火电机组大型铸钢件缺陷检查及处理经验介绍

火电机组大型铸锻件缺陷检查及处理经验介绍 2015年07月 国网湖南省电力公司科学研究院金属室 彭碧草 火电厂金属技术监督培训班 主要内容 1 汽缸裂纹补焊2 主汽门裂纹修复3 汽轮机低压缸结合面补焊4 高压阀门门柄堆焊5 汽轮机叶片的焊接 汽缸裂纹补焊 汽轮机高压缸体是在高温高压条件下工作的 一般材质为ZG20CrMoV或ZG15Cr1MoV的铸件 均属于珠光体耐热钢 裂纹的存在有巨大的危险性 因此必须立即处理 一 汽缸材料焊接性分析1 焊后汽缸体的变形ZG20CrMoV或ZG15Cr1MoV钢的导热系数小 热膨胀系数大 在焊接的热循环作用下 会造成较大的变形和应力 引起汽缸变形的原因是预热 焊接和焊后热处理对汽缸不均匀的加热 焊接引起的变形是无法避免的 只能在焊接工艺方面采用适当措施加以控制 2 脆裂ZG20CrMoVe或ZG15Cr1MoV钢的可焊性较差 焊后易在焊缝和近缝区形成塑性差的组织 结构的刚性较大 如果工艺上不注意 就可能在焊后发生脆裂 汽缸裂纹补焊 二 对裂纹区的表面进行宏观检查为了把缸体裂纹的数量 长度 始点 重点全面检查清楚 应将裂纹周围至少100mm范围内全部打磨 用含15 的硝酸 85 的酒精溶液对表面进行腐蚀后 用低倍放大镜进行宏观检查 将全部裂纹进行标记 在裂纹的始点和重点各钻一个 8 10mm的止裂孔 其深度应大于裂纹的深度 以防止挖铲裂纹时在外力作用下导致裂纹扩大 三 焊前准备1 铲除裂纹 1 用角向磨光机将裂纹磨掉 2 用风动工具将裂纹挖掉 3 用碳弧气刨把裂纹刨掉 2 焊接坡口的制作在挖裂纹时就要考虑坡口的形状大小 既要挖掉裂纹又要保证最小的坡口 无尖角 死角 有利于施焊 必要时用电磨头修理 3 焊剂的选用选用满足焊接要求的焊接 汽缸裂纹补焊 4 焊工选择具有高压焊工资格证且经验丰富的焊工担任此项工作 5 焊接材料的选择ZG20CrMo ZG15Cr1MoV钢碳当量在0 45 以上 焊接性较差 同时缸体刚度大 补焊时需要较高的预热温度 焊后需进行高温回火热处理 使补焊工艺受到限制 缸体上下结合面的精度要求很高 不得超过0 5mm 补焊时的焊接变形量很难控制 焊缝必须具有一定的抗热疲劳性能 抗氧化性和热稳定性 这也是难以兼顾的问题 汽缸裂纹补焊目前一般采用冷焊法和热焊法两种补焊工艺 冷焊法焊接材料选择奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条 热焊法焊接材料选择与缸体化学成分相近的珠光体耐热钢焊条 汽缸裂纹补焊 四 焊接工艺 一 冷焊法1 工艺特点应用奥氏体不锈钢焊条或镍基焊条补焊时 焊缝金属在焊接热循环的作用下不发生相变 其塑性较好 焊接过程不需要预热和焊后热处理 施焊工艺简单 使缸体不受强烈的热胀作用 对减小变形和降低应力是有利的 这类焊条抗裂性能较好 熔敷金属对氢的溶解度较高 不致产生冷裂纹 但是 由于不预热 在近缝区不可避免的产生淬硬组织 而且奥氏体金属与缸体金属的线膨胀系数相差较大 加之缸体本身的冷态刚性 会造成过大的焊接残余应力 同时缸体长期高温运行后 奥氏体焊缝与缸体母材的交界处具有异种钢的焊接特点 碳迁移 母材脱碳形成粗大的铁素体 焊缝产生 脆性相 可能导致运行后的裂纹 所以奥氏体焊条宜用于运行温度较低 应力水平较小部位的小裂纹的补焊上 2 