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学校地址：湖南省 长沙市 雨花区 树木岭路330号 |
330MW汽轮机末级叶片裂纹焊接修复工艺
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| 赵建仓1，杨 富2，曾富强3，雷凌波4，赵毓杰4 （1. 苏州热工研究院，江苏省 苏州市 215004；2. 中国电力企业联合会，北京市 100761；3. 西北电建一公司，陕西省 渭南市 714000；4.陕西华电蒲城发电有限责任公司，陕西省 蒲城市 715501） | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 摘要： 针对汽轮机末级低压缸2Cr13钢叶片出现的大量裂纹，对比分析了含裂纹叶片割除与补焊修复处理方案的优缺点；通过叶片裂纹补焊工艺试验，确定采用镍基焊接材料的TIG焊接工艺，并成功地补焊修复了大量叶片裂纹。汽轮机叶片拉筋也可采用镍基焊材、TIG焊接方法进行焊接，这为单个叶片的更换提供了方便。该工艺具有一定的技术、经济价值，具有推广应用前景。 关键词： 汽轮机；末级叶片；叶片拉筋；裂纹；焊接修复；工艺 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 关键词： 汽轮机；末级叶片；叶片拉筋；裂纹；焊接修复；工艺 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 0 引言
某火电厂引进罗马尼亚330MW亚临界燃煤发电机组，其汽轮机低压缸部分转子叶轮叶片材质为2Cr13马氏体不锈钢，介质温度约200℃，叶轮转速为3 000r/min。至2003年10月31日，机组已服役41 000h，在检修中发现低压缸近电侧末级叶片有少量断裂，着色探伤发现末级叶片近叶片根部存在大量长度不等的裂纹。 汽轮机叶片为高速转动部件，对汽轮机乃至整套机组发电起决定性作用，叶片出现裂纹会给机组的运行安全性造成很大威胁。 厂方及时组织相关高等院校、科研院所及施工单位进行了原因分析，并决定先抢修处理，再整体更换叶片。抢修可采用整级叶片切除和补焊修复裂纹2套技术方案。 1 汽轮机末级叶片空气等离子切割工艺及评价 根据汽轮机末级叶片裂纹处理专家联席会议决定，对2号汽轮机末级叶片采用整级空气等离子切割（以下简称“空割”）工艺切除叶片的技术方案。为确保空割工艺对汽轮机转子的影响降到最小，正式切割前进行了叶片空割工艺试验。 1.1 叶片空割工艺试验 1.1.1 试验条件 (1) 试件：形状、结构及材质（2Cr13钢）相同的叶片。 (2) 设备：G120-D型空气等离子切割机，3W-0.8/10型空压机。 (3) 工艺规范：切割电流为140～150A，压缩空气为0.4～0.45MPa，喷嘴与工件距离为6～8mm，切割速度60cm/min，单个断面切割时间7～8s。 1.1.2 试验要求 以叶片与****接触面为基准，在分别距****40、90、130mm处进行切割，并测量各点的温度，确定空割对汽轮机****的热影响程度，并检测空割切口的粗糙度、硬度和表面情况。 1.1.3 试验结果 (1) 空割叶片割口粗糙度基本符合技术质量要求，割口平均硬度为HRC45。 (2) 在割口距基准线40、90、130mm处测得温度分别为85℃、26℃、20℃。试验表明，叶轮****未受空割加热的影响，变形为0。 （3）割口表面着色探伤未发现裂纹等缺陷，检验合格。 1.2 叶片空割工艺实施 （1） 汽轮机转子保护。采用石棉布或1.5mm钢皮整体罩面保护叶轮，并用湿石棉布保护主轴。 （2） 空割工艺规范按工艺试验规范执行。 （3） 空割位置及顺序。在叶片外拱面使叶片径向轴线处于水平位置，并旋转叶轮对称空割，以降低热应力。 （4） 根据叶片弧度及厚度的变化，及时调整等离子弧角度及喷嘴与叶片表面的距离，以降低割口粗糙度。 （5） 等离子弧中心定位在切割线上，并始终在切割线上运弧，保持等离子弧稳定性，以确保切割叶片余留高度误差在规定范围内。 （6） 重新切割叶片要求根部温度≤100℃。 （7） 叶片割口的清理、修磨、处理。 1.3 叶片空割工艺评价 (1) 优点。