浅析汽轮机高压缸盖裂纹产生的原因及焊接修复工艺
摘 要：通过对汽轮机高压缸盖裂纹产生的原因及焊接性能进行分析，选用奥氏体焊接材料，制定合理的焊接工艺，成功地修复了裂纹，满足了使用性能和安全生产要求。
关键词：裂纹原因；焊接材料；工艺及措施
引言
在攀钢发电厂1号机组大修中，发现汽轮机高压缸盖筒体原有角焊缝连接处的有3条裂纹，长度分别为168mm、174mm和245mm。经探伤检查裂纹最深处达24mm，且沿原有角焊缝内侧深度方向延伸。缸盖的材质为ZG20CrMoV，角焊缝两侧的圆筒体厚度δ=60mm，两筒体直径分别为400mm，600mm，由于汽轮机高压缸盖是发电设备系统中的重要部件，直接关系到电力设备的安全运行，一旦出现安全问题后果不堪设想。因此，必须对裂纹缺陷进行修复。
1 裂纹产生原因分析
1.1 焊缝外观成形质量的影响
因原有角焊缝的焊趾处都有不同程度的咬边缺陷，致使在原焊趾处存在应力集中，当有拉应力的作用下就易产生裂纹，裂纹处分布在原有角焊缝与母材过渡的焊趾部位。
1.2 温度应力的影响
在机组的启动和停止过程中会引起较大的温度变化。由于缸盖厚度较大，当机组启动时，内壁温度很快就上升到工作温度，与外壁形成一个明显的温度梯度，内壁金属膨胀受阻，受到压应力的作用，在高温下材料的强度有所降低，这种压应力可导致内壁金属产生压缩塑性变形。当机组缸盖停运冷却恢复到原有状态时，这种压缩变形部分就被保留下来产生一个残余的拉应力。尽管这种塑性变形是很微小的，但在长期交变应力作用下，会对在高温高压条件下工作的金属部件造成损伤的累积，最终导致破坏。特别是当焊缝存在缺陷时，容易在缺陷应力集中点处提早形成裂纹。
1.3 结构应力的影响
由于缸盖位于汽轮机组的中段，体积和厚度都较大，结构应力相对较大，在焊接缸盖角焊缝时，焊缝冷却过程中的收缩受到一定的拘束，焊后焊缝将产生较大的拘束应力。在机组工作载荷的作用下，容易在应力集中点产生裂纹，造成裂纹延伸扩展。
2 焊接性能分析
（1）ZG20CrMoV钢，属低合金耐热钢，是一种热强性较好的铸钢，其化学成分和力学性能表1、表2所示。钢中主要加入了Cr、Mo、V等碳化物合金元素，尤其是加入的强碳化物元素V，能率先与钢中的碳形成稳定而弥散的VC质点，有利于Cr、Mo元素进入固溶体，强化铁素体基体，从而有效地提高了钢的热强性。因而ZG20CrMoV钢具有较好的热强性和组织稳定性，可在530～540℃温度下长期工作。
表1： 化学成分质量分数（%）
表2： 力学性能
ZG20CrMoV钢的焊接性好坏，可借助于碳当量公式进行估算。根据国际焊接学会推荐的碳当量公式CE=C++，ZG20CrMoV钢的CE=0.69。碳当量值较大，有较强的淬硬倾向。即当焊接过程中冷却速度快时，焊缝和热影响区的母材上容易产生硬脆的马氏体组织，加上壁厚较大，焊后产生冷裂纹的倾向较大，所以焊接性较差。因此，采取焊前预热，焊接过程中控制层间温度等措施，以降低焊缝冷却速度。
（2）因ZG20CrMoV钢的物理性能与同类低合金钢相比具有导热系数小（100℃时为43.1），线膨胀系数大（常温下为12.18），它对加热和冷却温度及速度等较敏感，在焊接热循环的作用下，会造成较大的焊接应力和变形，增加了产生裂纹的倾向。
（3）由于需修复的裂纹缺陷均处于整体角焊缝中的分散小段，在修复焊补时的焊缝将受到拘束，不能自由地膨胀和收缩，冷却过程会产生较大的收缩拉应力，易于开裂。
（4）有再热裂纹敏感性。在ZG20CrMoV钢中有一定含量的Cr、Mo、V等能起沉淀强化作用的元素，这些元素对产生再热裂纹有较大影响。通过合金元素对钢的再热裂纹敏感性经验公式△G=Cr+3.3Mo+8.1V-2，得到ZG20CrMoV钢的△G=2.17～3.94。根据数据判断，当△G>0时材料就有再热裂纹的敏感性，如果焊接残余应力大时，产生再热裂纹的敏感性更高。
3 焊接材料的选择