工艺措施奥氏体钢焊条补焊宜选用15 35 16 25 25 20等高镍焊条 现在补焊区坡口上堆焊隔离层 后用18 8型奥氏体焊条填满补焊区 隔离层最少焊两层 后敷的焊道应压敷前一焊道宽度的1 4 1 3 汽缸裂纹补焊 3 操作技术 1 在保证熔化良好的条件下尽量选用小线能量焊接 2 每次可焊半根焊条待到冷却到用手摸不烫手后再焊 3 焊条不做横向摆动 每焊一段应锤击消除应力 4 每一层应焊成中间凹两侧高 使每层冷却时有一个弹性的伸展面 5 大于100mm长的裂纹 焊缝应采用逆向分段焊 后敷的焊道应压敷前一焊道宽度的1 4 1 3 6 起头和收弧要错开 避免重合在一起 表面不可高于母材 4 焊后检验焊后将焊缝表面进行打磨 进行表面宏观检查和缸体变形测量 焊缝不出现任何裂纹 缸体变形量小于0 5mm 即可认为合格 例 某电厂凝汽式汽轮机组高压缸内壁上发现深20mm 长120mm的裂纹 应用此方案处理 运行至今效果良好 汽缸裂纹补焊 二 热焊法1 工艺特点应用耐热钢焊条时 必须对焊件进行焊前预热和焊后热处理 这样使的工艺复杂化 但如果工艺处理得当 既可防止缸体变形 又可得到与母材成分 力学性能相同 组织稳定的焊缝 这种补焊的效果是很理想的 因此在热处理许可的情况下尽量选用耐热钢焊条补焊 2 工艺措施 1 预热 预热需考虑对变形的影响 就加热方法而言 庞大的缸体宜于应用感应法 中频感应法比工频效果更为理想 由于感应法的均温性能好 缸体在加热工程中应力小 有利于变形的控制 加热温度不宜太高 也不宜过低 过高时 容易引起缸体的变形 过低时会产生淬硬组织 一般经验为200 350 补焊时应使缸体始终保持这一焊接温度 感应法加热线圈需视缸体形状和补焊位置均匀对称绕制 焊补区两侧线圈的匝数一般相等 加热范围不小于500 600mm 2 操作要领 补焊操作时不拆除预热线圈 当预热规范达到技术要求后 仅需将石棉层掀开 露出补焊区开始施焊 选用小的焊接电流进行多层多道焊 先敷焊坡口边缘焊道后敷焊中间焊道 如补焊区为长条槽型 焊接时 可以横向往复运条 当补焊区为方槽型时 上下相邻焊层施焊方向相互垂直 每焊完一道 需用钢丝刷认真清理熔渣 汽缸裂纹补焊 3 为降低补焊区的收缩应力 改善焊道金属组织 宜配合锤击和跟踪回火工艺 并且这两个工序与补焊衔接紧凑 即每施焊一段 随时锤击焊缝 紧跟回火处理 锤击时所用的锤头宽度为10mm 而且半径为1 5 2mm的圆弧锤痕应密集排列 避免麻痕重复和跳跃 跟踪回火宜采用中号焊嘴的中性焰 其焰芯对准焊缝中心 以横向摆动手法缓慢前移 回火时间约为焊接时间的2 2 5倍 回火温度以焊缝表面呈亮红色为宜 补焊操作完毕 用石棉布将焊缝补焊区盖严垫好 复原感应线圈 进行脱氢处理 3 焊后质量检查焊后将表面磨平 进行表面宏观检查 不出现任何裂纹 缸体变形量小于0 5mm 即可认为合格 主汽门裂纹修复 某电厂凝汽式汽轮机 该机主汽门在大修中发现门体内壁裂纹10余条 最长约500mm 如图所示 下汽室内壁发现4条裂纹 其中门座周围3条 主汽温度插座周围1条 长度为100 200mm 主汽门材质为ZG20CrMoV 大修时采用Ni307B焊条对较长的一条裂纹进行了补焊 并网发电后发现门体螺栓漏气 停机检查发现垂直补焊区又出现一条裂纹 长约230mm 如图所示 与螺栓孔裂通 利用停机对该主汽门进行彻底修复 主汽门上汽室缺陷及补焊位置示意图 主汽门裂纹修复 