高_中压汽缸裂纹缺陷焊接修复

1、No.42009华北电力技术NORTHCHINAELECTRICPOWER47综述高、中压汽缸裂纹缺陷焊接修复宫俊峰(北京京能热电股份有限公司,北京100041)摘要:介绍了高、中压汽缸裂纹的处理及补焊过程,分析了裂纹的产生原因,并对补焊方法和焊接材料的选择以及焊补工艺进行了详尽的论述和探讨。关键词:高、中压汽缸;裂纹;补焊;镍基焊条中图分类号:TK263.1文献标识码:B文章编号:100329171(2009)0420047204Keywords:crack;repairwelding;nickel2basedweldingrods0引言汽轮机高、中压汽缸作为火力发电厂主要的热力设备,不仅平

2、稳运行状况下长期承受高温高压载荷作用,而且在启、停机以及负荷发生变化时还会受到交变应力的作用。这样就容易在汽缸结构的薄弱处或内部存在缺陷的位置产生裂纹,若不及时处理或处理不当,产生的后果及损失将是难以估量的。汽缸体材质为铸钢件,由于铸钢件壁较厚、铸造性能差,内部经常有沙包、缩孔等,且生产制造单位对制造过程检查发现的缺陷进行过补焊处理,在工作应力和热应力的作用下,上述缺陷区或者制造单位的修补部位会产生更为严重的裂纹缺陷,严重影响机组的安全运行。2008年北京京能热电股份有限公司(下称京位于后端轴封上部,共发现裂纹4条,表露原始长度最长为40mm,最短7mm;中压缸上缸裂纹区域靠窗侧出汽管,在约1

3、2060mm的区域内存在4条裂纹,最长为100mm,最短为20mm。通过打磨将裂纹清理干净后,高压缸打磨到长约300mm,中间最宽,向两侧延伸变窄,最宽处约42mm,最深处约40mm;中压缸打磨到长约140mm,最宽处约65mm,最窄处约10mm的梯形,最深处约25mm。112缺陷产生原因分析汽缸产生裂纹的原因是非常复杂的,不能简单地从某一方面分析,它涉及到设计、制造、运行等多方面的因素。11211与制造时应力分布和铸造缺陷有关在制造中在对汽缸进行浇铸时,因缸体体积较大,各处的厚薄不均,在冷却时各处的冷却速度也不一样,会使先、后冷却凝固的部位间存在拉应力,大小与结构的形状和型式以及结构的复杂程

4、度有关;另外,在液态金属流动较差的部位容易产生沙包等铸造缺陷。11212与制造时的补焊工艺有关能热电)3号机组大修中发现高、中压缸体裂纹,通过分析铸钢件材料的特性,合理地选择补焊材料及补焊工艺,完成了缸体重大缺陷的修复补焊工作。1缺陷产生的原因分析111缺陷描述3号机组大修中对高、中压缸体进行PT检查制造厂修复缺陷时采用的补焊方法一般为热补焊和冷补焊两种。热补焊由于采取了焊前预热和焊后热处理等措施,补焊区的应力水平相对较时在高压上缸和中压上缸发现裂纹,高压缸裂纹48华北电力技术NORTHCHINAELECTRICPOWERNo.42009表1钢种化学成分%VPSNiCuAlMo0.400.60

5、0.030.030.030.030.025表2钢种力学性能钢号ZG20CrMoZG20CrMoV屈服强度0.2/MPa抗拉强度b/MPa245315460490伸长率5/%1817断面收缩率/%冲击吸收功Akv/J30302424硬度HB135180140220低;而冷补焊时,制造厂一般都使用奥氏体焊条,由于不进行焊后热处理,补焊区的残余应力水平较高,且奥氏体材料与低合金钢的热膨胀系数相差较大,在运行中由于温度的变化会产生一定的附加应力。112130.86;0.4,说明其淬,增加,不利于易析出淬硬组织。所以,Mo和ZG20CrMoV焊接时冷裂纹倾向较行时,温度和压力分布趋于稳定,这时温差引起的

6、热应力是不大的。当机组启、停、负荷发生改变时,汽缸各部分就会出现较大的温差,从而产生较大的热应力。若汽缸内部本身存在缺陷,于是一些应力集中的部位和缺陷处,在交变应力的作用下,就会诱发裂纹的产生。大,焊接性不好,常规焊接时要求进行焊前预热和焊后热处理消除应力。213焊接方法比较目前,国内对汽缸裂纹补焊一般采用两种方法:热补焊法、异质冷补焊法。热补焊法采用与汽缸材料相同的焊条,焊前对汽缸进行整体预热,焊后进行整体高温回火,补焊质量是令人满意的。但热补焊法有许多不利因素,即工件的变形难以控制,补焊工艺复杂,且劳动条件差,现场适用性差。异质冷补焊工艺主要采用镍基焊条,其焊缝为奥氏体组织,它在焊接的热循

