650 MW汽轮机高压缸接管焊缝缺陷焊接修复

余 迎 崔桦楠

（海南核电有限公司 海南昌江）

一、引言

对于刚性和拘束度较大、结构较复杂的汽轮机高压缸大型铸件，其底部接管焊缝由于母材具有较强的冷裂纹敏感性，较易产生冷裂纹，在机组冷热循环的冲击下，极易造成接管的开裂泄漏，必须进行焊接修复。然而，对于汽轮机高压缸这样的大型铸件，在现场进行补焊具有一定的难度，主要是因为受现场条件限制，不能像制造厂那样按照相关标准采取传统的焊接方法进行焊接修复。因此，应依据现场条件，合理制定焊接工艺对汽轮机缸体进行修复，使之满足运行使用条件需要。

二、机组概况及存在的缺陷

某核电厂机组为650 MW饱和汽轮机组，采用哈尔滨汽轮机厂有限责任公司生产的HN650-6.41型单轴、4缸6排汽、反动凝汽式汽轮机，是消化吸收美国西屋公司核电汽轮机技术，在秦山二期1#、2#汽轮机基础上改进完善的自主设计制造的国产首台650 MW核电汽轮机。

2010年11月，作为经验反馈项目，对高压缸焊缝进行PT复检，发现高压缸24条接管上的28条焊缝存在超标线性或圆形显示。上述超标显示虽未裂穿，但如不处理将会继续扩展，危及机组的运行安全。经研究决定对上述超标显示区域进行机械打磨，裂纹源清除后，发现有19处接管需要补焊。部分缺陷接管焊缝如图1所示。

三、高压缸铸件可焊性分析

图1 部分缺陷接管焊缝

高压缸内、外缸材料均为ZG15Cr2Mo1，ZG15Cr2Mo1各元素化学成分见 表 1， 其 碳当量 0.74%～0.98%，焊接接头具有较强的冷裂纹敏感性。在力学性能上，厚壁铸钢件的韧性通常不高。因此，高压缸体补焊具有冷却速度快，拘束度大的特殊性，决定了补焊区较易产生冷裂纹，因此必须采用合理的工艺措施加以预防，使其不但能够防止冷裂纹，而且还应保证补焊区金属的热强性、抗热疲劳性、组织稳定性，防止产生附加变形和应力。

表1 ZG15Cr2Mo1各元素质量分数

四、焊接方法选择

补焊工艺要根据缸体材料种类、原始组织状态及不同的缸体结构而定，一般可选用同质热补焊和异质冷补焊工艺。

表2 ZG15Cr2Mo1焊接工艺

1.同质热补焊方法

采用化学成分与力学性能与缸体相近的珠光体耐热钢焊条如R307或R317焊条进行焊条电弧焊。这种焊接方法的优点是，同种材料焊接，金属组织相同，不存在异种钢焊接问题；机组在运行启停过程中，膨胀收缩一致，产生应力小；所用焊接材料价格低廉，成本低。缺点是，焊接变形难于控制；需要专门的热处理设备；施工条件差，由于预热温度高，焊接及热处理时，施工人员不易接近缸体。如果采用热补焊方法进行补焊，由于缸体的体积庞大、壁厚、散热快、结构复杂，现场难以采用电加热的方法进行整体预热和焊后热处理，难以控制焊接时的冷却速度，易产生淬硬组织，造成冷裂纹。如果采用局部热处理，局部高温预热易导致缸体变形，产生的附加应力会随时间变化危及机组的安全稳定运行。

2.异质冷补焊方法

采用化学成分与力学性能与缸体不同的奥氏体焊条如A307、A407、A507 进行焊条电弧焊。焊前预热 150～200 ℃，焊接过程中始终保持预热温度，控制层间温度不超过预热温度100℃，同时每焊一道即锤击焊道，连续完成焊补。焊后立即用保温棉覆盖，保温缓冷。这种焊接方法的优点是，由于采用冷焊方法，焊接变形小；所用焊接材料价格低廉，成本低。缺点是，由于奥氏体焊缝的线膨胀系数约是珠光体母材的1.5倍，因此接头中的热应力与焊接残余应力较大。

采用化学成分与力学性能与缸体不同的镍基焊条如ENiCrFe-3进行焊条电弧焊。焊前不预热，焊后不缓冷，只在焊接过程中每焊完一道，锤击焊道即可。这种焊接方法的优点是，焊接工艺简单，工作量小，施工环境条件好。缺点是镍基焊条价格非常昂贵。

