660MW机组高压铸造阀门壳体裂纹原因分析及处理

王 晨

（1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.神华河北国华沧东发电有限责任公司，河北 沧州 061110）

1 概述

神华河北国华沧东发电有限责任公司4号机组锅炉为SG－2080／25.4－M969型，汽轮机为CLN660－24.2／566／566 型，机组于2009年11月27日转商业运行，至2011年9月首次A 级检修累计运行12 854h。目前在装公称直径4″及以上高压铸造阀门共计14 只，检修中对阀门进行100%无损探伤检查，发现一级减温水左、右侧调门后电动门、二级减温水电动总门、再热器事故减温水母管电动门、主给水电动门共计5 只阀门壳体存在裂纹，详见表1。

2 原因分析

从表1中可以看出出现裂纹阀体均为合金铸钢件。铸造是金属液态成形的一种方法，铸件的质量与合金的铸造性能及铸造工艺密切相关［1］。铸钢由于熔点高、流动性差、收缩率高，所以铸造性能差，而且在熔炼过程中氧化、吸气严重，容易产生浇不足、冷隔、缩孔、缩松、变形、裂纹、夹渣、粘砂和气孔等缺陷。

表1 阀门壳体裂纹情况

合金铸钢件浇注时采用“顺序凝固”，所谓“顺序凝固”就是在铸件可能出现缩孔或最后凝固的部位（多数在铸件厚壁或顶部），设置“冒口”，使铸件按照远离冒口的部位先凝固，靠近冒口的部位后凝固，最后才是冒口凝固的顺序进行。顺序凝固使铸件的温差大、热应力大、变形大［2］。

在冷凝过程中，由于各部分金属冷却速度不同，使得各部位的收缩不一致，再加上铸型和型芯的阻碍作用，使铸件的固态收缩受到制约而产生铸造应力。为消除阀门阀门存在应力，合金铸钢件一般进行调质等最终热处理。但由于铸造阀门壁厚结构复杂，热处理过程控制稍有偏差，便会导致较大残余应力存在。

对存在裂纹的阀体进行光谱复验，检测结果符合标准要求，S、P 杂质元素不超标；从宏观检查分析，阀体裂纹全部处于表面及近表面，较深的裂纹出现在结构变化大的应力集中部位，见图1。

图1 出现裂纹的阀体

当铸件中存在内应力，就会使其处于不稳定状态。再加上汽水阀门系统受力复杂，结构本身尺寸、形状的差异，导致应力集中作用明显，且在工作应力和启停过程的温差应力等的叠加共同作用下，导致原铸造裂纹源扩展并形成宏观裂纹。

热处理过程控制不当，壳体表面硬度超标。承压铸钢件经热处理后的硬度一般设计为160～200 HB，硬度太高，会使其塑性下降，降低阀门壳体承载的安全性能。如表1中再减总门的表面硬度检测超过HB340，运行过程中内部应力逐渐释放后，形成占壳体表面积近35%的裂纹群见图2。

图2 壳体表面裂纹群

3 处理措施及注意事项

3.1 补焊工艺

打磨去除缺陷，缺陷是否完全去除，通过无损检测方法（磁粉探伤检测）检查确认。打磨时既要保证缺陷去除干净，又要尽可能减少磨损面积，同时要照顾到补焊需求。

确认缺陷完全去除后测量缺陷的深度及大小，对表1中缺陷严重的1、2、4项阀门进行更换，更换为规格、参数、材质的锻造阀门。其它进行补焊处理，缺陷去除的范围在能够保证阀门的最小壁厚的情况下，对缺陷的周围进行圆滑的打磨处理；超过最小壁厚则进行补焊处理。水压试验有渗漏的铸件、补焊面积＞65cm2的铸件，深度＞铸件壁 厚20% 或25 mm的铸件，ASTM A217／A217M－2010《适合高温受压零件用马氏体不锈钢和合金钢铸件的规格》（简称“A217标准”）中均认为是重要补焊。对此种重要补焊A217标准中提出，都应进行去应力处理或完全再加热处理，而这种去应力处理或完全再加热处理，必须用经审定合格的方法进行，即重要补焊需制订补焊工艺。

3.1.1 设备材料

焊丝材采用：焊条ENiCrFe－3，焊丝ERNi－CrFe－3 ￠2.0氩弧焊丝，焊机为山东奥太ZX7－400STG 焊机，钨极为WCe－20 钨极直径￠2.5，99.99%高纯氩气。焊前焊条应按照包装袋要求进行焊前烘干（或300 ℃烘干2h），并放到专用保温桶里，做到随用随取。