一 修复技术分析主汽门门体形状复杂 壁厚很厚且不均匀 45 240mm 裂纹深而长 并有多处沙包 挖补缺陷要解决厚大耐热钢复杂结构焊接应力 变形和裂纹问题 应用正常的工艺无法处理下汽室缺陷 只能将下汽室剖开 将下汽室剖开还需解决下汽室剖开及组合的变形问题 主汽门门体重达7t 没有现成热处理炉来进行预热及热处理 需要设计和选择加热器并合理布置 因此将主汽门倒置并以内外加热方式 以解决热处理温度的均匀问题 二 修复前的准备1 制作加热器根据主汽门内部形状设计并制作适当功率的内加热器 布置合适的履带和绳状加热器 2 门体解剖前准备门体解剖前需在门体外壁垂直切割线对称四个方向划线 冲孔 做标记 备用4块500mm以上槽钢并按切割线近区门体外壁形状加工成相同型线 以备回装固定找正用 联系修配3 5m立车床 做好专用车刀架 以备解剖门体使用 主汽门裂纹修复 3 门体解剖门体解剖部位加工区域仅80mm 所以切削位置要接近出汽圆滑过渡部位 以使与门座相接的阀壳多留一些尺寸 车削保留10 15mm的厚度 在坡口中间车0 5mm的中心线 用火焰切割沿中心线将门体切开 门体解剖后修磨坡口 保留3mm的钝边 圆角R5 解剖部位直径828mm 厚度为80 120mm 如下图所示 主汽门门体解剖示意图 主汽门裂纹修复 4 门体检查对门体内壁打磨 进行宏观检查及渗透和超声波探伤方法进行检查 重点检查内壁铸造圆角和结合面螺栓孔及门座附近区域 标记需要处理的缺陷的位置 5 缺陷挖补对检查出的缺陷进行打磨消除 小裂纹磨掉即可 不用补焊 大裂纹进行打磨并加工坡口 在保证焊接质量和操作方便的前提下尽量减小坡口角度 对较深的缺陷采用U型坡口 坡口表面平整外形不急剧变化 不存在尖角 仔细检查坡口表面 确认无缺陷后方可施焊 补焊焊缝也要彻底清除 重新补焊 清除上汽室内壁两条最严重的补焊焊缝 加工后的坡口尺寸为 横坡口长为550mm 宽为55mm 深为45mm 纵坡口长为325mm 宽为140mm 深为140mm 下汽室内壁私聊裂纹 长为80 400mm 深为5 15mm 主汽门裂纹修复 三 焊接工艺措施1 裂纹补焊 1 将上下门体分别放置适当位置并垫好 放置时应注意不应使门体因自重或加热灯原因而产生变形 2 预热时采用绳状加热器或履带加热器对门体进行预热 将焊接区周围150mm内升温至300 350 3 焊接时采用R317L 3 2mm的焊条 焊条使用前按说明书要求进行烘干 装入保温桶 随用随取 采用直流反接 小电流 多层多道焊的方法对裂纹进行补焊 对裂纹深度超过40mm的先补焊坡口深度的一半 进行一次脱氢处理 然后将裂纹全部补焊完 进行保温冷却 2 门体对口焊接 1 裂纹补焊完冷却后将门体倒立 按原标记组队 点焊槽钢对焊好进行固定 2 预热时将内加热器置于门体内 门体外布置履带加热器或绳状加热器 用保温材料包好 保温材料不小于60mm厚 加热温度为300 350 3 焊接时根层用氩弧焊打底 氩弧焊丝用TIG R31 2 5mm 使用前用砂纸清理干净 填充层用R317L 3 2mm和 4 0mm焊条 焊缝焊到坡口深度的一半时停下来 主汽门裂纹修复 4 第一次热处理时焊缝焊到坡口深度的一半时对门体采用内外加热进行一次整体热处理 热处理时先布置热电偶 再布置内置加热器 将门体倒置 布置外加热器 热电偶 按设计曲线控温 5 热处理后对焊缝进行第二次焊接时 使用R317L 