高压主蒸汽阀门体裂纹修复工艺分析

刘建国

摘 要：针对某电厂俄制K-500-240-4型汽轮机组高压主汽阀门体在运行中因贯穿性裂纹导致泄漏的问题，根据高压主汽阀门体检修运行数据，分析裂纹成因及材料性能，从而确定修复工艺，彻底解决高压主汽阀门体运行隐患。

关键词：ZG15Cr1Mo1V;高压主蒸汽阀门体;裂纹缺陷;焊接修复

中图分类号：TK621 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）18-0048-04

Abstract： Aiming at a Russian high-pressure main steam valve of K-500-240-4 steam turbine for penetrating cracks cause leakage in the operation， according to the main steam valve group physical repair operation data， performance analysis of causes and crack， determine the repair process， completely solve the main steam valve body hidden danger.

Keywords： ZG15Cr1Mo1V;high pressure main steam valve body;crack defects;welding repair

某電厂汽轮机组高压主汽阀门体材质为ZG15Cr1Mo1V低合金耐热钢，自投产以来已累计运行106 000 h。它经历了3次A检修，对外表面进行了100%磁粉探伤，未见缺陷磁痕。主蒸汽运行参数中，温度为540 ℃，压强为23.5 MPa。2011年4月8日，运行中发现#1机组#2高压主汽阀门体下部保温被吹散。检修人员发现，#1机组#2高压主汽阀门体底部保温局部被破坏并伴有饱和蒸汽呲出，确定为高压主汽阀门体泄漏，申请调度机组停止运行。

1 裂纹分析

机组停运后检查2#高压主汽阀门体泄漏处，发现高压主汽阀门体泄漏部位有两条裂纹：一条为长12 mm、宽2 mm的裂纹;旁侧分布一条长2 mm、宽1 mm的裂纹，见图1。高压主汽阀门体为一次铸造成型件，缺陷发生区域为高压主汽阀门体分流区，泄漏部位实测壁厚为82 mm。从高压主汽阀门体外表面分析，泄漏部位为贯穿性裂纹。

阀门壁温低于60 ℃解体后，内部观察阀门裂纹形貌。内表面裂纹处距阀门上盖1 600 mm。使用高倍变焦照相机和内窥镜进行内部裂纹检查，发现裂纹总长度在280 mm以上，并伴有块状脱落现象，见图2。打磨区域长度为450 mm、宽度为130 mm，裂纹总长为330 mm，裂纹宽度为25～40 mm。从打磨的整体过程来看，主裂纹为一整条，没有发现明显的分叉和较大的次生裂纹。打磨区域有较多的包砂、疏松以及气孔出现，见图3。阀门泄漏失效原因为原始铸造缺陷（微裂纹、包砂以及气孔等）及制造厂内部缺陷修补区在长期高温高压和应力应变作用下，导致高压主汽阀门体结构突变部位扩展开裂，最终形成贯穿性裂纹缺陷。

2 材料的成分、性能以及焊接性分析

ZG15Cr1Mo1V材料的化学成分和力学性能，分别如表1和表2所示[1]。

在我国大容量、高参数火力发电厂中，高压主汽阀门体材料普遍采用ZG15Cr1Mo1V，行业大多采用碳当量（Carbon Equivalent，CE）法评估金属材料焊接性能优劣。根据经验，行业内国际焊接学会（International Institute of Welding，IIW）提出了应用较广、精度较高的碳当量公式计算ZG15Cr1Mo1V材料碳当量，即：

当[CE]≤0.4%时，焊接性好;当CE在0.4%～0.6%时，焊接性稍差，焊前需要适当预热;当[CE]≥0.6%时，焊接性较差，属难焊材料。根据碳当量公式，计算出ZG15Cr1Mo1V材料的碳当量为0.689。

从国际焊接学会推出的碳当量公式和铁相图分析，ZG15Cr1Mo1V焊接时对热处理冷却温度较敏感，容易在钢中造成不均匀组织，导致焊接性极差，需要采用较高的预热温度和严格的工艺方法进行焊接。

3 修复工艺

3.1 焊前工件要求

焊前采用机械加工方式将裂纹清理干净，表面着色检验确认，焊接坡口加工成U形，清除坡口及附近母材外表面20 mm范围的油污、锈蚀以及尘土，使其露出金属光泽。

3.2 焊接材料

R327 E5515-B2-VW是低氢钠型药皮的CrMoVW的珠光体耐热钢焊条，用于焊接工作温度在570 ℃以下的15CrMoV等珠光体耐热钢。焊接电源直流反接，焊前焊条须经过350 ℃左右高温烘焙1 h，随烘随用。熔敷金属扩散氢含量≤6.0 mL/100 g（甘油法）。R327 E5515-B2-VW焊条熔敷金属化学成分及力学性能分别如表3和表4所示[2]。