综上所述，考虑到缸体体积庞大、结构复杂、壁较厚、散热快，现场难以采用电加热的方法进行整体预热和焊后热处理，采用奥氏体不锈钢异质冷补焊的焊接工艺。使用E16-25MoN-15（A507）直径3.2 mm、4 mm焊条进行填充焊接。在现场选定缺陷最深、施焊难度最大的焊缝进行补焊，缺陷用冷机械加工方法打磨至缺陷消除或剩余壁厚3 mm，用冷焊工艺（A507焊条）施焊2道，焊后 48 h，做PT检查，PT合格后再施焊2层，48 h后重复做PT检查，合格后即可进行其余缺陷的补焊。

五、焊前准备

用砂轮、旋转锉或碳弧气刨等方法去除接头焊缝上所有超标缺陷，若直至剩余焊缝厚度在3 mm以内仍未清除彻底时，可不再进行挖除而现状使用。在施焊方便的前提下，补焊坡口应尽量小。坡口形状不应有急剧变化，表面应平整、底部平缓，不允许有尖角存在且补焊坡口及周围10 mm范围内的表面应露出完好的金属光泽。

着色检查，坡口表面及其周围20 mm内不得有任何裂纹、成排气孔和长度＞1.5 mm的线性显示。用酒精或丙酮清洁补焊区及周围区域≥150 mm的范围，去除油脂等杂质，保证焊接时不会有污染物流进焊缝影响焊接质量。采用碳弧气刨铲除缺陷时，缺陷区域及其周围30 mm内均匀预热至150～200℃，刨后用砂轮、旋转锉打磨掉1 mm左右去除表面渗碳层。

焊条使用前应进行250℃，1 h烘干处理，使用时应放在80～120℃的便携式保温桶内随用随取。

六、焊接工艺

焊接工艺见表2，选用A507直径3.2 mm焊条，手工电话焊，直流反接，在保证熔合良好的前提下，尽量选用80～110 A的焊接电流，以减小母材对焊缝的稀释。

焊接过程中采用断续焊，从下至上堆高将坡口全部覆盖，后焊道压先焊道，用直径3.2焊条堆焊3～4 mm过渡层，道间应有1/3叠加，堆焊应连续进行，焊后盖上石棉布缓冷至室温。焊条使用完后不能立即熄弧，应停止焊条移动，待弧坑填满后，缓慢逐渐拉长电弧至熄灭，以防止出现弧坑裂纹。打磨焊缝表面粗糙度不低于Ry12.5，待检面及其邻近至少25 mm范围之内应是干燥状态，无灰尘、油脂、棉织物、锈、焊剂、焊接飞溅、油或者其他妨碍探伤进行的外来物。为了尽量减小汽缸的变形和应力，应采用多层多道焊，所有焊接过程中均采用逐层逐道焊接，层间仔细检查。自检每层焊缝的表面质量，焊缝表面及其周围20 mm内不得有任何裂纹、成排气孔和长度＞1.5 mm的线性显示，如发现有气孔、夹渣、裂纹、未熔合等缺陷，应彻底清除，确认无焊接缺陷后才能继续焊接。用A507焊条进行填充焊接，道间温度控制在≤50℃，每道焊后目视检查应无裂纹。

冷焊每1层后，锤击焊缝约15 s，以消除应力或减小应力集中。锤击的方法是先锤击焊缝的中部，后锤击焊缝两端，锤痕排列应紧凑，锤击的程度以肉眼清晰可见锤痕为准。必须把焊缝上的每点都锤击到。最后1层焊道应覆盖前一层焊道宽度1/3，且焊道长度不宜超过50 mm。每个补焊区焊接完毕，锤击30 s，再对焊缝及其周围150 mm的区域内进行局部均匀预热至300℃左右，保温时间约10 min后用保温棉包裹，使其自然冷却。

七、结束语

焊接及热处理完成后，使用角磨机对补焊区与进行表面修磨。使之与母材圆滑过度，然后依据相关标准对补焊区与进行了各项检验。依据DL/T 869-2004《火力发电厂焊接技术规程》对补焊区与进行外观检验，未见超标缺陷。对补焊区与进行渗透探伤检验，未见表面裂纹等缺陷存在。