（1）高温、高压工作的焊缝，主要是保证焊接材料的化学成分应与被焊材料的化学成分相同或相近。ZG20CrMoV钢，采用手工焊条电弧焊时，一般常采用与母材材质相同的R317焊条焊接。焊前母材须预热300℃～350℃，焊接过程中应控制层间温度，焊后还要进行720℃～750℃高温回火热处理，保温不少于5～6h。因ZG20CrMoV耐热合金铸钢，基体为珠光体+铁素体，它对加热和冷却的速度、温度敏感。如在进行预热及焊后热处理的过程中未严格控制参数时，容易造成铸件内力学性能不均匀，影响使用性能；汽轮机高压缸盖的壁厚、体积较大，服役环境条件差等，对焊缝局部或整体预热、热处理控制难度大，如果出现问题就易造成焊接修复失败，甚至设备报废。所以，通过全面分析比较和综合考虑，决定选用A507奥氏体不锈钢焊条进行焊接修复。A507焊条化学成分和力学性能表3、表4所示。
表3： 熔敷金属的化学成分质量分数（%）
表4： 力学性能
（2）奥氏体焊条焊接的焊缝金属为奥氏体组织，对焊接ZG20CrMoV钢有以下一些优点：
1）在焊接热循环中奥氏体不发生相变。一般情况下选择奥氏体焊条焊接时，焊前不需预热，焊后不需热处理。
2）奥氏体焊缝金属有良好的塑性和韧性，具有良好的抗裂性能。可吸收焊接过程中产生的应力，并且对氢的溶解度较高，不会在冷却过程中因扩散氢的富集而产生裂纹；它还对开槽的敏感性远较珠光体焊缝低。若在补焊中产生如少量气孔、夹渣等缺陷，在一般情况下，不易产生裂纹，也不易使裂纹延伸扩展。
3）奥氏体焊缝金属屈服极限（Rp0.2）值较ZG20CrMoV钢低约20%，对整个接头的应力水平将起到很大的缓冲作用；
因此，选择A507焊条焊接ZG20CrMoV钢时焊前可以不预热，或者只预热到80℃～150℃；焊后不需进行消除应力热处理，可以避免焊缝再热裂纹的产生；同时简化了焊接工艺，改善施焊条件。A507焊条焊接的焊缝还能满足母材的高温使用性能。
4焊接工艺措施
4.1 焊前准备
（1）先用Ф8mm的合金钻头在距裂纹末端10mm处钻深度为30mm的止裂孔，以防裂纹继续延伸和扩展。
（2）选择角向砂轮机来清除裂纹缺陷，并修磨成U型坡口形状。然后经渗透无损检测检验无缺陷后，再将坡口两侧30mm范围内的油、锈等清理干净。在保证缺陷彻底清除的前提下，坡口的宽度尽量要小，以减小焊接收缩应力。
（3）施焊前焊条按规定要求进行烘干，并放在100℃的保温筒内随用随取。
（4）焊前在焊缝的周围400mm范围内均匀、缓慢的预热到80℃～100℃，以降低焊接过程中焊缝和热影响区的冷却速度，预热升温速度不超过100℃/h。
4.2 焊接要点
（1）焊接时选择直流焊接电源，反接。采用小规范焊接，焊条不作横向摆动，短弧操作，在熔合良好的情况下提高焊接速度等，以减少热输入量。焊接工艺参数表5所示。
表5 焊接工艺参数
（2）采取多层多道焊。每一道又分两段或三段（短焊缝两段，长焊缝三段）进行退焊，中间接头处应错开至少30mm，使整条焊缝尽量受热均匀，以使应力分布较均匀，图3所示。每两焊道之间的迭压面不小于焊道宽度的1/3，且必须使两侧与母材的过渡区圆滑过渡，熔合良好。
图 3
（3）每焊完一段后立即用带圆头的小锤进行锤击（锤重0.5Kg，锤头圆弧直径5mm），先锤击焊道中部，再锤击焊道两侧，达到布满麻点为止，以消除部分应力和改拉应力为压应力。锤击后用10倍的放大镜检查表面，确认无缺陷后继续施焊。
（4）焊接过程中应控制层间温度等于或略高于预热温度，整个焊补过程必须持续进行，中途如因故被迫中断，应重新加热到预热温度后才能继续。
（5） 焊补结束后立即用已烘干的石棉覆盖在焊缝表面，使其缓冷，缓慢冷却速度不超过100℃/h。
5 焊后检验和表面处理
（1）外观检查焊缝表面无气孔、夹渣、咬边等缺陷，余高在3mm范围内。
（2）焊缝表面及周围进行渗透检验未发现有裂纹出现。
（3）最后用角向砂轮机修磨焊缝表面余高与原焊缝表面齐平并与边缘熔合处过渡圆滑。
6 结束语
通过对汽轮机缸盖裂纹产生的原因进行分析，对设备的使用环境条件、现场施工情况、材料焊接性能等综合考虑，选用奥氏体焊接材料焊补修复ZG20CrMoV钢的裂纹。焊前不预热，焊后不进行热处理，简化了工艺，改善了施焊条件；采取合理的工艺及措施，减少焊接残余应力，使焊补部位的组织成分一致，防止了裂纹的产生，增强了抗裂性能。设备运行至今未出现裂纹现象，验证了该工艺的可实施性，保证了焊补修复质量，满足了使用性能和安全生产要求。
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