电站锅炉阀门密封面耐磨堆焊层性能分析

宁亮亮

（哈尔滨华德学院，黑龙江 哈尔滨 150025）

0 引言

电站锅炉阀门在使用过程中经常启闭， 由于密封面间的相互摩擦、挤压、剪切，以及高温高压的水蒸气和烟气的冲刷和腐蚀等作用，极易受到损伤。一旦密封面损伤泄漏，电站锅炉必须要停炉检修［1］。 我国目前密封面堆焊材料常选用钴基合金D802 焊条。D802 对应GB 984 标准中的型号EDCoCr-A， 采用D802 材料堆焊层具有优良的耐磨性、 抗冲击性、抗氧化性、耐腐蚀性及抗气蚀性。但由于阀体刚性大，使得堆焊层抗裂性较差，易形成结晶裂纹或冷裂纹，因此焊前必须进行预热。 预热温度范围取350～500 ℃。同时控制层间温度大于等于 250 ℃， 阀体焊后必须立即450 ℃保温，焊后进行710±20 ℃回火，保温2 h后随炉冷却［2］。 工艺过程非常复杂，而且浪费大量的生产周期和经济成本。 然而经实验采用D547Mo 焊条，堆焊层具有较高的空淬性，焊接性良好。 堆焊金属具有较高的中温硬度， 良好的热稳定性， 抗冲蚀性、耐磨性和抗裂性，对电站阀门密封面焊接过程焊前不用预热，焊后不用热处理，用于堆焊500～600 ℃的高压截止阀密封面。

1 焊接设备及材料

1.1 焊接设备

采用林肯V270T-PULSE 焊机。

1.2 母材的选用

母材选用12CrMoV 钢板，尺寸为120 mm×60 mm×8 mm。 12CrMoV 为珠光体耐热钢，是电站锅炉阀体的主要材料。

1.3 焊条的选用

采用的焊接材料为D547Mo 堆焊焊条， 药皮的类型为低氢钠型CrNiSiMo 型阀门堆焊焊条，采用直流反接。堆焊金属有良好的抗磨损、抗高温腐蚀等性能，主要用于600 ℃电站锅炉阀门堆焊修复，其化学成分见表1 所示。

表1 D547Mo 熔敷金属化学成分 （%）

2 焊接工艺

2.1 焊前准备

首先对工件表面用角磨机进行除锈并露出金属光泽， 之后再用砂纸将角磨机打磨在工件上残留的毛刺和其他细小的杂物，并用砂纸打磨干净，做到工件表面光洁。其次焊接前要把焊条经烘干后使用。焊条烘干温度为300 ℃左右烘干1 h。 堆焊比较大的工件，深孔小口径截止阀阀体一定要预热和焊后缓冷。

2.2 焊接过程

堆焊厚度3～5 mm、堆焊层数2 层。 堆焊层的厚度不能小于2 mm，降低稀释率保证焊缝的硬度和化学成分的稳定，但也不要堆焊过厚，以免产生裂纹。堆焊完第一道焊缝需要缓冷，否则试件后发生变形。试件堆焊层如下图1 所示。

图1 堆焊层简图

焊条电弧堆焊在板材上进行堆焊， 焊条为D547Mo，焊枪与焊接方向成 80～85°，电弧高度控制在0～1 mm，避免焊缝出现气孔缺陷。 焊接时焊枪速度保持一致，保证焊缝的宽度和余高一致。熔渣清理要彻底，每道焊缝压上一道焊缝的1／2，保证焊道间熔合良好。 第一层堆焊完毕之后彻底清理表面的熔渣和焊接飞溅，并且控制层间温度不得超过300 ℃，以防止热裂纹的产生。 第二层堆焊操作与第一层一致，注意避免层间未熔合缺陷发生，并保证焊缝表面无气孔、夹渣等缺陷，填满弧坑，保证表面光滑。焊接参数如表2 所示。

表2 焊接参数

3 焊后检验

3.1 焊缝无损检测

对第一层焊缝和第二层焊缝都进行了渗透探伤，PT 探伤前对焊缝表面的熔渣、飞溅等进行清理，施加着色渗透剂，渗透时间至少保持10 min 以上，然后用蘸上清洗剂的抹布对焊缝表面多余的渗透剂进行清理，露出焊缝金属光泽，施加显像剂，观察焊缝表面均未发现裂纹等焊接缺陷。

