650 MW汽輪機高壓缸接管焊縫缺陷焊接修復

余 迎 崔樺楠

（海南核電有限公司 海南昌江）

一、引言

對于剛性和拘束度較大、結構較復雜的汽輪機高壓缸大型鑄件，其底部接管焊縫由于母材具有較強的冷裂紋敏感性，較易產生冷裂紋，在機組冷熱循環的沖擊下，極易造成接管的開裂泄漏，必須進行焊接修復。然而，對于汽輪機高壓缸這樣的大型鑄件，在現場進行補焊具有一定的難度，主要是因為受現場條件限制，不能像制造廠那樣按照相關標準采取傳統的焊接方法進行焊接修復。因此，應依據現場條件，合理制定焊接工藝對汽輪機缸體進行修復，使之滿足運行使用條件需要。

二、機組概況及存在的缺陷

某核電廠機組為650 MW飽和汽輪機組，采用哈爾濱汽輪機廠有限責任公司生產的HN650-6.41型單軸、4缸6排汽、反動凝汽式汽輪機，是消化吸收美國西屋公司核電汽輪機技術，在秦山二期1#、2#汽輪機基礎上改進完善的自主設計制造的國產首臺650 MW核電汽輪機。

2010年11月，作為經驗反饋項目，對高壓缸焊縫進行PT復檢，發現高壓缸24條接管上的28條焊縫存在超標線性或圓形顯示。上述超標顯示雖未裂穿，但如不處理將會繼續擴展，危及機組的運行安全。經研究決定對上述超標顯示區域進行機械打磨，裂紋源清除后，發現有19處接管需要補焊。部分缺陷接管焊縫如圖1所示。

三、高壓缸鑄件可焊性分析

圖1 部分缺陷接管焊縫

高壓缸內、外缸材料均為ZG15Cr2Mo1，ZG15Cr2Mo1各元素化學成分見 表 1， 其 碳當量 0.74%～0.98%，焊接接頭具有較強的冷裂紋敏感性。在力學性能上，厚壁鑄鋼件的韌性通常不高。因此，高壓缸體補焊具有冷卻速度快，拘束度大的特殊性，決定了補焊區較易產生冷裂紋，因此必須采用合理的工藝措施加以預防，使其不但能夠防止冷裂紋，而且還應保證補焊區金屬的熱強性、抗熱疲勞性、組織穩定性，防止產生附加變形和應力。

表1 ZG15Cr2Mo1各元素質量分數

四、焊接方法選擇

補焊工藝要根據缸體材料種類、原始組織狀態及不同的缸體結構而定，一般可選用同質熱補焊和異質冷補焊工藝。

表2 ZG15Cr2Mo1焊接工藝

1.同質熱補焊方法

采用化學成分與力學性能與缸體相近的珠光體耐熱鋼焊條如R307或R317焊條進行焊條電弧焊。這種焊接方法的優點是，同種材料焊接，金屬組織相同，不存在異種鋼焊接問題；機組在運行啟停過程中，膨脹收縮一致，產生應力小；所用焊接材料價格低廉，成本低。缺點是，焊接變形難于控制；需要專門的熱處理設備；施工條件差，由于預熱溫度高，焊接及熱處理時，施工人員不易接近缸體。如果采用熱補焊方法進行補焊，由于缸體的體積龐大、壁厚、散熱快、結構復雜，現場難以采用電加熱的方法進行整體預熱和焊后熱處理，難以控制焊接時的冷卻速度，易產生淬硬組織，造成冷裂紋。如果采用局部熱處理，局部高溫預熱易導致缸體變形，產生的附加應力會隨時間變化危及機組的安全穩定運行。

2.異質冷補焊方法

采用化學成分與力學性能與缸體不同的奧氏體焊條如A307、A407、A507 進行焊條電弧焊。焊前預熱 150～200 ℃，焊接過程中始終保持預熱溫度，控制層間溫度不超過預熱溫度100℃，同時每焊一道即錘擊焊道，連續完成焊補。焊后立即用保溫棉覆蓋，保溫緩冷。這種焊接方法的優點是，由于采用冷焊方法，焊接變形小；所用焊接材料價格低廉，成本低。缺點是，由于奧氏體焊縫的線膨脹系數約是珠光體母材的1.5倍，因此接頭中的熱應力與焊接殘余應力較大。

采用化學成分與力學性能與缸體不同的鎳基焊條如ENiCrFe-3進行焊條電弧焊。焊前不預熱，焊后不緩冷，只在焊接過程中每焊完一道，錘擊焊道即可。這種焊接方法的優點是，焊接工藝簡單，工作量小，施工環境條件好。缺點是鎳基焊條價格非常昂貴。