切割工艺简单，经焊接修复的叶片无再裂问题。 (2) 缺点。①整体工序复杂。因空割难以在缸内进行，须将转子吊出并支承在固定架上，因而增加了转子吊装及检验工序。②发电效率会受到损失。因整级180余叶片割除，汽轮机做功能力降低，导致2号机组损失发电量30～40MWh。③破坏了转动平衡。因割除叶片后，叶片根部余留高度不同，使叶轮重心偏移，从而引起较大振动，需采用配重方法予以解决。 因此，整级叶片空割不仅工序复杂、机组性能降低，而且造成较大的损失，此方案不可取。 2 末级叶片裂纹修复性焊接及工艺试验 2.1 叶片裂纹情况 着色探伤发现1号汽轮机末三级靠电侧的3片、靠汽侧的10片叶片共有18条裂纹，均为从叶片拱弧薄边缘横向向叶片内延伸。裂纹最大长度达20mm，单叶片最多达4条裂纹，单叶片多裂纹最小间距为25mm，裂纹距叶顶最大距离为280mm（叶片高度为318mm）。具体情况如图1所示。
+为正转；-为逆转；不带波纹符号“～”的数字为裂纹位置尺寸，即裂纹距叶片顶端的距离，mm；带有“～”的数字为裂纹长度 图1 叶片裂纹位置尺寸示意图 2.2 叶片裂纹修复焊接性能分析 2Cr13属典型的简单成分马氏体不锈耐热钢，其化学成分及常温力学性能见表1和表2。 由表1知，2Cr13钢碳含量较高，合金含量高，在焊接时易产生淬硬的马氏体组织。由表2知，该钢强度较高而塑韧性偏低，因此焊接时产生冷裂纹的可能性很大；同时该钢的成分特点使其焊缝组织往往处在马氏体-铁素体之间，会产生粗大的马氏体组织，会降低接头的塑性和韧性［1］。 表1 2Cr13钢的化学成分 Wt%
表2 2Cr13钢的热处理制度及常温力学性能
经补焊后已运行40 000余h的2Cr13钢叶片，其性能受到工况的不利影响后，增大了焊接的难度。为了防止2Cr13钢叶片补焊时产生冷裂纹，保证接头性能，则应进行必要的焊前预热，并采用热量集中的焊接方法，以控制焊接线能量和冷却速度。 2.3 叶片裂纹修复工艺方案可行性分析 2.3.1 选用镍基焊接材料 NiCrFe-3焊丝熔敷金属化学成分及常温力学性能列于表3。 表3 ERNiCrFe-3焊丝熔敷金属（Wt%）及常温力学性能
由表3可知，ERNiCrFe-3焊丝化学成分中Cr的含量与2Cr13钢相近；焊缝金属中59%的Ni含量不仅使其塑性提高，同时还降低了裂纹的可能性，改善了焊接性能；镍基焊材熔敷金属抗拉强度比2Cr13钢低100MPa，按低匹配原则可行，但熔合比的作用会使焊缝金属强度提高；镍基焊材塑性指标高于2Cr13钢14%，因此形成的补焊焊缝为低强度高塑韧性，有利于防止裂纹产生［2］。 2.3.2 钨极氩弧焊方法 钨极氩弧焊方法属于低氢焊接法，能使接头中的氢降到最低程度，同时TIG焊接热量较集中，明弧易于控制，可使HAZ脆性降低，有利于提高焊缝金属的塑性和韧性，并降低了冷裂纹的可能性。 2.3.3 焊前预热焊后可免做热处理 采用焊接预热及紧急后热处理，可免做焊后热处理。这是由于选用镍基焊材可实现高塑韧性焊缝金属TIG小线能施焊，晶粒细小，配合锤击焊缝并及时消氢处理，因而使焊接接头应力及扩散氢含量降低，保证了接头性能。 2.4 叶片裂纹补焊修复工艺试验 2.4.1 试验条件 (1) 试件。用形状尺寸与补焊叶片相同的叶片做模拟补焊裂纹叶片。 (2) 坡口形状如图2所示。 (3) 焊前清理。坡口两侧在正背面10～15mm用砂纸或钢丝刷清理至见金属光泽，并用****擦洗干净。
图2 叶片裂纹处的坡口形状及尺寸
表4 2Cr13钢叶片裂纹补焊焊接试验工艺规范
2.4.2 试验结果 (1) 试验补焊接头着色探伤未发现裂纹。 (2) 补焊焊缝金属硬度HL270，2Cr13钢叶片母材HL310。试验分析表明，采用镍基焊材、TIG焊接方法、焊接预热、焊后立即后热处理,免做焊后热处理的叶片补焊修复工艺是可行的［3］。 3 叶片裂纹补焊修复工艺 3.1 确认裂纹 检测人员采用着色探伤方法对叶片的裂纹位置及尺寸进行再次确认，并用油性笔标注清楚。 3.2 坡口制备及清理 采用指形电磨头等机械方法加工制备补焊坡口，如图3所示。坡口附近正反两侧15mm范围内用砂纸或电磨头、钢丝刷打磨至见金属光泽，并用酒精或****擦洗清理；坡口制备情况经操作焊工确认符合要求［4］。