7、环过程中不发生相变,因此从理论上讲奥氏体焊缝不要求预热和焊后热处理,这样可以简化工艺,减小热作用范围,减少工件的变形量和残余应力。同时奥氏体组织塑性高,从而有很好的抗裂性能。其优点是工艺简单,工作量小,并且不需热处理,工件不会产生大的变形。通过以上比较,大型铸钢件现场补焊修复宜采用异质冷补焊工艺进行。214异质冷补焊的焊接材料选择2焊接方法及焊接材料选择211缸体材料京能热电3号机组汽轮机是东汽产品,型号为NC200/140212.7/535/535,高压外缸材质为ZG20CrMo、中压缸前部材质为ZG20CrMoV。两种铸钢化学成分和力学性能见表1、2。212材料的焊接性ZG20CrMo和Z

8、G20CrMoV都属于低合金热强铸钢,适用于汽轮机的高温铸件,ZG20CrMo工作温度通常在510,ZG20CrMoV工作温度通常不超过540。依据国际焊接学会推荐的碳当量公式计算钢材的碳当量,进行焊接性分析:材料ZG20CrMo的碳当量Ceq1=C+(Mn/6)+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.5270.80;材料ZG20CrMoV的碳当量Ceq2=C+(Mn/6)+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.567目前,异质冷补焊工艺多数选用镍基焊条(如ENiCrFe22、ENiCrF23),其熔敷金属主要化学成分、力学性能见表3、4。选用镍基焊材,使用ENiCrF

9、e23焊条进行补焊的优点,主要表现在:(1)镍基焊条的线膨胀系数与珠光体的线膨No.42009华北电力技术NORTHCHINAELECTRICPOWER49%Nb+Ta0.53.0()TiCuFe表3可用的镍基焊条熔敷金属主要化学成分焊条牌号ENiCrFe22CNi剩余表4可用的不锈钢和镍基焊条熔敷金属力学性能力学性能抗拉强度b/MPa伸长率5/%ENiCrFe2255030ENiCrFe2355030mm镍基合金(ENiCrFe23)焊条。使用前焊条用胀系数接近,在补焊及运行过程中引起的残余应力和附加热应力均小得多。(2)镍基焊缝组织镍含量高,奥氏体组织稳定性较好,可以抑制母材中的碳扩散问题

10、,减轻了由于碳扩散带来的不良后果。(3)镍基焊缝对氢不敏感,氢的溶解度大,克服氢对母材的有害作用十分明显。综合考虑以上因素,为了保证修复的质量高、(ENiCrFe23)3311焊前准备(1)打磨清理裂纹,打磨工具使用角向磨光机和电磨头(装旋转锉头),清理时作好安全措施和防护,防止打磨的飞溅物伤人。(2)裂纹清理干净后,用PT方法确认。(3)坡口修理,补焊坡口尺寸设计不合理,也会影响补焊的质量。坡口过大使焊缝的填充金属增加,焊缝输入的热量增加,也就是扩大了焊缝热影响区;坡口尺寸过小,不能保证焊缝与母材的充分熔化,同时影响焊接操作,产生熔化不良或坡口未熔等缺陷。为了有效控制焊接应力和变形,减少焊接

11、工作量,坡口型式打磨成U型,根部R大于10mm,坡口内部圆滑过渡,应无尖角槽或棱角,坡口角度为20左右,并将坡口周围30mm范围内清理打磨出金属光泽。(4)准备焊接使用的焊接电源、焊条以及焊工使用的个人工器具。(5)准备好风泵、风管、气刮铲等锤击焊缝的工器具。(6)准备1台红外测温仪,在预热和焊接过程中监控温度。(7)准备2包硅酸铝棉毡,焊接完成后保温使用。312焊接工艺(1)补焊使用手工电弧焊接方法,选用D3.2烘干箱烘干,烘干温度为150,恒温2h,施焊前放在保温筒内随取随用。(2)铺底焊接采用低温预热,预热温度为80100。这样做的好处首先可以提高焊接速度,降低冷却速度,以便提高锤击的效

