660MW機組高壓鑄造閥門殼體裂紋原因分析及處理

王 晨

（1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.神華河北國華滄東發電有限責任公司，河北 滄州 061110）

1 概述

神華河北國華滄東發電有限責任公司4號機組鍋爐為SG－2080／25.4－M969型，汽輪機為CLN660－24.2／566／566 型，機組于2009年11月27日轉商業運行，至2011年9月首次A 級檢修累計運行12 854h。目前在裝公稱直徑4″及以上高壓鑄造閥門共計14 只，檢修中對閥門進行100%無損探傷檢查，發現一級減溫水左、右側調門后電動門、二級減溫水電動總門、再熱器事故減溫水母管電動門、主給水電動門共計5 只閥門殼體存在裂紋，詳見表1。

2 原因分析

從表1中可以看出出現裂紋閥體均為合金鑄鋼件。鑄造是金屬液態成形的一種方法，鑄件的質量與合金的鑄造性能及鑄造工藝密切相關［1］。鑄鋼由于熔點高、流動性差、收縮率高，所以鑄造性能差，而且在熔煉過程中氧化、吸氣嚴重，容易產生澆不足、冷隔、縮孔、縮松、變形、裂紋、夾渣、粘砂和氣孔等缺陷。

表1 閥門殼體裂紋情況

合金鑄鋼件澆注時采用“順序凝固”，所謂“順序凝固”就是在鑄件可能出現縮孔或最后凝固的部位（多數在鑄件厚壁或頂部），設置“冒口”，使鑄件按照遠離冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，最后才是冒口凝固的順序進行。順序凝固使鑄件的溫差大、熱應力大、變形大［2］。

在冷凝過程中，由于各部分金屬冷卻速度不同，使得各部位的收縮不一致，再加上鑄型和型芯的阻礙作用，使鑄件的固態收縮受到制約而產生鑄造應力。為消除閥門閥門存在應力，合金鑄鋼件一般進行調質等最終熱處理。但由于鑄造閥門壁厚結構復雜，熱處理過程控制稍有偏差，便會導致較大殘余應力存在。

對存在裂紋的閥體進行光譜復驗，檢測結果符合標準要求，S、P 雜質元素不超標；從宏觀檢查分析，閥體裂紋全部處于表面及近表面，較深的裂紋出現在結構變化大的應力集中部位，見圖1。

圖1 出現裂紋的閥體

當鑄件中存在內應力，就會使其處于不穩定狀態。再加上汽水閥門系統受力復雜，結構本身尺寸、形狀的差異，導致應力集中作用明顯，且在工作應力和啟停過程的溫差應力等的疊加共同作用下，導致原鑄造裂紋源擴展并形成宏觀裂紋。

熱處理過程控制不當，殼體表面硬度超標。承壓鑄鋼件經熱處理后的硬度一般設計為160～200 HB，硬度太高，會使其塑性下降，降低閥門殼體承載的安全性能。如表1中再減總門的表面硬度檢測超過HB340，運行過程中內部應力逐漸釋放后，形成占殼體表面積近35%的裂紋群見圖2。

圖2 殼體表面裂紋群

3 處理措施及注意事項

3.1 補焊工藝

打磨去除缺陷，缺陷是否完全去除，通過無損檢測方法（磁粉探傷檢測）檢查確認。打磨時既要保證缺陷去除干凈，又要盡可能減少磨損面積，同時要照顧到補焊需求。

確認缺陷完全去除后測量缺陷的深度及大小，對表1中缺陷嚴重的1、2、4項閥門進行更換，更換為規格、參數、材質的鍛造閥門。其它進行補焊處理，缺陷去除的范圍在能夠保證閥門的最小壁厚的情況下，對缺陷的周圍進行圓滑的打磨處理；超過最小壁厚則進行補焊處理。水壓試驗有滲漏的鑄件、補焊面積＞65cm2的鑄件，深度＞鑄件壁 厚20% 或25 mm的鑄件，ASTM A217／A217M－2010《適合高溫受壓零件用馬氏體不銹鋼和合金鋼鑄件的規格》（簡稱“A217標準”）中均認為是重要補焊。對此種重要補焊A217標準中提出，都應進行去應力處理或完全再加熱處理，而這種去應力處理或完全再加熱處理，必須用經審定合格的方法進行，即重要補焊需制訂補焊工藝。

3.1.1 設備材料

焊絲材采用：焊條ENiCrFe－3，焊絲ERNi－CrFe－3 ￠2.0氬弧焊絲，焊機為山東奧太ZX7－400STG 焊機，鎢極為WCe－20 鎢極直徑￠2.5，99.99%高純氬氣。焊前焊條應按照包裝袋要求進行焊前烘干（或300 ℃烘干2h），并放到專用保溫桶里，做到隨用隨取。

