（山西京玉发电有限责任公司 山西省朔州市 037200）
摘要：对某发电厂大修发现的中压内缸裂纹进行了原因分析，结合缸体厚度、补焊填充区域大小，分析对比了两种焊接修复方法，最终确定了采用同材质低氢抗裂焊条挖补的处理方案，大修期间采用该处理方案处理了大量主、再热汽阀外壁裂纹挖补及阀体信号管角焊缝裂纹挖补处理，结果证实是可行的，对大型铸钢件缺陷处理及修复有一定意义。
关键词：中压缸裂纹；焊接修复；裂纹处理
0 引言
火力发电厂高温高压汽缸、阀门等大型铸钢件服役温度高、体积壁厚大、变截面多等因素，常常因铸造缺陷、运行等原因产生裂纹。同时随着大容量机组的不断深度调峰带来的温、压变化和频繁启停，使得大型铸钢件的服役工况更为恶劣，易发生缺陷扩展或萌生裂纹。大型铸钢件的裂纹挖补存在拘束应力大、焊接裂纹倾向大、热处理及变形控制困难等难点，根据部件材质、裂纹位置、大小，合理选择焊接修复方法尤为重要。
1 设备概况
某电厂#1汽轮机是北京北重汽轮电机有限责任公司制造的型号为N330-17.75/540/540型、亚临界蒸汽参数、一次中间再热、直接空冷、单轴双排汽采暖抽汽供热式机组。该机组于2011年12月29日投产运行，已累计运行近50000h。2019年1号机组大修时检查发现中压内缸上缸内壁第3隔板定位环变截面处存在一条长约220mm裂纹。
2 裂纹原因分析及消缺
2.1原因分析
裂纹位置位于隔板第三定位环根部，如下图1、图2所示，裂纹长约220mm，形貌观察裂纹起源与定位环底部，呈线状，未发现次生裂纹。经金相检测，裂纹附近组织为贝氏体，裂纹远处组织为珠光体+铁素体，两个区域的组织间有熔合线，可以证明裂纹区域经过补焊，裂纹沿熔合线分布，具体原因分析如下：
1）便携式半定量光谱检验焊缝材质与母材一致，通过裂纹及周边母材硬度检测，母材平均硬度值152HBW，焊缝硬度平均值240HBW，硬度值在合格范围内，但焊缝硬度高于母材较多；金相组织分析，焊缝组织为不均匀的条状贝氏体组织，说明原始补焊焊接线能量大或热处理工艺执行不当造成冷速较快；
2）裂纹消缺过程中未发现缩孔、缩松等铸造原始缺陷，基本排除铸造原始缺陷扩展开裂；
3）裂纹位置正处于定位环根部R处，处在应力集中区；
4）机组运行约5万小时，累积启、停共108次，且自2017年开始频繁参与深度调峰，温、压波动应力变化较大。
综上所述，综合判断为制造过程中缺陷挖补和焊后热处理工艺不当造成补焊区域组织和性能上的不连续，残余应力较大，且在长期服役过程中随着应力释放在交变应力作用下疲劳开裂并扩展。
2.2裂纹消缺及坡口加工
汽缸结构复杂，角磨机打磨易造成补焊区域扩大，补焊焊肉填充多收缩应力大，故采用电磨机钢磨头打磨。为了防止裂纹扩展采用平钻头在裂纹尖端打10mm深止裂孔后开始打磨裂纹，随时用5倍放大镜观察，逐步打孔和裂纹打磨，直至裂纹全部消失后修磨利于焊接，消缺过程中按照保证裂纹消除的前提下，尽量减少焊接填充量，减少焊接应力和变形。经打磨确认裂纹深约60mm，补焊区域最宽处30mm，长240mm，端部R=15mm。该部位缸体厚度65mm，按照DL/T753《汽轮机铸钢件补焊技术导则》规定：未穿透性裂纹采用U型坡口，坡口尺寸α≥10°，R≥5mm。结合现场打磨情况修磨坡口角度α=15°，端部倒角R=10mm过渡，如下图3所示。坡口加工完成后着色检查，无NB/T47013-2015《承压设备无损检测》规定的3级以上缺陷及其他危害性缺陷，清理坡口区域待焊。
.png)
图1 裂纹形貌
Fig.1 crack morphology
.png)
图2：裂纹位置
Fig.2 Crack location
.png)
图3坡口示意图
Fig.3 Groove diagram
3焊接修复
3.1焊接工艺选择