3.1.2 环境

周围不得有较大风力，湿度不大于75%，温度在10 ℃以上。

3.1.3 操作工艺

焊前用机械的方法将裂纹全部去除干净，将需要焊补部位及四周10～15mm 范围内的铁锈、污物等打磨干净至露出金属光泽，并根据具体情况将挖补处打磨成U 型或V 型坡口，打磨时应注意，从裂纹两端开始打磨，如此可以防止打磨过程中裂纹扩展（必要时可以打止裂孔），坡口角度、宽度以消除裂纹情况下尽量窄为佳，但对于深度超过30mm 的缺陷坡口宽度不小于20mm，确保焊接时避免出现夹渣、未熔等缺陷。焊前应经磁粉探伤或着色检验确认坡口内无毛刺、夹层和裂纹等缺陷，合格后方可补焊。

开始补焊时要划分若干区域一块块补焊，并用火焰加热的方式将补焊处和其周围50 mm 处加热到70～80 ℃。加热时应快速移动火焰，不得只集中加热一点，且保证其周围温度在70 ℃以上。补焊前要测定降温速度在2～3 ℃／min的范围内。焊补时先用氩弧焊打底在整个基体上形成一层3～5mm 的过渡层。打底层焊后，让焊缝在保温棉冷却到环境温度，经着色检验无裂纹，再打磨后使用焊条进行填充焊接，直至整个焊口焊完。

焊接时采用小线能量，快速略摆焊，薄焊道，电流控制在：氩弧焊125A 以下，电焊70A（￠2.5 mm）以下；90A（￠3.2 mm）以下。具体要求，打底层焊道宽度不超过3mm，长度不大于30mm，厚度控制在3 mm 以内，焊后立即要专人层间锤击。深层使用0.5磅或1磅的手锤锤击圆头錾子的方式消应力；手锤能够得到的情况下直接用手锤锤击消应力。锤击时力度不要过大，锤击要求焊缝表面能看到清晰麻痕，8～10 下／cm2。在加热补焊的区域内，应该使用跳焊法，不要集中在一处焊接，保证整体温度均匀，避免局部温度上升过快，每段焊后必须在温度降到（70 ℃以下）手可以触摸焊道时方可进行下一道焊缝的焊接。填充层变成镍基同材质焊接，每层焊道的层间温度不超过50℃，焊道长度同样不大于30mm，焊道宽度不超过3mm，厚度控制在3mm 以内，焊后对焊道进行锤击。焊道间搭接1／2，且不要形成深沟槽。每焊一段，要进行宏观检查，有缺陷应该立即消除。焊道间的温度以测温枪测量为准。

焊后检验：对焊缝整体进行打磨，使表面圆滑过渡。焊后宏观检查无缺陷，然后用保温棉包好，待冷却到环境温度后进行着色检验，表面无裂纹，为合格。7 天后再进行一次着色检验，表面无裂纹、无缺陷，为合格。

3.2 注意事项

焊前充分分析母材与焊材焊接性能和金属本身的物理性能；采用镍基焊接材料要先在基体上焊接3～5mm 的过渡层再进行填充层焊接；严格按制定焊接工艺进行施焊，焊接过程中严格控制层间温度在70 ℃以下；采用氩＋电的方法，采用直径2.5mm 焊条，缺陷的产生率低保证焊接接质量；整个焊接过程中采用短道，跳焊方法。每层焊道要立即锤击消除应力，焊后保温缓冷。

4 结束语

高压铸造阀门由于价格相对低廉，目前在超临界、超超临界机组中仍广泛应用。因为制作工艺原因在制造过程中气孔夹渣难以避免，虽经最终热处理释放应力，但由于阀门结构复杂、壁厚厚、尺寸大存在残余应力，使用过程中，铸件内的残留应力将重新分布。当它与其它应力相互迭加时，就会增大铸件产生裂纹的倾向，当综合应力值超过合金的抗拉强度时产生裂纹。所以为保障运行安全，电厂应对高压铸造阀门建立专项监督措施，根据阀门具体情况科学制定检验周期，定期检验。建议在条件允许的情况下，将铸造阀门更换为锻造阀门。

［1］李晨希.铸造工艺铸件缺陷技术标准［M］.北京：化学工业出版社.2010.

［2］JB 302－1962，铸件缺陷名称及分类［S］.