脹性，按照葉片的材質選擇不銹鋼焊條進行焊接。本次施工使用G217焊條進行施工。化學成分如表1所示。

表1 G217焊條的化學組成成分（單位：%）

4.4 焊前預熱

當在空氣中對1Cr13系列馬氏體不銹鋼進行冷卻時，會產生比較大的淬硬傾向。所以，在對這種鋼進行焊接時，要重點注意脆化和冷裂紋方面的問題。為了避免焊接過程中出現冷裂紋和淬硬組織，在焊接施工前，要對50mm范圍內的施焊區域進行預熱。預熱溫度要控制在馬氏體開始轉變的溫度以內，一般為200～250℃以內。進行預熱時，選用氧乙炔火焰進行加熱，火焰焰心和葉片表面要間隔10mm以上，并保證葉片各個位置溫度具有良好的均勻性。在低溫環境下加熱到180℃后，采用保溫棉進行包扎，使其溫度降低到150℃。整個預熱過程中使用紅外測溫儀實時對預熱溫度進行測量。

4.4.1 控制層間溫度

在進行焊接修復時，層間溫度要控制在允許的最低預熱溫度值以上，并且不能大于制定工藝允許的層間溫度最大值。一般控制在150～200℃之間。當預熱溫度小于預熱溫度規定的下限值時，不允許進行焊接作業，再次進行加熱使層間溫度達到要求后即可進行焊接作業。當層間溫度的最高值大于200℃時，要對其進行冷卻，待溫度小于200℃以后才可以再次進行焊接。

4.4.2 焊接修復施工

在施焊之前，要先使用丙酮對葉片坡口以及葉片四周的水分、油漬、灰塵、銹跡等雜質進行清理。進行焊接時，使用SMAW焊接的方式進行焊接，焊條直徑為2.5mm，使用多道多層焊接的方式進行施工，焊道的寬度要控制在焊接材料直徑三倍以內，焊層厚度要小于焊接材料的直徑。進行焊接作業時，焊條擺動幅度不宜過大，為了使焊渣和氣孔可以順利浮出，盡可能在焊道兩側停留時間長一些，收弧時要將弧坑填滿，防止出現弧坑裂紋[2]。為了避免出現熱裂紋，要使焊道保持凸起狀，每完成一道焊接作業，對焊層表面進行檢查，對可能出現的氣孔、裂紋、凹陷、咬邊等缺陷要進行清理，使用專門的工具清理焊道后，即可進行下一道焊層的施工。進行焊接時，焊接電流要控制在90～110A參數范圍中，焊接電壓要控制在23～28V之間.焊接要從葉片的底部向上使用金屬進行填充，將焊接電流控制在80～100A，為了保證熔合效果，進行焊接時，電弧盡可能對葉片兩側的隔板進行灼燒。為了使焊絲可以將電弧擋住，降低電弧對不需要焊接部分造成的灼燒，在進行送絲的過程中，要從距離隔板比較遠的一方送絲。

4.5 焊接后熱處理

修復好補焊后，對葉片進行加熱，溫度達到250℃后，使用保溫材料將葉片補焊區包裹好，降低冷卻速度。焊接工作完成后，熱處理工作要持續0.5h以上。對補焊接頭兩側50～100mm的范圍進行加熱。

4.6 補焊工作完成后對焊縫進行修磨

完成補焊和焊后熱處理工作后，使用氣動打磨道具修磨靜葉焊縫。一方面可以保證焊縫更好的進行過渡，防止應力過于集中，將焊縫有可能出現的焊接缺陷打磨掉。另一方面可以使葉片可以保持未進行焊接前的狀態，使其葉片的整體結構保持原貌。

4.7 施焊完成后進行檢查

使用角磨機磨平焊縫的余高，并進行拋光處理，然后對焊接區使用滲透的方法進行探傷檢查，保證焊縫不存在咬邊、未熔合、裂紋等問題。實踐證明，該修復方法是有效的，汽輪機隔板靜葉片經過三年的運行，沒有出現問題。此次修復達到了要求，質量穩定性高。

5 結束語

綜上所述，本文通過實際案例，對300MW機組汽輪隔板靜葉裂紋出現的原因進行了分析，發現靜葉片出現裂紋主要是因為出現的高溫應力向兩側擴展造成的。需要采用焊接的方法修復葉片，在施工現場進行了預熱、裂紋挖除、焊后熱處理、補焊、焊后修磨等處理措施。經過五天的焊接施工，徹底解決了隔板靜葉片裂紋問題，再次進行檢測后沒有再發現缺陷，證明使用G217焊條對1Cr13汽輪機隔板靜葉片裂紋進行焊接修補是行得通的。完工后對焊縫進行無損檢測證明這種修復靜葉片的方法修復質量良好，具有較高的推廣應用價值。

[1]祝曉燕，王彥惠.汽輪機葉片疲勞壽命與故障診斷研究的發展及現狀[J].電力科學與工程，2000（02）：11～14.

[2]陳伯蠡.焊接工程缺欠分析與對策[M].北京：機械工業出版社，2006：58～121.

[3]鄒增大.焊接材料、工藝及設備手冊[M].北京：化學工業出版社，2001.