汽轮机缸体常见材质及焊接工艺介绍

张洪

摘要：汽轮机是一种结构复杂的动力设备，由于设备缸体在运行环境中，每个部位接触的蒸汽温度和压力不尽相同，因此，在材料使用和焊接工艺上也存在差异。本文从材料的焊接性、焊材的选择和焊接工艺等方面，系统地介绍了汽轮机缸体缺陷的焊接修复工艺。

Abstract： The steam turbine is a kind of power equipment with complex structure. Because the steam temperature and pressure in each part of the cylinder body of the equipment are different in the operating environment， there are also differences in material use and weiding process.This article systematically introduces the welding repair technology of steam turbine cylinder body defects from the aspects of material weldability，welding material selection and welding technology.

关键词：汽轮机;缸体;缺陷;焊接修复

Key words： power station;steam turbine;defect;welding repair

中图分类号：TK265;TG47                             文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0126-02

0  引言

汽轮机在能源工业中依然发挥着重要的作用，由于汽轮机缸体各部位接触的蒸汽温度和压力不同，因此，不同位置的缸体材料和相关性能指标也不尽相同。我公司生产的汽轮机，低压缸一般采用ZG230-450材质或碳钢材质焊接缸体，而高压缸缸体材质主要以铬钼铸钢体或铬钼钒铸钢体为主（如：ZG20CrMoV、ZG15Cr2Mo1、ZG15Cr1Mo1V等）。随着蒸汽温度和压力的增加，对应的汽缸材料的性能也要不断增加，以满足力学性能的持久性要求，同时，在材料性能的稳定性和抗蠕变性方面也要具有明显的优势，具备良好的焊接性和抗氧化能力，只有汽轮机缸体满足相关性能要求时，才能长期在工况中安全平稳的运行。

1  汽轮机缸体焊接性能的影响因素

首先是组织结构的影响。铸钢的组织结构呈柱状晶体分布，这种结构经过热处理，可以获得均匀的铁素体和珠光体组织，由于铸钢件通常是一次成型，在成型过程中容易产生各种铸造缺陷，而且缸体的结构复杂、刚性大、厚壁并且应力复杂等特点，给后期局部铸造缺陷的焊接修复带来不小的困难。

其次是化学元素的影响。我公司的汽轮机缸体主要采用铸钢件，材质以珠光体耐热钢为主，主要化学成分见表1所示，这些缸体中的合金元素主要有Cr、Mo、V等，不同的元素在不同的温度区间产生的反应不一样，带来的影响也不尽相同。

耐热钢中的铬和钼元素能显著提高钢的淬硬倾向，钼的作用比铬约大50倍，它们延迟了钢在冷却过程中的转变，焊缝及热影响区容易出现淬硬组织，当焊件刚性较大及接头内应力大时，容易产生冷却裂纹。珠光体耐热钢具有较强的再热裂纹敏感性，在焊后热处理过程中，因拘束应力释放产生的变形量大于该部位的高温塑性时，在接头的热影响区就会产生沿晶开裂的再热裂纹。

最后是预热和焊后热处理工艺。为了防止冷裂纹和消除近缝区的淬硬，预热与焊后热处理温度十分重要，这不仅取决于钢的化学成分，而且与产品的结构尺寸和结构拘束度等因素相关。所以，必须结合具体情况来确定预热温度和焊后热处理温度，我公司采用的预热温度和热处理温度见表2所示。汽轮机缸体一般具有产品体积较大、厚壁、形状复杂的特点，这就导致在缸体缺陷的修复过程中，无法根据要求进行焊接前的预热或者焊接的后热处理，那么，怎样防止和避免裂纹的产生，提高产品的焊接质量，是铸钢体修复面临的重要困境。为了有效防止裂纹的产生，需要在焊接前后注意以下几点：①注意淬硬组织影响。碳化物形成元素和碳含量是该工序中尤为重要的两个参数，这两个参数指标和焊接冷却速度的快慢都会影响淬硬组织的效果，预热可以降低T8/5的冷却速度，以获得更好的珠光体组织。②减少氢含量的影响。在焊接中，要选择低氢焊条，焊后及时进行消氢处理，通过温度控制，以便达到去氢的效果。③控制焊接接头的塑性和韧性，避免在熔合区产生裂纹。