通常，汽轮机铸钢件现场补焊采用同质冷补焊和异质冷补焊。ZG17Cr1Mo1V材质焊接性能较差，易产生裂纹，为防止产生裂纹和获得满意的焊接接头性能，必须采用焊前预热和焊后高温回火，但中压内缸缸体形状复杂预热和焊后热处理实施困难，同时大面积升温热处理整体变形难以控制，无法保证装配尺寸。镍基焊材用于铸钢件补焊Ni元素能抑制长期高温运行合金元素迁移形成脆化层再次开裂，但焊缝硬度值对比与母材相差较大，长期运行后易因成分和组织性能不连续在应力作用下产生裂纹。综合考虑后采用低氢抗裂同材质焊材修复，同时为了降低冷却速度和收缩应力、焊接残余应力，对加热工艺进行优化，辅助局部低温预热和施焊中及焊后去应力处理。
3.2焊接及注意事项
3.2.1焊接前准备：
1）按照要求清理打磨坡口及周边露出金属光泽；
2）采用超低碳、超低氢的R407L焊条焊前烘焙430℃，1h，置于保温桶中，随用随取；
3）缸体内壁补焊区域及周边200mm范围内用烤枪均匀加热至200-250℃，考虑到缸体较厚散热块，为了保证加热效果在缸体外壁采用ZWK-Ⅰ-90KW型控温热处理设备加热，加热片采用履带式远红外加热片，现场制作托架安装将2块10KW加热片紧贴缸体外壁对应位置，保温厚度不小于90mm，恒温150℃辅助加热；
4）温度控制采用红外线测温和热电偶进行监测。
3.2.2焊接注意事项
1）焊接时每层焊道焊接方向相反，起落弧位置应错开并不得在坡口端部R处起弧和终止，防止在补焊区域R处应力集中。每条焊道长度不超过30mm，层间焊渣清理干净；
2）焊接过程中每层焊道采用0.4-0.6MPa压力的压缩空气气锤锤击的方法去除应力，锤头锤痕0.5mm，需要注意必须在每焊完一个焊道在焊缝红热状态下立即锤击，且从焊缝中间向两侧沿焊缝纵向锤击，注意首层和盖面层不锤击；
3）每焊完一层焊道，用5倍放大镜立即检查，发现缺陷立即清除，确认无裂纹时进行下一层补焊；
4）焊接采用一次焊接完成，中间不得间断，焊后余高1-2mm，保证修配加工余量；
5）焊接完成后立即用烤枪对焊接区域及周边加热20分钟并用保温棉包覆缓冷。
4检验
1）检验时机安排在焊接完成24h冷却后；
2）表面磁粉检验，无裂纹等超标缺陷迹痕显示，对补焊区打磨光滑后用超声波直探头进行检测，未见可记录缺陷波显示。硬度检验焊缝和母材硬度值相差较小，焊缝硬度值与原始焊缝硬度对比明显降低，硬度值符合行业标准要求。金相组织检验无异常，母材为铁素体＋珠光体，焊缝组织为粒状贝氏体，如图4、图5所示。
.png)
图5 母材金相组织
Fig.5 Metallographic structure of base metal
.png)
图6 焊缝金相组织
Fig.6 Metallographic structure of weld
5结论
大修期间，采用低氢抗裂焊条辅助局部预热和去应力处理工艺对缸体、高压主汽阀和再热主蒸汽阀进行了缺陷挖补处理均一次成功，各项检验合格。说明该工艺方法对于缸体局部补焊、铸钢阀门表管等接管焊缝补焊、主汽阀等局部小范围挖补处理是可行的，可供参考。
参考文献：
[1] 卫志刚.刘润平.王英军等.200MW汽轮机缸体修复[J].内蒙古电力技术.2004.22.（6）：11-13；
[2] 张志广.高温高压汽轮机缸体裂纹修补处理工艺[J].安装.2004.9：10-11
[3] 国家能源局.DL/T753-2015汽轮机铸钢件补焊技术导则[M].北京：中国电力出版社.2015
[4] 姜求志.王金瑞.李益民等.火力发电厂金属材料手册[M].北京：中国电力出版社.2000
[5] 王立新.孙常明.鲁玉龙等.600MW汽轮机高压内缸裂纹的焊接修复[J].内蒙古电力技术.2010.28.（S2）：94-96；
[6] 肖峰.丁建生.宋永辉等.ZG15Cr1Mo1V型缸体材料裂纹焊接修复[J].铸造技术.2012.33.（8）：971-974；
[7] 卫志刚.汽缸裂纹缺陷焊补及缸体结合面堆焊处理[J].华北电力技术.2006.7：29-31；
作者简介：
陈志军（1987-），男，内蒙古人，工程师，主要从事电站金属监督检验、失效分析工作。