綜上所述，考慮到缸體體積龐大、結構復雜、壁較厚、散熱快，現場難以采用電加熱的方法進行整體預熱和焊后熱處理，采用奧氏體不銹鋼異質冷補焊的焊接工藝。使用E16-25MoN-15（A507）直徑3.2 mm、4 mm焊條進行填充焊接。在現場選定缺陷最深、施焊難度最大的焊縫進行補焊，缺陷用冷機械加工方法打磨至缺陷消除或剩余壁厚3 mm，用冷焊工藝（A507焊條）施焊2道，焊后 48 h，做PT檢查，PT合格后再施焊2層，48 h后重復做PT檢查，合格后即可進行其余缺陷的補焊。

五、焊前準備

用砂輪、旋轉銼或碳弧氣刨等方法去除接頭焊縫上所有超標缺陷，若直至剩余焊縫厚度在3 mm以內仍未清除徹底時，可不再進行挖除而現狀使用。在施焊方便的前提下，補焊坡口應盡量小。坡口形狀不應有急劇變化，表面應平整、底部平緩，不允許有尖角存在且補焊坡口及周圍10 mm范圍內的表面應露出完好的金屬光澤。

著色檢查，坡口表面及其周圍20 mm內不得有任何裂紋、成排氣孔和長度＞1.5 mm的線性顯示。用酒精或丙酮清潔補焊區及周圍區域≥150 mm的范圍，去除油脂等雜質，保證焊接時不會有污染物流進焊縫影響焊接質量。采用碳弧氣刨鏟除缺陷時，缺陷區域及其周圍30 mm內均勻預熱至150～200℃，刨后用砂輪、旋轉銼打磨掉1 mm左右去除表面滲碳層。

焊條使用前應進行250℃，1 h烘干處理，使用時應放在80～120℃的便攜式保溫桶內隨用隨取。

六、焊接工藝

焊接工藝見表2，選用A507直徑3.2 mm焊條，手工電話焊，直流反接，在保證熔合良好的前提下，盡量選用80～110 A的焊接電流，以減小母材對焊縫的稀釋。

焊接過程中采用斷續焊，從下至上堆高將坡口全部覆蓋，后焊道壓先焊道，用直徑3.2焊條堆焊3～4 mm過渡層，道間應有1/3疊加，堆焊應連續進行，焊后蓋上石棉布緩冷至室溫。焊條使用完后不能立即熄弧，應停止焊條移動，待弧坑填滿后，緩慢逐漸拉長電弧至熄滅，以防止出現弧坑裂紋。打磨焊縫表面粗糙度不低于Ry12.5，待檢面及其鄰近至少25 mm范圍之內應是干燥狀態，無灰塵、油脂、棉織物、銹、焊劑、焊接飛濺、油或者其他妨礙探傷進行的外來物。為了盡量減小汽缸的變形和應力，應采用多層多道焊，所有焊接過程中均采用逐層逐道焊接，層間仔細檢查。自檢每層焊縫的表面質量，焊縫表面及其周圍20 mm內不得有任何裂紋、成排氣孔和長度＞1.5 mm的線性顯示，如發現有氣孔、夾渣、裂紋、未熔合等缺陷，應徹底清除，確認無焊接缺陷后才能繼續焊接。用A507焊條進行填充焊接，道間溫度控制在≤50℃，每道焊后目視檢查應無裂紋。

冷焊每1層后，錘擊焊縫約15 s，以消除應力或減小應力集中。錘擊的方法是先錘擊焊縫的中部，后錘擊焊縫兩端，錘痕排列應緊湊，錘擊的程度以肉眼清晰可見錘痕為準。必須把焊縫上的每點都錘擊到。最后1層焊道應覆蓋前一層焊道寬度1/3，且焊道長度不宜超過50 mm。每個補焊區焊接完畢，錘擊30 s，再對焊縫及其周圍150 mm的區域內進行局部均勻預熱至300℃左右，保溫時間約10 min后用保溫棉包裹，使其自然冷卻。

七、結束語

焊接及熱處理完成后，使用角磨機對補焊區與進行表面修磨。使之與母材圓滑過度，然后依據相關標準對補焊區與進行了各項檢驗。依據DL/T 869-2004《火力發電廠焊接技術規程》對補焊區與進行外觀檢驗，未見超標缺陷。對補焊區與進行滲透探傷檢驗，未見表面裂紋等缺陷存在。