3.2 焊缝硬度检测

用洛氏硬度计来测试硬度， 实验前用检测件来检测仪器的准确性， 保证试件的压头压入去表面光滑测试台无杂物，并且要采用多点测量，保证数据准确性，如图2 所示。

图2 母材焊缝硬度五点测量

将工作台擦干净试件置于表面， 并将焊缝打磨面垂直于压头下方，要保证试件平稳。旋转手轮小指针至红点，大指针转3 圈垂直向上为止。旋转外壳保证大指针指于CB 线。 扳动加载手柄，大指针逆向转动。 指针停止转动后，推回卸力载荷手柄。 从指示器读取实验数。

表面硬度检测时要保证表面的平整干净， 分别在表面焊缝取5 个点，硬度值见表3 所示。各点之间距离为3 mm， 取5 个点硬度的平均值39.7 HRC，而母材的表面硬度平均值为18.6 HRC，堆焊层硬度远远大于母材硬度。

表3 焊缝及母材的硬度值 单位：HRC

3.3 磨粒磨损实验

由于摩擦磨损试验机卡具大小受限制， 需要将焊接件切割成10 mm×10 mm 才能使用， 如图3 所示。 不能用火焰切割机来切割试件否则会造成试件性能发生变化，所以要用手工锯割来取得标准试件，切割完毕后用砂纸将表面打磨平整。 本次实验需要得到磨损量差证明D547Mo 的耐磨性， 所以要磨损两个试件，第一个是有焊缝的试件，第二个是母材试件，母材试件的规格大小也是10 mm×10 mm。因为堆焊标准件尺寸适宜，所以试样下料采用人工方法，用锯条锯割下来，在这里一定要保证尺寸大小，否则试样装不到磨损卡具上。

图3 磨粒磨损标准件

利用电子天平测得实验前试件的重量。 将对磨环和装载试件的卡具安装在试验机上， 采取对磨环在下卡具上的方法。 使试件垂直于对磨环偏差小于2 mm，如图4 所示，然后固定。点击电脑上清零键，重新设定数值。 选取实验力200 N、 磨损时间是20 min、转速 200 r／min、摩擦力矩值 15 N·m、载荷 30 MPa 无润滑。 实验力是通过螺丝来改变的。 安装和设定完成后即开始实验，选择低速按钮然后点击电脑中的开始键。 实验开始后，磨擦磨损曲线如图 5 所示。

磨损实验之前需要用电子天平对试件进行称重，磨损结束后再对试件进行称重，以得到磨损量。对其进行数据分析，如表4 所示。

图4 磨损实验试样及磨轮装配示意图

图5 磨擦磨损曲线图

表4 磨损数据 单位：g

由摩擦磨损实验结果， 可以看出用D547Mo 堆焊的试件磨损前重量是80.326 8 g， 磨损后重量是80.320 1 g，所得磨损量是0.006 7 g。母材的磨损前重量是82.654 2 g，磨损后的重量是82.595 1 g，所得磨损量是0.059 1 g。 母材的磨损量远远大于堆焊件的磨损量， 这就充分的说明了利用D547Mo 堆焊的耐磨性高， 从磨损量看D547Mo 耐磨性提到了大概9 倍。 从图5 可以看出12CrMoV 钢的摩擦系数在0.5～0.6 之间波动， 堆焊层的摩擦系数在 0.1～0.2 之间波动。而摩擦系数越大，说明表面粗糙程度大也就说明其越不耐磨。 这样也证明了用D547Mo 的堆焊层具有很好的耐磨性。

3.4 金相组织分析

对10 mm×10 mm 焊接试件利用牙托粉和牙托水进行镶嵌制备金相试样， 依次利用400～2 000 目金相砂纸打磨，并在抛光机上进行抛光，使得试件表面没有划痕。 将试件抛光面用配置好的腐蚀剂（4%氢氟酸加4%硝酸加92%蒸馏水）腐蚀后，用流动水冲洗和吹风机吹干。 在电子显微镜下观察试件为1Cr13 半铁素体的高铬钢，具有良好的抗蚀性。

4 结束语

D547Mo 堆焊层为1 Cr13 半铁素体的高铬钢具有良好的抗蚀性，渗透实验证明堆焊层无气孔、裂纹等缺陷具有良好的焊接性。 洛氏硬度数据显示经过堆焊的堆焊层的硬度HRC 比母材大了21.1 HRC，说明了焊缝的高硬度。 磨损量由母材的0.059 1 g 下降到堆焊层的0.006 7 g， 从磨损量的角度看堆焊层的耐磨性提高了9 倍。 另外，12 CrMoV 钢的摩擦系数也远远大于堆焊层的摩擦系数。 这就充分的说明了利用D547Mo 堆焊的耐磨性高， 体现了 D547Mo 焊条在电站锅炉阀门密封面耐磨堆焊修复的可行性。