3.1.2 環境

周圍不得有較大風力，濕度不大于75%，溫度在10 ℃以上。

3.1.3 操作工藝

焊前用機械的方法將裂紋全部去除干凈，將需要焊補部位及四周10～15mm 范圍內的鐵銹、污物等打磨干凈至露出金屬光澤，并根據具體情況將挖補處打磨成U 型或V 型坡口，打磨時應注意，從裂紋兩端開始打磨，如此可以防止打磨過程中裂紋擴展（必要時可以打止裂孔），坡口角度、寬度以消除裂紋情況下盡量窄為佳，但對于深度超過30mm 的缺陷坡口寬度不小于20mm，確保焊接時避免出現夾渣、未熔等缺陷。焊前應經磁粉探傷或著色檢驗確認坡口內無毛刺、夾層和裂紋等缺陷，合格后方可補焊。

開始補焊時要劃分若干區域一塊塊補焊，并用火焰加熱的方式將補焊處和其周圍50 mm 處加熱到70～80 ℃。加熱時應快速移動火焰，不得只集中加熱一點，且保證其周圍溫度在70 ℃以上。補焊前要測定降溫速度在2～3 ℃／min的范圍內。焊補時先用氬弧焊打底在整個基體上形成一層3～5mm 的過渡層。打底層焊后，讓焊縫在保溫棉冷卻到環境溫度，經著色檢驗無裂紋，再打磨后使用焊條進行填充焊接，直至整個焊口焊完。

焊接時采用小線能量，快速略擺焊，薄焊道，電流控制在：氬弧焊125A 以下，電焊70A（￠2.5 mm）以下；90A（￠3.2 mm）以下。具體要求，打底層焊道寬度不超過3mm，長度不大于30mm，厚度控制在3 mm 以內，焊后立即要專人層間錘擊。深層使用0.5磅或1磅的手錘錘擊圓頭鏨子的方式消應力；手錘能夠得到的情況下直接用手錘錘擊消應力。錘擊時力度不要過大，錘擊要求焊縫表面能看到清晰麻痕，8～10 下／cm2。在加熱補焊的區域內，應該使用跳焊法，不要集中在一處焊接，保證整體溫度均勻，避免局部溫度上升過快，每段焊后必須在溫度降到（70 ℃以下）手可以觸摸焊道時方可進行下一道焊縫的焊接。填充層變成鎳基同材質焊接，每層焊道的層間溫度不超過50℃，焊道長度同樣不大于30mm，焊道寬度不超過3mm，厚度控制在3mm 以內，焊后對焊道進行錘擊。焊道間搭接1／2，且不要形成深溝槽。每焊一段，要進行宏觀檢查，有缺陷應該立即消除。焊道間的溫度以測溫槍測量為準。

焊后檢驗：對焊縫整體進行打磨，使表面圓滑過渡。焊后宏觀檢查無缺陷，然后用保溫棉包好，待冷卻到環境溫度后進行著色檢驗，表面無裂紋，為合格。7 天后再進行一次著色檢驗，表面無裂紋、無缺陷，為合格。

3.2 注意事項

焊前充分分析母材與焊材焊接性能和金屬本身的物理性能；采用鎳基焊接材料要先在基體上焊接3～5mm 的過渡層再進行填充層焊接；嚴格按制定焊接工藝進行施焊，焊接過程中嚴格控制層間溫度在70 ℃以下；采用氬＋電的方法，采用直徑2.5mm 焊條，缺陷的產生率低保證焊接接質量；整個焊接過程中采用短道，跳焊方法。每層焊道要立即錘擊消除應力，焊后保溫緩冷。

4 結束語

高壓鑄造閥門由于價格相對低廉，目前在超臨界、超超臨界機組中仍廣泛應用。因為制作工藝原因在制造過程中氣孔夾渣難以避免，雖經最終熱處理釋放應力，但由于閥門結構復雜、壁厚厚、尺寸大存在殘余應力，使用過程中，鑄件內的殘留應力將重新分布。當它與其它應力相互迭加時，就會增大鑄件產生裂紋的傾向，當綜合應力值超過合金的抗拉強度時產生裂紋。所以為保障運行安全，電廠應對高壓鑄造閥門建立專項監督措施，根據閥門具體情況科學制定檢驗周期，定期檢驗。建議在條件允許的情況下，將鑄造閥門更換為鍛造閥門。

［1］李晨希.鑄造工藝鑄件缺陷技術標準［M］.北京：化學工業出版社.2010.

［2］JB 302－1962，鑄件缺陷名稱及分類［S］.