200 MW汽轮机高压缸静叶片损伤修复

杨利东

摘 要：宁夏电投西夏热电有限公司#2汽轮机在A级检修时发现高压缸第4～9级隔板静叶片存在不同程度的损伤。该文介绍了对于损伤叶片的处理方案和修理、焊补工艺。经修复后的叶片达到了比较满意的效果，#2汽轮机顺利投入运行。证明了对于汽轮机静叶片损伤，采用焊补修复的方法是可行的。

关键词： 汽轮机 静叶片 损伤 修复

中图分类号：TM7 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）09（c）-0028-03

宁夏电投西夏热电有限公司#2汽轮机由东方汽轮机厂设计制造。型号C200/140-12.75/0.245/535/535-1，单轴、三缸、双排汽、抽汽、凝汽式供热汽轮机。通流级数总共32级，高压隔板静叶材质：1～5级为ZG1Cr11MoV，6～11级为1Cr13。该汽轮机于2008年12月投产。在2015年8月第一次进行A级检修。揭开汽缸后检查发现高压隔板第4级到第9级静叶片有多处损伤痕迹，且系异物碰撞造成的机械损伤。表现为叶片出口边变形，部分出现裂缝，最长20 mm，另有部分出现裂口。以下是部分损伤叶片照片，见图1。

1 处理方案

静叶片损伤的危害分析。静叶片发生变形后，会改变蒸汽流过喷嘴后的角度方向，变形大时通流面积受到影响，蒸汽流量下降。这两方面都会降低汽机做功能力，使机组汽耗增加。汽流方向和流量改变，还会使转子因受力不均匀而产生偏移，发生异常振动的可能性增大。另外，变形的叶片如果长期运行下去，在变形严重位置会被汽流冲蚀，逐渐出现缺口。有裂纹或裂口的叶片，如不进行有效处理，那么在汽流冲刷下，裂纹或裂口边缘金属会脱落，这类叶片除了影响汽轮机经济性外，还存在一定安全隐患。

对于上述高压缸静叶片损伤的处理，保守的方法是：将裂纹和裂口打磨掉，保证打磨掉的部分边缘光滑过渡即可，不再进行填补。这种处理方法消除了开裂部位金属脱落的风险，但却降低了机组的性能。与当前大力提倡节能、提倡精细化管理的形势和理念相悖。所以，应对这些缺陷进行积极有效地处理。处理方案为：对于变形叶片，采用加热后校型的方法处理，校型后做渗透探伤，如有裂纹，待后续处理；对于有裂纹和裂口的叶片，用电动打磨机把裂纹两侧金属全部剔除，再把剔除掉的部分焊补完整，然后修理焊补位置的形状与原叶型一致。

2 焊补方案分析

#2汽轮机4级、5级高压隔板静叶片材质为ZG1Cr11MoV，6级到9级高压隔板静叶片材质为1Cr13。1Cr11MoV和1Cr13属马氏体耐热不锈钢，有较高的硬度、韧性、较好的耐腐蚀性、热强性和冷变形性能，有大的脆硬倾向。马氏体耐热不锈钢的导热系数小，易过热，具有较大的晶粒长大倾向。冷却速度较慢时，焊接热影响区会产生粗大的铁素体和碳化物。冷却速度较快时，焊接热影响区会产生硬化现象，形成粗大的马氏体，这些粗大的组织会使金属塑性和韧性降低而脆化。马氏体不锈钢还具有一定的回火脆性。当焊接部位刚性大或含氢量高时，在焊接应力的作用下，特别由高温直接冷却至120℃～100℃时，很容易在产生冷裂纹，甚至还会产生最危险的氢致延迟裂纹。

在焊接过程中处理不当也会造成焊接裂纹。如果输入热量控制不好会造成叶片退火从而使叶片失效。裂纹在叶片的进汽侧拘束较大，焊接过程是在拘束条件下进行，大的热量输入必然导致较大的拘束应力，而使焊缝开裂。

为了避免焊缝和热影响区的冷裂纹及改善焊接接头的力学性能，应该采取焊前预热、焊后加热的热处理措施。焊接过程控制好热量输入，防止所焊接的叶片过热、退火、变形及开裂、出现气孔。焊后不要直接回火处理，因为焊接过程奥氏体没有完全转变为马氏体，如果立即高温回火，会出现碳化物沿奥氏体晶界沉淀和奥氏体向珠光体转变的现象，产生晶粒粗大的组织，严重降低金属韧性。