2  焊接材料的选择

汽轮机缸体的常见材料是耐热钢，其主要合金成分是铬、钼、钒等每个元素的性能不一样，如Cr提高材料的耐腐蚀性，使材料中的碳化物更加稳定，减缓碳的扩散，防止材料组织石墨化。Mo和V是钢材料中主要的强碳化物形成元素，起固熔强化作用，能够显著提高材料的热强度。在焊接材料的选用上，如果选择等强同质的焊接材料，那么就必须在焊接的前后进行预热和焊接后热处理，但是由于汽轮机缸体的结构比较复杂，不同的部位在材质和性能上要求不一样，很难进行有效的温度控制，一旦升温和降温执行出现偏差就会产生新的裂纹，而且当温度过高时，部分区域的缸体可能会出现变形的风险，影响产品的交付甚至出现报废的可能，因此，在采用等强同质焊接材料时，存在较大的产品质量和安全隱患，不太适用于汽轮机缸体局部铸造缺陷的修补作业。鉴于此，我们可以考虑选择异质焊接材料，施行冷补焊工艺。为了防止产生冷裂纹，可以选择奥氏体钢焊材，主要型号有：E310-15（A407）、E16-25MoN-15（A507）等。采用奥氏体焊条焊接的优势主要表现在：这种焊接方式能够实现近常温焊接，改善焊工的工作环境，减少热处理的工序，能有效提高了产品的生产效率，而且在采用奥氏体焊条焊接的过程中，通常只需要输入较小的热量，从而减小了焊接接头的淬硬倾向。对于奥氏体焊条的使用寿命，主要受几个方面的影响，如焊接工艺以及材料的物理性能，以及材料的线性膨胀系数，一般来说，母材和焊接材料的线膨胀系数差值越大，那么焊接头的使用寿命就越短。在选用异质材料进行焊接时，需要注意接头的淬硬和热裂纹倾向。由于焊缝与母材线膨胀系数不同以及在高温下长期工作时有碳的扩散迁移问题，因此在交变温度下工作时易导致熔合区的开裂。另外，长期高温工作还可能引起焊缝中的σ相脆化。这些问题都是在选用奥氏体钢焊条时所要考虑的。

3  焊接修复

汽轮机缸体的焊接修复主要包含三个过程，第一是缺陷的发现和去除阶段，第二阶段是缺陷的焊接修补阶段，最后一个阶段是焊后验收阶段。

首先，针对发现的缺陷状况，采用着色渗透探伤（条件允许的情况下可采用超声波探伤辅助进行）来确定缺陷的大小、位置、方向和深度等，之后再使用碳弧气刨、切割打磨或者机床加工方式去除缺陷，使用碳弧气刨去除缺陷时务必打磨去除渗碳层后方可焊接。缺陷清除干净后按工艺要求制备焊接坡口，各平面之间务必平滑过渡，不得有尖锐过渡和死角存在。

其次，采用冷补焊工艺进行缺陷的焊接修补。在焊接材料的选择上，应遵循的原则主要包括以下几点：

①焊接材料的材质与母材的材质在膨胀系数上尽量保持一致;

②在使用奥氏体焊条时，需要注意避免出现热裂纹;

③焊接材料需要具备工艺性能优越，易于引弧，脱渣性能较好，在塑性和韧性上表现优越等特点。当然，对于母材的材质缺陷情况，氧化变质的程度等也是焊接材质选择的一个重要参考因素。

在焊接工艺方面，针对铸件产品缺陷的焊接修复，主要考虑以下几个方面：

①缺陷清除干净，并按要求制备坡口后对缺陷部位及周边进行100%着色渗透探伤检验，确保缺陷去除干净后方可实施焊接;

②施焊前待焊处及周边30mm范围去净铁锈、油污、渗碳层、氧化物等杂物，露出金属光泽;

③焊接过程中尽量采用小参数焊接，控制层间温度，减少焊接热输入;

④采用多层多道、对称焊接等方法，分层捶击去除焊接应力（打底层和盖面层不允许捶击）;

⑤焊后及时施行缓冷措施，减缓焊缝及热影响区的冷却速度。

最后，在焊接验收方面，对汽轮机缸体缺陷修复部位进行焊接处理后，通过质量标准进行相关技术指标的验收，如硬度、无损探伤、产品表面检查等，由于汽轮机缸体的结构相对比较复杂，而且表面粗糙，当前能够适用的质量检测方法并不多，在焊后验收上，通常只对其表面硬度和焊接表面的质量指标进行验收。采用着色渗透探伤验收其表面质量，有条件的情况下方可采用超声波探伤验收其内部质量。

4  结束语

汽轮机缸体铸件材料品种繁多，品质各异，性能指标也不尽相同，在材料的选择上应该全面认真的进行筛选，选择能够满足产品性能指标的材料。在焊接和热处理工艺制定中，应该全面考虑材料的性能，以及母材的氧化和受腐蚀的程度，在焊接过程中更要注意预热温度的控制等。掌握设备所接触的外部环境状况，对缺陷产生的原因进行认真分析，在焊接材料上，使用高塑性高韧性的焊接材料，从缸体的材质结構、工况等各方面进行分析。同时制定好各个工艺的实施顺序，保证焊接的质量，提高设备的使用性能。

参考文献：

[1]卢超，葛兆祥.电站汽轮机缸体常见材质及焊接工艺介绍[J].江苏电机工程，2008（03）：81-84.

[2]陈祝年编著.焊接工程师手册[M].机械工业出版社，2002.

[3]焊接手册[M].机械工业出版社，2001.