ZG15Cr1Mo1V鑄件熱補焊技術

馬志寶， 李鳳強， 陳鑫， 高大偉， 劉彥如， 郭德瑞

(1.大唐華北電力試驗研究院，北京 100040；2. 大唐國際發電股份有限公司北京高井熱電廠，北京 100041)

0 前言

蒸汽參數為540 ℃亞臨界機組中的高中壓內外缸、噴嘴室和高溫閥門的閥殼等鑄件多采用低合金ZG15Cr1Mo1V鋼或2.25Cr1Mo鋼制造。與2.25Cr1Mo鋼相比，ZG15Cr1Mo1V鋼的高溫持久強度較好，可減少設計壁厚，減少零件的熱應力，但鑄造工藝性能較差。近年來，通過提高鋼水的純凈度，采用Ti脫氧等技術，使ZG15Cr1Mo1V鋼的鑄造工藝性能有所改善，制造的汽缸與閥殼等大型鑄件的質量有較大提高[1]。同時，早期蒸汽參數為566 ℃的超臨界機組及600 ℃的超超臨界機組中的高中壓內外缸也有采用ZG15Cr1Mo1V鋼，因此在役機組中存在大量的采用ZG15Cr1Mo1V鋼制造的鑄件。

近年來，ZG15Cr1Mo1V鋼鑄件在運行中出現大量開裂現象，國內外進行了大量的失效分析和焊接修復工作[2-10]。汽缸裂紋修復一般采用2種方法：熱補焊法、異質冷補焊法。異質冷補焊工藝主要采用鎳基焊條，工藝簡單、工作量小，并且不需熱處理，工件不會產生大的變形，但是也存在與母材線膨脹系數不同，異種金屬界面承受熱疲勞性較差，不能保證長期高溫運行等缺點。目前，對于現役機組ZG15Cr1Mo1V鋼鑄件主要采用異質補焊法，文獻[4]采用ENiCrFe-1焊條補焊3次才成功，文獻[5-6]分別介紹了采用ENiCrFe-3焊條對ZG15Cr1Mo1V閥門和主汽門進行了異質冷補焊，但均未提及較長時間運行安全性。

熱補焊法采用與汽缸材料相同的焊條，焊前對汽缸進行整體預熱，焊后進行整體高溫回火。由于焊縫與母材同材質，強度相當、線膨脹系數相當，在汽缸服役過程中不會因為受熱、受力等問題出現應力集中或應變集中，能達到滿意的補焊效果。但熱補焊法較大的弊端就是，焊前預熱及焊后熱處理都有可能使工件發生較大不均勻變形，且在電廠中實施起來較為困難，特別是現場熱處理難度大。文獻[9]針對超臨界機組的高壓內缸下半裂紋缺陷，采用同質熱補焊，但是焊后采用火焰進行局部熱處理，熱處理效果得不到保證，將影響接頭長期服役性能。文獻[3]嘗試采用試驗室模擬的方法對ZG15Cr1Mo1V進行了熱補焊后組織和性能的研究，但是缺乏現場大鑄件實際修復檢驗。

文中對某9FB燃氣-蒸汽聯合循環電站機組中壓再熱聯合閥鑄件裂紋進行了同質熱補焊，采用整體包覆電加熱片的熱處理方式進行了焊接修復，運行近4年來，質量良好，為同類鑄件的現場焊接修復提供技術參考。

1 中壓再熱聯合閥裂紋情況

國內某9FB燃氣-蒸汽聯合循環一拖一機組，其汽輪機中壓再熱聯合閥采用ZG15Cr1Mo1V鑄造，工作溫度566 ℃，工作壓力2.8 MPa。在2018年的B級檢修中發現右側中壓再熱聯合閥存在裂紋，裂紋位于進汽口與閥體交匯處R角位置，裂紋長度180 mm，如圖1所示。

圖1 裂紋位置及尺寸

2 焊接修復

中壓再熱聯合閥屬于大型鑄件，備件制造周期長，交貨期至少需要半年以上，這還不包括招投標和更換工作。因此計劃對缺陷進行焊接修復。

2.1 缺陷清除

采用角磨機、旋轉銼等工具進行打磨消缺工作，每打磨一定深度后進行滲透檢測，直到無裂紋顯示為止。缺陷清除后的形貌如圖2所示，尺寸為320 mm×80 mm×70 mm。