基于以上分析，焊接过程要短弧、低热能输入但又保证叶片熔透，因此选用手工钨极氩弧焊。还因为马氏体不锈钢的导热系数小、热膨胀系数大，热量的积聚会使叶片过热，易造成热应力集中，所以焊接过程要加强叶片的散热。可焊接和冷却交替进行。

在焊丝的选择上，考虑到焊后的叶片必须保持一定的耐汽蚀性，因此要选择与叶片材质相近或更优的焊丝。4级、5级隔板静叶片本身Mo和V的含量较高，可选用GH533焊丝（镍基合金焊丝），它具有很好的抗氧化性、塑性、抗冲击性和焊接性，它同样可以用于6～9级隔板静叶片的焊接。

3 静叶片修复工艺

3.1 准备

焊丝GH533，φ1.6 mm；着色渗透探伤剂；氩气；氧气；乙炔；铜垫板。

3.2 变形叶片校型

（1）使用氧气-乙炔火焰加热待校形区域，温度<500℃，保温10 min。然后在待校形部位下部垫铜垫板，用铜锤敲打或自制撬棍使叶片形状恢复。敲打时要注意保证汽道出口侧尺寸。

（2）钳工抛磨：待所有校形部位均经过校形且检验汽道侧尺寸合格后，钳工抛磨，去掉表面氧化皮。

（3）对所有导叶进行着色探伤，标准：JB/T4730.5-2005，标记出有裂纹、开口、穿孔缺陷处；

（4）用旋转锉剔除缺陷部位，见金属本色，并形成利于焊接的坡口；

（5）再次进行渗透检查，确认缺陷消净。待焊补处理。

3.3 焊补

在把所有有裂纹、开口、穿孔的叶片缺陷部位打磨干净后，即可进行焊补作业了。

（1）用丙酮清洗待焊处及周围金属表面，要求表面不能有油污、铁锈、水分等。

（2）根据静叶内弧型线预制紫铜垫板。将垫板放置在补焊部位下方，垫板与叶片间隙不超过0.5 mm。

（3）将待焊叶片两边塞满保温材料。

（4）因为现场客观条件限制，使用电加热进行热处理困难，因此使用氧气-乙炔中号烤把烘烤待焊叶片，进行预热，使用测温仪进行测量。预热温度在150℃～200℃。

（5）开始焊接。焊接时在紫铜板上引弧及熄弧。保证焊缝成形情况下焊接电流尽可能小（焊接电流80～100 A）。氩气流量：8～15 L/min，层温≤60℃。首先用小电流在缺口首尾及中间点焊数点，相邻两点间距不超过5 mm，依次连接相邻两点形成第一道焊缝。注意缺口方位不同时焊枪角度需不断变化，电弧吹力将融化金属向叶片铺开，避免融合线太薄收缩撕裂叶片。熄弧后要使用氩气对焊缝保护2 min。

（6）焊接完毕后，空气自然冷却，到100℃～150℃后，使用氧气-乙炔中号烤把对焊缝进行回火处理，回火温度在650℃～750℃。然后使用保温材料对焊缝进行保温，保温1h后，空气自然冷却。

3.4 焊后修磨

表面高出叶片部份会影响气流流向，需要修磨。用小型砂轮修磨，使上表面光滑平整，外型尽量同原叶型一致。注意修磨时压力太大会引起表面高温氧化或叶片变形。

3.5 焊后检查

静置24 h后，对补焊区域及其附近50 mm范围内进行着色检验，标准按JB/T4730.5-2005。无裂纹为合格，有裂纹的要重新打磨、焊补。

4 结语

该次对#2汽轮机高压缸第4～9级隔板静叶片所有变形部位进行了校正，对所有着色探伤发现的缺陷进行了打磨和焊补处理，共焊补44处，最后检测全部合格。修理后的隔板静叶片，线型接近原叶片，焊接合格，获得了制造厂技术人员的肯定。#2汽轮机顺利投入运行。此次高压缸隔板静叶片的成功修复，大大提高了设备使用寿命，同时为企业的安全、经济生产发挥着重要作用。

参考文献

[1] 中国机械工程学会焊接学会编著.焊接手册（第2卷）材料的焊接[M].第3版，修订本.北京：机械工业出版社，2014.

[2] 邹增大.焊接材料、工艺及设备手册[M].第二版.北京：化学工业出版社，2010.