12、果,并且有利于焊缝金属与母材的熔合,减少焊接缺陷。(3)预热方法:氧-乙炔焰加热控制措施:利(4),反接。5。焊接时控制层间,70。,在此温度范围进行施焊。(6)因裂纹长度和深度都较大,补焊时应考虑应力和变形对汽缸的影响,焊接次序上采用分道、分段焊,焊条以不摆动为宜。(7)根据补焊区域的尺寸,合理安排焊接顺序,每一焊道应采用分段间断跳焊,每一段的焊接长度尽可能不超过50mm。(8)每段焊接停弧后,应立即用风动锤击工具锤击,直到焊缝上布满密密麻麻的麻点为止,以有效消除焊接应力。(9)注意控制焊道厚度,以不超过3mm为宜,在保证熔合良好的前提下,尽可能提高焊接速度。(10)每层焊接完成后,应用肉眼

13、仔细检查焊缝表面,确认无裂纹等缺陷后方可继续进行下一层的焊接。(11)盖面焊接要保证足够的修磨量,以高出周围缸体23mm为宜,呈圆滑过渡。(12)全部补焊完成后,应立即用保温材料覆盖补焊区,缓慢冷却至常温。(13)停焊冷却24h后,对补焊焊缝进行修理打磨清理,使焊缝及补焊周围母材露出金属光泽。(14)以JB4730级标准,对补焊焊缝及其周围进行PT检验。(15)记录补焊部位,在有拆缸检修时,打磨补焊过的部位及边界进行PT检查。4汽缸缺陷补焊411焊接施工将焊条进行150、12h烘干后,装入保温50华北电力技术NORTHCHINAELECTRICPOWERNo.42009筒内,带到现场,随用随取

14、。用大号的氧-乙炔烤把对所焊接的部位进行加热,预热温度控制在80100,加热要均匀。坡口表面温度不超过120,边预热边用点温仪进行测量。预热完成后进行正式补焊,整个补焊施工过程严格按照确定的工艺措施和参数进行,整个过程没有异常发生,补焊完成后使用保温材料覆盖进行保温缓冷至室温,并放置24h后进行PT检验。412焊后检验发现的问题及处理焊后24h后,将补焊焊缝和热影响区打磨清理干净,露出金属光泽,采用肉眼观察和PT相结合的方法,对补焊的焊缝及热影响区特别是熔合线位置进行了检查,中压缸补焊焊缝及其热影响区没有发现裂纹、未熔合等缺陷。高压缸补焊焊缝在原裂,长约10mm;清理,补焊,PT检验,焊缝未熔

15、合等缺陷。缸体的焊接性较差。(2)通过对焊接方法的分析比较,采用同材质热焊法修复缸体裂纹,焊接工艺复杂,工作环境恶劣,焊接变形大,控制困难;采用镍基焊条冷焊法修复缸体裂纹,可以降低施工难度,简化施工工艺,修复后能够保证质量。(3)通过实践证明,采用镍基焊条修复缸体裂纹,制定的焊接施工工艺和措施是恰当的。参考文献1周振丰,张文钺.(第2版).北京:,.2DL.,9Cr21Mo汽缸补焊.汽,(2):1552156.,魏广海,赵卫东等.ZG15Cr1Mo1V阀门镍基焊条冷补修复.华北电力技术,2006,(12):28229.收稿日期:2009203209作者简介:宫俊峰(1972),男,焊接工程师,

16、毕业于太原重型机械学院,工学学士。现主要从事发电厂检修的焊接技术管理工作。5结论(1)通过对高、中压缸缸体材料的分析,认为(上接第14页)(本文编辑杜秋平)几个方面:a)在设备接口附近的管道上合理地装设限位支吊架,可以减少管道对设备的推力和力矩,甚至改变推力的方向。限位支吊架主要对离它近的端点影响较大,要减少某端点的推力,就应当在该端点的附近装设限位支吊架。当汽机纵向布置时,主蒸汽、再热热段、再热冷段管道对汽机的推力主要以Y向为主,应在汽机中心线与管道相交处设置Y向限位(即通常的刚吊)或在设备接口附近设限位支架。b)在管系适当的地方装设限位支吊架,就能改变管道的固有频率,使其远离外界干扰引起的强制振动频率,减小振动。这是一种控制管道振动措施中最简单和最经济的措施。c)在管系适当位置加设限位支吊架,特别是在垂直管段上加设刚性吊架后可增加管道稳定性,防止管道下沉。总之在管系中合理地设置刚性吊架和限位支吊架,能有效地控制管系的热膨胀,有利于管道的安全运行,