圖2 缺陷形貌

2.2 焊前準備

焊前準備如下：①參加焊接的焊工，必須具有相應考核合格項目的Ⅰ類焊工承擔；②焊道采用機械打磨方法清除裂紋缺陷，打磨出金屬光澤。并打磨平緩或加工成具有1∶3及以下坡度的斜坡，并修整成便于焊接的凹槽再進行焊接；③確保坡口周圍50 mm范圍內應是干燥狀態，清除銹蝕、油污等污物，并打磨出金屬光澤；④焊條焊前需進行350 ℃×1 h 烘干處理，烘干后的焊條應放在80～120 ℃的保溫筒內隨用隨??；⑤焊接預熱前須將閥體內部部件拆除，并將加熱側的管口進行保溫封堵，以確保升降溫不受影響。

2.3 焊接

焊接工藝參數見表1。施焊前采用電加熱片對整個閥體進行包裹加熱，升溫至250 ℃，確保焊接區兩側各不少于300 mm范圍內溫度在200 ℃以上，采用焊條電弧焊接，層溫控制在200～250 ℃之間。

表1 焊接工藝參數

采用多層多道焊，焊條不擺動，后焊道壓先焊道1/3～1/4，單層焊縫厚度不超過焊條直徑，收弧時應將焊接弧坑填滿。每條焊縫長度應不大于單根焊條施焊長度，否則應采用逆向分段焊方式，以使應力分布合理。除打底層焊道和蓋面焊道外，每一層焊接完成后立即用手錘錘擊均勻敲擊(力度應適中)焊縫表面，以減小初始焊接所產生的應力，錘時應先錘擊焊道中部，后錘擊兩側，并要緊湊整齊，避免重復；同時用肉眼檢查焊縫表面是否有焊接缺陷，有缺陷打磨消除，無缺陷繼續下層次焊接。焊接過程如圖3所示。焊接工作結束后，焊工應進行自檢，清理打磨焊縫表面，使其與閥殼相鄰表面齊平且圓滑過渡，確認表面無裂紋之后，立即進行焊后熱處理工作。

圖3 焊接過程

2.4 熱處理

熱處理工必須經過專業培訓，取得資格證書，持證(有效期內)上崗。熱處理工穿戴好勞動防護用品，防止燙傷。至少2人參與作業。采用程序自控熱處理機進行焊后熱處理按圖4工序流程進行。

圖4 焊后熱處理操作流程

加熱片及熱電偶布置如圖5所示，對閥體鑄件進行整體布置加熱，并用保溫棉將閥體整體包覆。焊后熱處理曲線如圖6所示，以60 ℃/h的升溫速率升溫到725 ℃，保溫4 h，然后斷電冷卻到室溫。

圖5 加熱片及熱電偶布置

圖6 焊后熱處理曲線

2.5 質量檢驗

外觀檢驗：補焊區外觀成形良好，未見裂紋、未熔合、氣孔、夾渣等缺陷。無損檢測：對補焊區和周圍進行MT檢測，未發現磁痕顯示。理化檢測：使用便攜式布氏硬度計對補焊區和母材進行測量，補焊區硬度為245 HBHLD左右，周圍母材硬度值為130 HBHLD左右，組織變化不大。

3 分析與討論

3.1 ZG15Cr1Mo1V焊接性分析

ZG15Cr1Mo1V是一種綜合性能較好的珠光體類耐熱鋼，可在570 ℃以下長期工作。ZG15Cr1Mo1V的化學成分見表2，符合標準JB/T 10087—2016。但是該鋼在鑄造過程中容易出現熱裂紋，危害性較大。ZG15Cr1Mo1V鑄件熱處理工藝為：1 050 ℃噴霧+715～725 ℃爐冷，經過性能熱處理后，高溫持久性能優良，常溫下沖擊吸收能量為50～80 J[10-11]，韌性偏低，抗裂性較差。

ZG15Cr1Mo1V鋼的焊接性主要包括焊接冷裂紋和熱裂紋。采用國際焊接學會(IIW)及日本JIS推薦的碳當量式(1)和式(2)[12]計算，CE=0.84，Ceq=0.86。

(1)

(2)