图3 叶片裂纹处坡口形状及尺寸 3.3 焊工及焊前练习 承担叶片裂纹补焊的焊工须具备马氏体钢焊工考试合格资格，并具有技师职称和丰富的焊接经验，模拟叶轮及叶片裂纹位置进行补焊焊前练习合格后方可上岗施焊。 3.4 焊材及焊机 正常补焊叶片用焊接材料、焊接设备与工艺试验相同。 3.5 补焊工艺要点 (1) 焊机地线宜直接接在补焊叶片上，夹持牢固，以免引起电火花损伤叶片表面。 (2) 用2Cr13或1Cr18Ni9Ti钢板制成50mm×80mm×（2～3）mm小块钢板作为引弧板和熄弧板。 (3) 焊前预热及层间温度。采用氧乙炔火焰中性焰加热叶片待焊处(80～100mm)，温度控制在350℃，预热以叶片厚度较大侧为主。焊接场所做好防风保温措施，及时用远红外或激光测温仪测量叶片温度，控制层间温度不低于300℃，当低于300℃时则停止补焊，重新加热后方可再施焊。 (4) 背面充氩气保护，采用较大规格的氩弧焊把，从叶片背面对补焊处进行充氩气保护，并移动焊把以达到良好的保护效果，以免背面根层焊缝氧化。 (5) 焊接工艺参数见表3。 (6) 焊接操作工艺要点：① 从坡口的内端向叶片边缘施焊，或从叶片边缘向坡口内端施焊，单面焊双层成形；② 单个叶片有多处裂纹的，应一次完成制备坡口，逐一补焊，以增大裂纹间距为原则来选用焊接顺序；③ 采用多层多道焊，每层焊缝厚度控制在2mm左右，层道间温度为300℃左右，当温度不足时需再次加热达300℃左右；④ 每焊完一段焊缝（宜30～50mm）要趁焊缝红热状态时快速锤击，以达到锤击消除应力的最佳效果；⑤ 背面充氩气保护；⑥ 焊缝余高1mm左右，叶片边缘应补焊超出约1mm；⑦ 焊后立即用氧乙炔火焰中性焰将补焊接头80～100mm的范围内加热到350℃左右，以进行去氢处理，对单片叶片的裂纹数在3条及以上的，则需进行720℃的局部高温回火；⑧ 焊后热处理后立即用石棉布或石棉绒包扎缓冷；⑨ 对焊缝内外表面打磨至符合要求［4］。 4 质量检验 （1） 外观检验。①补焊焊缝外观未发现裂纹、未熔合等面状缺陷；②叶片变形量≤1.0mm。 （2） 无损探伤。采用表面着色探伤，未发现裂纹、未熔合等缺陷。 （3） 硬度检验。检测叶片补焊焊缝及热影响区硬度，符合要求。 5 汽轮机叶片拉筋的焊接 5.1 叶片拉筋焊接的来由 2Cr13钢Φ5（各半圈）的拉筋将整级叶片连成一体，如图4所示。叶轮运转中单个叶片损伤时必须更换，但一根叶片拉筋连接6个叶片，若不截断拉筋，则更换1个叶片，就需要同时拆装6个叶片，造成浪费。若将需更换的叶片两侧拉筋中点截断，更换叶片后再将其拉筋焊接，不仅可获得满意的效果，而且也可减少工作量。
图4 汽轮机叶轮、叶片及拉筋结构示意图 5.2 叶片拉筋焊接工艺 （1） 结构、尺寸及材质。叶片拉筋如图5所示，材质为2Cr13钢，整体直径为5mm。
图5 叶片钢拉筋结构尺寸示意图 （2） 叶片拉筋焊接难点。2Cr13钢拉筋的焊接的最大厚度只有2.5mm，加之叶片拉筋空间位置又小，难以操作，给两面焊带来困难。 6 结论 （1） 采用整体空气等离子切割法处理汽轮机末级2Cr13钢叶片裂纹，会造成工作量大、发电效率受损失、汽轮机运行振动较大等问题，应尽量避免采用此方法。 （2） 采用镍基焊接材料、TIG焊接方法，小线能量多层焊，焊前预热、保证层间温度、背面充氩保护、锤击焊缝以消应力及焊后立即进行消氢处理，可以获得满意的补焊接头质量，并可免焊后热处理，是一种可行的2Cr13钢叶片裂纹补焊工艺。该厂采用此方法处理末级叶片裂纹，至今已安全运行18个月（13 680多h）。运行表明该工艺是可靠的。 （3） 汽轮机叶片拉筋（Φ5mm）可采用镍基焊材、TIG焊接方法进行焊接，为单个叶片的更换提供了方便条件。 7 参考文献 ［1］ 刘志军.汽轮机叶轮补焊技术研究.第八届全国电站焊接学术讨论会论文集,重庆，2001. ［2］ 马彦喜.火电厂汽轮机末级叶片断裂焊接修复工艺.第八届全国电站焊接学术讨论会论文集，重庆，2001. ［3］ 赵建仓.特种金属结构焊接及修复技术.陕西省机械工程学会焊接分会论文集，西安，1999. ［4］ 陈伯蠡.工程焊接缺欠分析与对策.北京:机械工业出版社，1998. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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