3.3 焊接前预热

焊前对高压主汽阀门体整体或焊接区域局部进行加热的工艺手段称为预热。适当预热可以减缓焊后的冷却速度，有利于焊缝金属中扩散氢的逸出，避免产生氢致裂纹，还可以降低焊接应力及焊接结构的拘束度，降低裂纹的发生率。预热温度的确定主要取决于钢材和焊条的成分、焊件的壁厚、焊接结构的拘束度以及环境温度等。这里选择伊藤等人提出的焊缝冷裂敏感指数[Pcm]计算公式确定预热温度[3]：

式（2）和式（3）中：[Pcm]为冷裂纹敏感指数;[CC]、[CMn]、[CCr]、[CSi]、[CV]、[CNi]、[CCu]分别为钢中C、Mn、Cr、Si、V、Ni、Cu元素的含量;[Pw]为冷裂纹敏感性，当[Pw]>0时，即有产生裂纹的可能性;[CH]为扩散氢含量，R327 E5515-B2-VW焊条取6 mL/100 g;[δ]为壁厚，取82 mm。

预热温度计算公式为：

式（4）中：[To]为预热温度，℃。

利用式（2）、式（3）和式（4），可以计算出电厂汽轮机组ZG15Cr1Mo1V低合金耐热钢高压主汽阀门体贯穿性裂纹补焊要得到无裂纹焊缝需要的预热温度为279 ℃，其中[Pw]为0.466。由计算分析可知，汽轮机组ZG15Cr1Mo1V低合金耐热钢高压主汽阀门体贯穿性裂纹补焊时有较大的淬硬倾向，管壁厚有较大的拘束度。因此，补焊前必须进行预热。升温速度要严格按照工艺要求执行，并采用低氢型焊条焊接，且焊后要进行高温回火熱处理。

3.4 焊接工艺

对于#1机组主蒸汽阀组的裂纹焊接检修，焊接工艺的相关内容如表5所示[4]。

3.5 修复后热处理

为了获得珠光体焊缝组织，采用高温回火方式进行热处理。高温回火的目的是降低焊缝脆性，消除内应力，提高焊缝的塑性和韧性。本次补焊采用多层多道焊接工艺和锤击法消除层间应力，后一道焊接工艺对前一道焊接工艺的热处理作用能细化晶粒并改善前层焊缝和热影响区的组织，有效防止裂纹的产生。热处理工艺曲线见图4[5]。

4 修复后检验

汽轮机组ZG15Cr1Mo1V低合金耐热钢高压主汽阀门体贯穿性裂纹补焊完成后，按照规程要求进行焊缝光谱检验、硬度检验、磁粉探伤检验（Magnetic Particle Testing，MT）、超声波检验（Ultrasonic Testing，UT）以及金相检验，检验结果如表6所示。

通过分析检验结果可知，汽轮机组ZG15Cr1Mo1V低合金耐热钢高压主汽阀门体贯穿性裂纹补焊后，组织为珠光体，焊缝硬度值为211 HB，MT检验和UT检验均无可记录缺陷。

5 结语

某电厂汽轮机组ZG15Cr1Mo1V低合金耐热钢高压主汽阀门体贯穿性裂纹，采用手工电弧焊热焊法多层多道的焊接工艺，严格控制层间温度、焊接电流，并选择合适的焊后热处理工艺，得到硬度适中、金相组织为珠光体的焊缝，可以满足电站汽轮机组使用要求。

参考文献：

[1]湖北高中压阀门有限责任公司.钢制阀门常用材料的化学成分、力学性能及执行标准[EB/OL].（2010-04-01）[2021-05-29].https：//www.doc88.com/p-1856002944033.html.

[2]黄文哲.焊工手册[M].北京：机械工业出版社，1997：564-565.

[3]刘瑞琦.电厂金属材料[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1994：101-103.

[4]国家能源局.火力发电厂焊接技术规程：DL/T 869—2012[S].北京：中国电力出版社，2012.

[5]国家能源局.火力发电厂焊接热处理技术规程：DL/T 819—2019[S].北京：中国电力出版社，2019.