碳當量在0.45以下時，焊接冷裂紋傾向較小。ZG15Cr1Mo1V的碳當量達到0.8以上，具有較大的淬硬傾向，極易產生冷裂紋。在Cr-Mo鋼中， Nb，V加入會增加鋼對再熱裂紋的敏感性，ZG15Cr1Mo1V鋼具有一定的再熱裂紋傾向。因此，ZG15Cr1Mo1V鋼焊接時，采用低氫、塑韌性好的焊接材料，通過焊前預熱，控制層間溫度和熱輸入，減小熱影響區的寬度，可有效控制冷裂紋和再熱裂紋的產生。

3.2 焊接修復要點分析

3.2.1裂紋性質判斷

修復之前要對鑄件的裂紋性質做出判斷，明確開裂機理，對焊接修復具有針對性的指導意義。該次鑄件開裂位置為聯合閥體R角位置，為應力集中部位，且開裂位置為鑄件原始補焊區，應力開裂的可能性較大。

3.2.2補焊的可行性分析

修復之前要對缺陷周圍的母材成分、組織和性能情況進行檢測，確認閥體是否具備補焊條件。如果母材組織老化嚴重，焊接性就非常差，已經失去修復意義。該次修復閥體母材硬度在140～230 HBHLD之間；母材金相組織為鐵素體+貝氏體，組織老化3級，具備焊接修復條件。

3.2.3補焊方法的選擇

目前，鑄件現場修復多采用焊條電弧焊或氬弧焊焊接工藝方法。需要綜合分析裂紋的大小和深度、鑄件性能、焊接位置、修復工期等因素，一般來說，氬弧焊焊縫的抗裂性能要由于焊條電弧焊，這是由于氬弧焊熱輸入小，又有氬氣保護，焊縫中氣體含量低，焊縫純凈，但是焊接修復效率低；而焊條電弧焊熱輸入大，焊接效率高，但同時存在保護效果不佳，空氣易侵入焊縫造成焊縫不純凈的劣勢。因此，要根據現場情況靈活選擇。該次鑄件修復直接采用焊條電弧焊打底、填充和蓋面，取得良好綜合效果。

3.2.4焊后熱處理效果的控制

該次修復的中壓聯合閥體鑄件較大，且閥體上部閥瓣閥芯等部件已拆出，散熱較快。為保證閥體鑄件整體熱處理時溫度場的均勻性，將閥體內部用保溫棉塞滿，同時將與閥體連接的管道上的閥門全部關閉，避免管道內部穿堂風的影響。為確保升降溫速度均勻，閥體表面整體布置加熱器或加熱繩，確保貼緊閥體并綁扎牢固。熱電偶控溫點布置在焊縫的頂部及兩側，焊縫對面及閥體內壁位置各設一個監控溫度點，并與被加熱閥體表面緊密接觸。鑒于鑄件本身的硬度值富余量不大，經過焊后熱處理后勢必會下降，故將熱處理溫度選擇在標準要求的下限725 ℃，最大程度減少鑄件性能的下降。

通過以上操作，確保了整個鑄件溫度場的均勻性，最大程度的消除了焊接應力，同時最大限度減小了由于溫度場不均勻產生的附加熱應力，為鑄件的后續安全長周期運行打下堅實的基礎。

3.2.5補焊后質量檢驗

補焊后要對補焊區域質量進行檢驗，如磁粉、超聲、硬度、金相等。這也是對修復工藝的可行性和質量的檢查，同時對修復區域后續安全穩定運行至關重要。該次修復磁粉檢驗合格，表面無裂紋；超聲檢測受限，無法實施；焊縫硬度為245 HBHLD，周圍母材硬度相較于補焊前略有下降，但已經低于標準要求下限，鑒于金相組織正常，老化3級左右，且壁厚大于最小計算壁厚，可監督運行。

4 結論

(1)大型鑄件用ZG15Cr1Mo1V鋼的焊接性較差，鑄件母材韌性不高，對焊接工藝要求比較嚴格，焊接時宜采用小熱輸入，薄焊道，合適的預熱及層間溫度及合理的焊后熱處理參數。

(2)采用同材質熱補焊的工藝方法，同時進行整體熱處理方式，成功修復了某電廠中壓再熱聯合調閥ZG15Cr1Mo1V鋼鑄件，至今已安全運行4年。