水電站大型進水球閥閥體鑄造質(zhì)量缺陷處理

姜學謙+張辰

摘要：在電站機組檢修過程中，Cr-Mo鑄鋼閥體閥門開裂的現(xiàn)象較為常見，其原因大多是Cr-Mo鋼閥鑄件的生產(chǎn)制造中存在缺陷。在認真分析Cr-Mo鋼的金屬性能以及熱加工性能的基礎(chǔ)上，采用鎳基焊條冷補的方法，嚴格遵循焊前、焊接以后焊后處理的相關(guān)要求，能夠?qū)r-Mo鑄鋼閥體閥門進行修復，并收到較好的修復效果。

關(guān)鍵詞：Cr-Mo鋼；閥體閥門開裂；補焊工藝

大型鑄造閥門是電站金屬技術(shù)監(jiān)督的重要部件之一，由于其應用范圍很廣，一旦出現(xiàn)問題將會造成巨大的損失。Cr-Mo鋼是一種合成材料，很有較多的合金元素，具有很好的耐腐蝕性和耐熱性，能夠在高溫下保持良好的工作性能，近些年，因為大型鑄件存在的裂紋缺陷造成了很多惡性事故，嚴重維系到機組運行的安全性和可靠性，電站工作人員必須對裂紋的形成原因進行分析，根據(jù)實際情況選擇合適的補焊工藝，保證機組的安全運行。

1.Cr-Mo鋼的性能

Cr-Mo鋼含有Cr、Mo和V等合金元素，其合金系統(tǒng)包括Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-W-V-B以及Cr-Mo-V-Ti-B等，其中，Cr元素能夠與O結(jié)合形成Cr2O3和FeO？Cr2O3等致密的合金氧化膜，合金氧化膜能夠與鋼部件表面牢固結(jié)合，能夠阻擋氧原子以及一些腐蝕性物質(zhì)向鋼材內(nèi)部進行擴散，因此能夠提高Cr-Mo鋼的抗氧化性能和高溫耐腐蝕性能。Cr-Mo鋼中的鉻元素含量達到13%及以上時，鋼材的耐腐蝕性能將會大大提高，此時，Cr-Mo鋼將變成不銹鋼。Mo是一種高熔點的金屬，Cr-Mo鋼中含有的Mo元素能夠形成單相固溶體，可以阻擋原子的擴散或自擴散過程，增加原子之間的結(jié)合力，即便在較高的溫度條件下也能夠避免鋼件內(nèi)部的高強度不平衡組織發(fā)生再結(jié)晶轉(zhuǎn)變，從而提高Cr-Mo鋼的強度和耐熱性。V是強碳化物形成元素，碳化釩具有很高的硬度和熔點，晶體結(jié)構(gòu)非常復雜。釩的晶格結(jié)構(gòu)與鋼基體組織的晶格結(jié)構(gòu)存在差異，在高溫下具有很好的穩(wěn)定性，不會發(fā)生溶解，也不會聚集長大。在高溫下，釩能夠與周圍的組織產(chǎn)生很強的應力場，防止鋼組織發(fā)生錯位運動，因此也能夠提高Cr-Mo鋼的強度和耐熱性。以Cr-Mo鋼作為基礎(chǔ)的低、中合金一般都具有很好的抗氧化性能和耐熱性，在實際生產(chǎn)中被廣泛應用于蒸汽動力發(fā)電設(shè)備的制造。

大部分的耐熱Cr-Mo鋼存在鑄造工藝差、性能差的問題，鑄件的轉(zhuǎn)角及其他部位常常存在缺陷。水電站閥的閥體和閥蓋等鑄件一般厚度較大，因此大口徑Cr-Mo鋼電站閥的閥體和閥蓋逐漸經(jīng)常出現(xiàn)裂縫、砂眼等問題，而且缺陷大都出現(xiàn)在形狀突變處以及壁厚較大的地方。

2.缺陷的判定及處理

進水球閥的采購合同規(guī)定，球閥在出廠之間必須進行預裝，必須進行強度試驗、滲漏試驗和動作試驗，合格之后才能出廠。強度試驗中，球閥承受的水壓不，得低于5.1MPa，承受的油壓不能低于9.45MPa，試驗的持續(xù)時間一般為10min。在此期間，受壓部件沒有出現(xiàn)永久性的有害變形以及滲漏等情況者視為合格。空氣閥和伸縮節(jié)應當在5.1MPa壓力之下進行水壓試驗，出現(xiàn)滲漏者視為不合格。旁通閥應在5.1MPa壓力之下進行水壓試驗，允許出現(xiàn)點滴滲漏。滲漏試驗的壓力為2.7MPa，持續(xù)時間一般為30min，軸頸密封處、進水球閥以及閥殼分半面出現(xiàn)漏水現(xiàn)象則視為不合格。