4 0mm焊条 将焊缝全部填满后进行第二次热处理 6 热处理温度控制 300 以下时 升温速度小于70 h 300 710 时 升温速度小于30 h 710 时恒温8h 降温控制 710 300 时 降温速度小于30 h 300 以下时 停电保温缓冷 不控制 由于采用了内置加热器及对门体内外壁同时加热 内外温差小于50 热处理曲线如下图所示 主汽门热处理曲线图 主汽门裂纹修复 四 焊后检验 1 门体表面检查 门体不允许有裂纹缺陷 非加工面上允许存在的缺陷 单个缺陷面积不大于0 5mm2 每100cm2平面上不多于2个 整个平面上缺陷面积的总和不超过该平面总面积的1 两个缺陷间的距离不得小于缺陷最大直径的6倍 2 门体硬度检测硬度值HB 130 201之间 门体结合面 密封面经气密性检查及门体变形检查合格 3 焊缝检验按厚壁管焊接有关标准检验 4 焊后需要对门口结合面 门座密封面进行气密性检查或打压试验 汽轮机低压缸结合面补焊 汽轮机低压缸长期运行会出现结合面裂纹或磨损的现象 汽轮机低压缸结合面一般材质为铸铁 在大修时可以对其进行焊接修复 一 焊接性分析汽轮机低压缸结合面一般是铸铁 再出现裂纹或磨损时可用手工电弧焊方法进行补焊 补焊铸铁时 一般选用铸铁焊条 但由于有的设备受环境 条件 工件尺寸的影响 补焊要求不高时也可采用J507及镍基焊条进行补焊 二 焊前准备1 裂纹检查检查裂纹长度 为防止裂纹扩展 应在离裂纹端部5 10mm处钻止裂孔 止裂孔直径为 5 8mm 2 选择焊接设备选择特性良好的逆变焊机 3 坡口制备根据裂纹走向和深度 用角向磨光机将裂纹磨掉 并打磨坡口 坡口要求圆滑 无尖角 在能保证质量的前提下 尽量减小坡口的角度 并仔细清理缺陷附近的铁锈 油污等杂物 4 选择焊接材料选用J507 2 5mm Z308 2 5mm 使用前进行300 350 烘干 分别装入保温筒 随用随取 汽轮机低压缸结合面补焊 三 焊接工艺措施 1 坡口较小时Z308 2 5mm焊条直接进行补焊 补焊时采取小电流 快速焊 以减小线能量的输入 采用窄焊道反向分段退焊 并且每焊20mm左右 立即用特制的锤子迅速锤击焊道 待焊缝冷却到60 时 再焊下一道 以减小焊接应力 2 坡口较大多层焊时可采用热敷过渡层的方法 在确认全部裂纹挖尽的坡口边沿150mm范围 用火焰加热至250 300 紧接着用E5015 2 5mm焊条从坡口最深处起焊第一道焊道 以后的焊道均覆盖前一焊道表面的1 2 且一律围绕第一道焊道绕圈焊 每次换焊条时动作要快 使熔池尚未冷却时 即快速接头 这样不但接头平整 而且可有效防止裂纹 不论焊接工作量多大 均要一次焊完 每焊一道要严格的清理焊渣 其焊层的厚度均为所用焊条直径的1 1 5倍 应将各部位全部敷焊至坡口边缘后 再用一个完整的焊道焊一整圈 并使其高出母材3 5mm 以备焊中间层的冷焊道不再接触母材 敷焊过程中 始终保持250 的层间温度 如温度不足250 就应立即用烤把加热达到温度后再焊 敷焊完毕后立即将温度升至300 恒温半小时后保温缓冷至60 四 焊后检验自检合格后进行超声和着色检验 五 打磨超平检验确认无裂纹后由钳工打磨超平 高压阀门门柄堆焊 高压阀门是高温高压装置的重要零部件 高压阀门门柄由于它的工作条件差 长期受水和蒸汽的侵蚀作用或制造精度不高 长期使用就容易磨损或损坏 对电厂的安全经济运行影响很大 