660MW超超臨界汽輪機中壓隔板溝槽缺陷原因分析及焊接修復

陳彪

摘要：某電廠660MW超超臨界汽輪發電機組檢修過程中，發現汽機中壓缸#2-#7級靜葉隔板外環出汽側靜葉根部附近存在大面積溝槽，經分析認為汽輪機中分面部位葉片接合部位配合不良導致靜葉根部部位出現蒸汽紊流是缺陷形成的主要原因。隔板外環材質1Cr9MoVNbN和1Cr12Mo為馬氏體耐熱鋼，具有較高的冷裂敏感性，同時部件對變形控制要求較高，為此制訂了合理的焊接工藝，采用鎳基焊材氬弧焊冷焊焊接，焊后進行錘擊消除應力，控制層間溫度小于60℃，打磨修型后表面探傷合格。成功焊接修復后已運行2年多，開缸檢查未發現問題。

1 概況

某電廠安裝四臺某汽輪機廠生產的CCLN660-25/600/600型660MW超超臨界汽輪發電機組，其#2機組于2009年4月投產。2014年5月檢修過程中，發現汽機中壓缸#2-#7級靜葉隔板套出汽側靜葉根部附近存在大面積溝槽。吹損溝槽均處于靜葉片出汽側根部密封焊部位，如不進行處理，吹損溝槽繼續擴展，將勢必導致靜葉脫落，嚴重威脅機組運行安全。中壓缸隔板套及靜葉材質為：1-4級1Cr9Mo1VNbN，5-7級1Cr12Mo。

2 缺陷成因分析

2.1 缺陷宏觀檢查

缺陷溝槽缺陷均分布于隔板出汽側，緊鄰出汽側靜葉根部，與汽封之間有稍許距離，其中#2～#7級靜葉部位吹損溝槽總數約為38處，吹損溝槽深度為1～5mm，寬度為3～6mm，溝槽長度50mm～250mm。部分缺陷溝槽形成尖角型尾部，表明缺陷形成原因可能與氣流吹損有關。

缺陷于隔板圓周方向整圈均有分布，在不同方向深度和寬度略有差別。

2.2 結構分析

在正常工況下，靜葉根部部位盡管動葉與隔板外環存在徑向間隙，但由于動葉葉頂汽封的存在，主要蒸汽均通過做功通道進入下一級，靜葉根部部位的汽流相對較小，在靜葉根部周向汽流幾乎可以忽略不計，不太可能形成周向吹損溝槽。

同時，現場檢查發現，在隔板中分面部位，靜葉出汽側的型線與其它部位存在細微的差別，即正常部位靜葉為整體件，而在中分面部位，靜葉不能整體制作，因此在靠近隔板內外環附近因配合需要適當減少了葉片工作面面積，蒸汽因此在中分面部位經由此間隙透過靜葉在靠近外環部位產生了周向汽流，進而經過較長時間的運行而產生了吹損溝槽。

3 焊接性分析

中壓缸靜葉隔板套材質分別為1Cr9Mo1VNbN和1Cr12Mo，兩種材料均為馬氏體型耐熱鋼，具有較高的淬硬性，基本上在所有冷卻條件下選用同質焊材的焊縫和熱影響區焊后狀態的組織為硬脆的馬氏體組織（或少量鐵素體組織），其焊態最高硬度值可達450HV[1]。因中壓缸隔板套厚度大，不可避免的焊接拘束應力高，在焊接過程中要求必須嚴格控制擴散氫含量，采取適當的焊前預熱和焊后緩冷措施，以盡量避免焊接過程冷裂紋。馬氏體型不銹鋼導熱性較碳鋼差，易導致熱影響區出現更為陡降的溫度梯度，加上組織轉變時的體積變化，可引起較高的內應力，從而進一步提高了冷裂傾向[2]。為降低焊縫內應力，避免焊后冷裂紋的發生，采用同質焊材時，焊后必須進行高溫回火處理。

然而1Cr12Mo這種馬氏體型耐熱不銹鋼還具有一定的高溫回火脆性，有研究顯示1Cr12Mo鋼二次回火溫度大于480℃時其沖擊性能快速下降，部分不能滿足標準要求[3]。同時中壓缸隔板套的焊接修復對變形控制要求高，較高的預熱溫度、層間溫度和焊后熱處理溫度對于控制變形極為不利。因此，針對此次焊接修復的特點，決定選擇采用鎳基焊材冷焊，焊后不進行熱處理的焊接工藝進行焊接修復。

4 焊接修復工藝

4.1 缺陷消除及坡口準備

采用氣動砂輪小心的將隔板套出汽側位置吹損溝槽及裂紋打磨去除，注意不能傷及靜葉片，并盡量使其平滑過渡。滲透探傷確認缺陷去除干凈，溝槽及吹損部位打磨去除氧化皮露出金屬光澤，滲透探傷確認待補焊部位沒有缺陷。用丙酮仔細清洗待補焊區域及其周圍10mm-15mm范圍內，不允許有油污、銹斑、水等任何影響焊接質量的污物存在。

4.2 焊接工藝

采用ErNiCr-3焊絲手工鎢極氬弧焊方法進行補焊，焊絲規格φ1.6mm，焊絲使用前用丙酮（分析用純丙酮）擦拭干凈，直流反接，焊接電流：60-100A，氬氣流量：9-14L/min。

4.3 焊接注意事項

焊接時采用小電流短電弧短焊道快速斷續焊接，每焊道長度不宜大于50mm，順序焊接的兩焊道間長度方向間距不宜小于兩焊道長度的最大值，以盡量減小焊接線能量和降低焊道的寬深比。焊接過程中應使用起弧、熄弧的薄弱區交錯分布，收弧時填滿弧坑，斷弧后焊槍停留于收弧點繼續充氬保護不小于5s。

焊道排列整齊，焊道之間要有三分之一的覆蓋量，焊縫與坡口邊緣母材圓滑過渡。每道焊接完成，焊縫熔敷金屬處于中高溫時采用電錘或氣錘對焊縫表面進行捶擊，錘擊時，盡可能地向焊縫的橫向錘擊，使焊縫金屬盡可能橫向伸展，并且錘擊要稠密、輕快而均勻。每道焊接前需待前一道焊縫冷至60℃以下（手模不燙）方可實施焊接。焊接過程中焊工要隨時進行自檢，逐道進行檢查，發現裂紋應立即鉗工打磨去除，重新焊接。

4.4 焊后檢驗

補焊區域宏觀檢查，發現氣孔、咬邊應修磨圓滑過渡;宏觀檢查合格后進行滲透探傷檢查，補焊區及熱影響區無缺陷即為合格。

5 結束語

靜葉隔板套出汽側靜葉根部附近的大面積溝槽，因中分面部位蒸汽透過靜葉間隙在靠近外環部位產生了周向汽流吹損形成。選擇適當的焊接材料并制訂了合理的焊接工藝，成功焊接修復了中壓缸靜葉隔板，焊接修復后至今已運行2年多，開缸檢查未發現缺陷進一步擴大。

1、周鑫磊， 劉文進， 周瑞，等. 電站閥門用高合金耐熱鋼焊接工藝的分析[J]. 閥門， 2011（5）：16-20.

2、夏福慶， 郝永華. 火力發電廠300MW機組汽輪機隔板靜葉片裂紋的焊接修復[J]. 金屬加工：熱加工， 2007（12）：30-30.

3、袁達， 方順發. 1Cr12Mo鋼的高溫回火脆性研究[J]. 熱處理， 2008， 23（4）：35-39.