根據(jù)JB/T 3595-93的規(guī)定，可以將Cr-Mo鋼鑄件存在的缺陷分為三級。去除缺陷之后，鑄件的壁厚大于圖紙的壁厚最小值則視為微缺陷；重缺陷分為以下三種情況：經(jīng)過水壓試驗滲漏；去除缺陷之后，鑄件的凹坑深度超過壁厚最小值的20%或25mm中的較小者；去除缺陷之后，鑄件的凹坑面積超過65cm2；輕缺陷介于微缺陷和重缺陷之間。JB/T 3595規(guī)定，存在微缺陷的鑄件需要進行打磨，實現(xiàn)與周圍區(qū)域的光滑過渡；輕缺陷大于5mm的鑄件應當進行補焊；對于存在重缺陷的鑄件，當凹坑面積在65cm2以上100cm2以下時應當進行補焊，補焊后要進行無損探傷檢查，達不到標準的鑄件要進行報廢處理。當缺陷的平均深度超過了壁厚的1/3，而且凹坑面積在100cm2以上時，應當經(jīng)由廠級主管技術(shù)負責人批準，按照規(guī)定的工藝進行補焊，否則應當報廢。裂縫處理過程中，同一部位的補焊次數(shù)不能超過2次，對于存在無法清除干凈的、大面積的氣孔、貫穿性裂縫等缺陷，且所在部位無法進行補焊，或者是補焊之后無法達到規(guī)定質(zhì)量也無法進行檢驗的鑄件應當不予補焊，直接進行報廢處理。

3.合理選擇補焊工藝

針對不同材質(zhì)、不同結(jié)構(gòu)的鋼鑄件，使用的補焊工藝不盡相同。常用的補焊工藝包括熱補法、異質(zhì)冷補法以及同質(zhì)冷補法，每種工藝都有自己的適用范圍和使用條件。熱補法和同質(zhì)冷補法需要對鋼鑄件進行整體熱處理從而消除焊接產(chǎn)生的殘余應力，因此不具備大型熱處理爐的工廠不能夠使用這兩種補焊工藝。異質(zhì)冷補法采用鎳基焊條，這種焊條具有很好的穩(wěn)定性、可塑性以及抗裂性，焊前不需要預熱，焊后也不需要進行熱處理，適合現(xiàn)場修復。異質(zhì)冷補法的工藝較為簡單，補焊成本較低，工作量比較小，產(chǎn)生的形變量也較小，具有較為廣泛的應用。

4.冷補焊工藝的操作要點

4.1裂紋挖除

Cr-Mo鋼鑄件的補焊方法與碳鋼和不銹鋼不同，由于補焊過程中，焊接熔池區(qū)域的溫度能夠達到2500℃以上，在焊接冷卻時可能產(chǎn)生馬氏體等硬脆組織，也可能產(chǎn)生裂紋，因此必須嚴格遵守焊接操作規(guī)范，減少一切不利因素的影響。補焊開始之前要烘焙焊條，將其放置在保溫筒中備用，鋼鑄件上的裂紋必須徹底挖除，先在裂紋兩端打上止裂孔然后再進行清理。裂紋挖除應當盡量采取機械加工方法，不能夠采用熱加工方法，避免裂紋繼續(xù)擴展。焊接區(qū)域周圍20mm內(nèi)的油污、銹蝕等都要清理干凈，缺陷清除之后要將其加工成熱加工方法，并采用滲透探傷等方法來檢測清除效果。

4.2坡口設(shè)計

補焊部位的坡口設(shè)計應合理，坡口過大會增加填充金屬量，擴大焊縫的熱影響區(qū)，坡口過小會影響焊縫、坡口以及母材的熔化效果，影響焊接質(zhì)量。坡口一般為U形，內(nèi)部應當平滑，不能出現(xiàn)尖角槽或者棱角，角度在20°左右。補焊過程中要嚴格控制形變量和焊接應力，盡量縮短工期。

4.3焊前預熱與焊接處理

焊接之前應對補焊區(qū)域進行預熱，預熱應均勻，溫度控制在200℃左右，可以一邊進行預熱，一邊用紅外測溫儀測量溫度。焊材選用一般選取ENiCrFe-3焊條，焊接時一般采用多層多道焊，第一層一般用直徑比較小（3.2mm直徑）的焊條，進行小電流短弧焊接，焊接時應固定焊條，不能出現(xiàn)擺動，之后可以選擇直徑較大的焊條，無需固定。焊接電特性參數(shù)須嚴格按照相應的焊接工藝評定。一般4.0mm焊條電流：140～180A，5.0mm：180～240A。

4.4打底層檢驗

每焊接一道焊縫之后都要進行焊渣清理，復層焊接應當控制層間的溫度，一般在300℃以下為宜。焊接完打底層之后要用石棉被遮蓋補焊區(qū)對其保溫，當其溫度降至室溫后開始進行磁粉檢驗，確認沒有缺陷之后再進行填充層的焊接，這樣的處理方式能夠提高一次焊接成功的幾率。補焊完畢之后要將補焊區(qū)域周圍的焊接飛濺清理干凈，并對焊縫進行打磨，使焊縫與周圍區(qū)域?qū)崿F(xiàn)圓滑過渡。補焊完畢之后還要對補焊區(qū)域進行超聲探傷評定，評定等級達到三級則視為合格，必要時還要進行磁粉探傷或者著色探傷評定。

4.5錘擊焊道

焊接過程中要錘擊除打底層焊縫之外的各層焊縫，每焊接30 mm應立即使用圓頂錘進行順序跟蹤錘擊，直到焊縫上布滿麻點為止，從而有效消除焊接應力。

結(jié)語：

球閥的制造質(zhì)量對于保證機組的安全運行至關(guān)重要，尤其是對于大型球閥，更要注重其質(zhì)量控制，防止球閥存在先天性不足而給水電站的運行埋下安全隱患。在球閥的制造和驗收過程中應特別注意Cr-Mo鋼閥體鑄件的質(zhì)量，從Cr-Mo鋼的金屬學原理出發(fā)，采取合適的鑄件補焊工藝并嚴格執(zhí)行，能夠很好的解決Cr-Mo鋼鑄件存在的缺陷和問題，能夠達到和滿足Cr-Mo鋼電站閥門的力學性能要求。

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