汽轮机汽缸裂纹修补技术研究应用

【摘 要】汽缸裂纹修补需慎重对待，如处理不好会导致裂纹扩展，或裂纹反复出现，使得汽缸无法使用。修补时要仔细分析缸体材质、结构应力、焊接工艺等，确保裂纹修补成功。

【关键词】汽轮机；缸体；裂纹；修补

0.引言

汽轮机缸体壁厚极大、缸体内外壁均为变截面和曲面设计，型线不规则，在铸造过程中，局部位置存在应力过大、组织疏松等缺陷。运行中因热应力变化，使得缺陷位置产生裂纹。缸体材质为珠光体类热强铸钢，塑性小可焊性较差，焊接难度较大易产生裂纹。裂纹缺陷对机组的安全运行存在极大威胁，及时修复这些缺陷，对保障机组安全经济运行具有重要意义。

该工艺的现场实施难点在于采用进行严格的焊接工艺控制，防止焊接过程中产生热裂纹和缸体变形。处理裂缝时制定工艺要准确，如有失误会使裂缝扩展，情况严重时可导致缸体报废。

1.缸体裂缝情况

达拉特发电厂#4机330mw汽轮机是北京汽轮机厂与法国阿尔斯通公司合作生产的机组，型号：T2A-330-30-2F-1080。大修解体时发现中压内缸进汽侧内壁有三条裂缝，连续长度11cm。裂缝如下图一。

图一 缸体裂纹状态

为保证汽缸在以后能够安全运行，我们准备对裂缝进行焊接处理。处理时，先在缸体内壁裂缝上开挖沟槽，打磨消除裂纹，开挖后发现沟槽深40mm、长110mm、宽30mm。缸壁的厚度为120mm，裂缝深度占缸壁厚度的三分之一。着色检查，沟槽附近的金属组织有疏松现象，在修复过程中这里极易产生新的裂纹，制定焊接工艺时主要防止焊道金属在冷却收缩时产生过大拉应力，在焊缝周围出现焊接裂纹，影响汽缸使用安全。

2.缸体裂纹形成原因

因缸体材质是珠光体类热强铸钢，塑性比较低，断面收缩率Ψ小于30[1]，在大型不规则铸件中易产生裂纹。运行过程中，汽缸温度冷热变化剧烈，也会促使裂纹生成，尤其在内缸内避表面更容易出现。

2.1缸体铸造过程中应力形成原因

汽缸是大型铸造部件，汽缸壁较厚[2]，如图二，在铸造冷却或热处理冷却过程中，如冷却速度不均匀。尤其外壁冷却速度快于内壁冷却速度，外壁冷却凝固后内壁才开始冷却收缩，在内壁层会形成极大的拉应力，严重时当时就会出现裂纹。汽缸凹陷部位产生的缺陷多数是因铸件铸造冷却速度不均匀引起的，图三是一机组内缸凹陷部位热应力裂纹的着色图。

图二 汽缸壁刨面图

图三 汽缸凹陷部位裂纹着色图

2.2运行中缸体裂纹形成原因

当机组蒸汽温度发生大幅度变化时，汽缸的内外壁温度变化也较大，汽缸表面层热应力变化很大，因汽缸材料塑性差，在铸造时存在应力偏大的区域就会出现热疲劳裂纹。运行中，随着表面热应力的波动和交变，会促使裂纹扩展，逐渐形成危及设备安全的隐患。

3.焊接前的工艺选择

焊接过程中要先将裂纹清除干净并去除裂纹周边有缺陷的金属组织，防止裂纹扩展。焊接时也要防止填充金属冷却时将母体组织拉出裂纹。

根据缸体材质、结构，制定工艺时要注意以下环节：

（1）焊条选择合适，法国阿尔斯通公司将中压内缸缸体材质编号为B64J-V，相当于中国的合金钢ZG17CrMoV5-11。这是一种综合性能较好的珠光体类热强铸钢，可在570℃以下长期工作，该钢易产生裂纹，焊接性能较差，焊接时为了防止焊后出现裂纹，焊接前应预热和焊后应回火处理，回火温度720℃[5]。焊条选用耐热钢焊条R407L，该焊条用于铬钼类珠光体耐热钢[1]。；（2）裂纹修磨干净，防止内裂纹在焊接和运行中扩展[4]；（3）焊前、焊后局部加热，减少焊接应力；（4）中间层焊道要用小锥型气锤全焊道敲击除应力；（5）焊接过程中，焊道焊层尽量减少对母体的拉应力，焊道截面如图四所示，焊道要进行多层凹型焊接且圆滑过渡，杜绝采用平直型焊道，免得在冷却收缩时对母体产生拉裂纹。

图四 焊道截面图

4.焊接工艺的制定

4.1焊前准备工作

（1）焊条采用R407L，均为φ3.2。焊条在使用前，均应按照焊条使用说明进行烘干。

（2）修磨裂纹，采用砂轮或旋转锉清除裂纹。经着色检查确保裂纹清除后，方可准备焊接。

（3）焊接部位局部用烤枪预热到150-200℃，烘烤范围以焊接部位为中心直径200mm范围内，保证缸体内外壁热透，加热均匀。

4.2焊接过程注意事项

（1）焊接采用手工电弧焊，用R407L焊条φ3.2进行施焊I=90-120A。

（2）采用小电流，多层多焊道，保证层间温度大于200℃。注意层间清理，清渣要干净。

（3）采用短弧焊，起落弧位置要错开，各层间焊道垂直（宽焊道）。

（4）除底层和表层外，每焊接一道，在红热状态下，对焊道进行锤击除应力[3]。

（5）焊接高度高出母材2-4mm。

4.3焊后处理要求

（1）用烤枪在焊道表面及周边200mm范围内烘烤10分钟，然后用石棉布包裹缓慢冷却。 （下转第161页）

（上接第35页）（2）打磨焊缝表面与母材圆滑过渡。

（3）焊后检查：着色检查，检查标准JB/T6062-92，二级合格。

5.结论

按照上述工艺对汽缸裂缝进行焊接，焊接质量较好，没有任何焊接缺陷，说明我们制定的汽缸焊接工艺在短裂缝上进行焊接是可行的，但这种方法没有在裂缝较严重的缸体上进行焊接实验，为防止焊接时缸体因变形或裂纹扩展而损坏，借鉴此工艺时要持审慎的态度。

【参考文献】

[1]姜求志，王金瑞，马士林.火力发电金属材料手册厂[S].北京：中国电力出版社出版，2014：6-7.

[2]席洪藻，王培基，刘恕义.汽轮机设备及运行[M].北京：水利电力出版社出版，1988：258-290.

[3]国家能源局，DL/T869-2012DL/T753-2001，火力发电厂焊接技术规程[S].北京：中国电力出版社出版，2012：4-10.

[4]国家经济贸易委员会，DL/T753-2001，汽轮机铸钢件补焊技术条件[S].北京：中国电力出版社出版，2001：3-5.

[5]国家能源局，DL/T819-2010，火力发电厂焊接热处理技术规程[S].北京：中国电力出版社出版，2010：7-11.