在机组检修时可以用手工电弧焊对高压阀门门柄进行堆焊修复 具有重大的经济意义 一 焊前准备1 焊条的选择根据高压阀门门柄的工作情况不同 选用的堆焊材料也不相同 对于介质温度在450 以下的阀门 采用EDCr B 15焊条 对于介质温度低于600 的铬镍硅钼型的高温高压阀门 堆焊材料选用EDCrNi B 15 EDCrNi C 15焊条 介质温度650 以下的阀门 采用堆817焊条 焊前焊条进行250 300 烘干1 1 5h 2 焊件清理将堆焊处附近10 15mm范围内清除铁锈和油污等杂质 使基体露出金属光泽 高压阀门门柄堆焊 二 焊接操作技术要求 1 将堆焊部位预热 对介质温度450 以下的阀门预热300 以上 对介质温度低于600 的铬镍硅钼型的高温高压阀门预热450 对介质温度650 以下的阀门预热500 600 2 焊接底层时采用小电流 窄焊道 短弧操作方法 3 焊接过程中始终保持预热温度 不间断的一次完成底层 4 焊接其他层时可用大电流提高焊接温度 5 焊接过程中随时测量尺寸 当尺寸够用时即可停止堆焊 6 焊后必须进行高温回火热处理 对介质温度450 以下的阀门可经750 780 退火 加工后再经950 1000 空冷或油冷 重新淬火 对于介质温度低于600 的铬镍硅钼型高温高压阀门焊后要求缓慢冷却 硬度不大于HRC40 对于介质温度650 以下的阀门 焊后回火温度600 700 保温1h 缓冷 7 热处理后进行检查 确认无裂纹后进行机械加工 三 焊后质量检查热处理后进行检查 确认无裂纹后进行机械加工 机械加工后委托进行着色检查 合格后方可交付使用 汽轮机叶片的焊接 汽轮机叶片是将高温 高压蒸汽的热能转变为机械能 处于拉应力 扭应力和弯曲应力下工作 由于气流脉动的影响而产生振动 使叶片受交变载荷 在湿蒸汽区工作的叶片还会产生电化学腐蚀和水滴冲刷磨损 汽轮机长时间运行后 末级叶片会有冲刷腐蚀现象 严重以后无法安全使用 可用焊接的方法进行修复 汽轮机末级叶片材质大都是用1Cr13或2Cr13马氏体不锈钢制造的 利用焊接方法修复汽轮机叶片具有很大的经济价值 一 焊接性分析2Cr13马氏体不锈钢焊接性较差 因为在焊后出现奥氏体向马氏体转变 由于提及发生变化 导致硬度增加 塑性降低 淬硬倾向较大 焊后残余应力很大 容易产生裂纹 为了获得具有耐蚀性能好 力学性能高的焊缝 必须选择适当的焊丝 进行焊前预热 焊后热处理等工艺措施 二 焊前准备1 选择焊接设备选择性能良好 具有高频引弧和衰减熄弧功能的逆变焊机 2 对接缺角叶片的加工根据叶片损坏程度划出型线 用磨光机将损坏部分切掉 拼接用2Cr13钢片应有材料合格证明 与叶片具有相同的力学性能 对接片进行调质处理 1000 油淬火 710 回火 汽轮机叶片的焊接 3 引弧板和熄弧板的加工引弧板和熄弧板用1Cr18Ni9Ti制成 尺寸为45 20 3mm 4 皮口的制备及对口要求将对接坡口加工成60 V型坡口 开口方向在内弧侧 钝边1mm 对口间隙2 5mm 并根据工艺试验时找出的变形规律 预先进行适量的反变形 补焊块形状和焊接位置如下图所示 5 选择焊接方法选择手工钨极氩弧焊方法 6 焊工选择具有氩弧焊合格证且经过焊前练习并考试合格 经验丰富责任心强的高压焊工担任此项工作 7 选择焊接材料选择与叶片化学成分相近的H1Cr13 2 0mm焊丝 补焊块形状 焊接位置图 汽轮机叶片的焊接 三 焊