张宗雷
上海启精机电设备有限公司 上海市 201417
摘要：汽轮机注气阀门为机器转子安全运转与整个机组的安全运行提供重要保证。汽轮机主汽调节阀作为保证汽轮机安全运转的保护元件，它质量好坏直接对汽轮机在运转过程中出现的蒸汽压力产生影响。汽轮机主汽调节阀有体积大、材质特殊、壁厚的特点，同时结构复杂，焊接修复难度大。在焊接修复与连接的过程，不合理的焊接温度在主汽调节阀焊接的过程造成局部热温度过高，阀门周边出现裂纹情况。如何提高汽轮机主汽调节阀焊接的质量，减小焊接过程中出现的焊接裂纹的可能性，提高汽轮机主汽调节阀的气密性是汽轮机主汽调节阀焊接关注的焦点。本文分析影响汽轮机主汽调节阀的功能与焊接现况，结合具体材料特性探讨汽轮机主汽调节阀焊接的工艺性，提出在焊接工艺中的优化措施，从而为提高主汽调节阀焊接质量提供理论性的指导建议。
关键词：汽轮机 主汽调节阀 质量因素
在汽轮机市场中，汽轮机的使用寿命与安全性能是决定使用汽轮机的制造业生产正常运转的重要因素。汽轮机的强行启停对主汽调节阀的气密性与受热系数均有不同程度的影响[1]。汽轮机主汽调节阀作为易磨损易损耗的零件，通过焊接修复可提高主汽调节阀安全性。在主汽调节阀焊接的过程中，出现不易察觉表面裂纹，高温蒸汽在流过主汽调节阀门时，受到温度的影响，阀门裂缝增大，气密性降低，为汽轮机的安全运行带来强行运停的隐患[2]。因此，提高汽轮机主汽调节阀门焊接质量要从阀门材质与焊接温度以及焊接操作的角度考虑出发。
一、汽轮机主汽调节阀的功能与焊接
汽轮机主汽调节阀的主要功能体现在于主蒸汽进出量的调节上。主蒸汽通过锅炉对水分的加热形成带有一定热量的蒸汽，为汽轮机的运转提供能量。汽轮机的转速大小与做功状态可通过调解主汽调节阀改变蒸汽流量，满足不同工作状态对汽轮机做功的需求[3]。汽轮机主汽调节阀的磨损程度较高，要及时的对磨损的调节阀门进行焊接修补工作。主汽调节阀是链接锅炉和汽轮机的核心原件，它的功能决定了它材质结构的特殊性。它具有热稳定强、金属强度高的特点。通常情况下，汽轮机的主汽调节阀门壳是耐热铸钢材质如珠光体耐热钢（ZG20CrMo、ZG20CrMoV、ZG15Cr1Mo1V等），淬硬倾向性高[4]。在焊接过程中没有预热与适当的焊接温度下执行焊接，容易产生裂纹，缩短了调节阀门后续的使用寿命。其次，铸钢材料内部结构复杂，铸造后容易产生材料内部结构受力不均匀或局部韧性降低的问题，铸造后的毛坯零件会有各类铸造缺陷的问题出现。金属材料内部分子在热量的作用下，分子之间的相互作用力减小，材料整体表面积会有增加的趋势。在温度下降的过程中，材料表面会有收缩的现象发生。在材料内部产生疏松结构，降低材料本身的之致密性能。在焊接的过程中，对温度的把控的准确性直接影响材料的焊缝应力。其次，采取碳弧气刨去除材质缺陷处时，局部加热导致晶体颗粒增大，焊接时不能完全融合，焊接缝合处韧性下降，不能起到“胶水”的作用,产生蠕变裂纹。因此，汽轮机主汽调节阀的焊接修补的结果既要满足主汽调节阀的有效运转功能，又要降低在焊接修补时对原材料造成的二次损耗[5]。
二、汽轮机主汽调节阀材质焊接性能
通常情况下，含碳量与合金的成分比例配比不同，汽轮机主汽调节阀材质的硬度与韧性不同。含碳量与合金元素较多，材质的生锈能力减弱，抗腐蚀能力增强，然而它的弊端在于焊接时，焊缝与热处理区域极有可能出现局部受热不均，产生淬硬组织，焊件刚性与接头应力较大，极易出现裂纹的问题。通过国际焊接学会推荐的含碳量计算公式可计算出碳合金属的含碳量[6]。也可通过资料查阅相应的材料型号与性能指数，了解合金与含碳量比例。含碳量超过0.5，属于含碳量较高的材质，它的硬度较高，耐磨损性高。在焊接的过程中，要降低冷却速度，以免形成淬硬组织与材料表面的裂纹。如常见的材料20Cr3MoWVA钢，即含有元素Cr、Mo等金属合金元素的钢材，在低温20℃左右下，变形塑性高，可采取电弧焊和电焊时的焊接性，若采取气焊由于厚度小的因素容易出现裂纹问题。此外，焊接材料ENiCrFe-3焊条可对汽轮机主汽调节阀的裂痕和沙眼进行修补。材料化学成分如下表：
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通过材料表格可看出，两种材料的含碳量不一，硬度与韧性有一定的区别。焊接材料与母材料区别在于焊接材料要保证在补焊的过程中有一定的粘合性，其硬度小于母材料硬度[7]。
三、提高主汽调节焊焊接质量措施
1焊接材料的选择
焊接材料要根据所要焊接的物质的材料进行综合判断。补焊材料的性能与化学成分要与原材料相似，以某公司生产的主汽调节阀材质为例，该类材质为珠光钢为主，这类材质容易产生裂纹。因此，选取同材质的焊材如R307等，可提高补焊材料与母材料之间相互焊接的位点的耐用性，该方法运用在焊接面积较小的情况下。对于焊接面积较大的情况下，采用整体预热处理，精准把握阀体的尺寸以及阀体材质的薄厚程度有助于焊接的成功率。其次，选取异质焊材焊补材料，可对阀体的铸造缺陷部位进行修补修复。奥氏体是指通过炭和其他金属元素以γ-Fe为溶剂形成的间隙固溶体[8]。奥氏体不锈钢电阻大，焊接时会引起局部热阻过大的问题，造成焊条与焊件粘粘或电流短路的不良反应。采用异质焊材修补时，在高温焊缝融合的状态下，在熔合线处容易产生碳迁移的现象，影响焊接处的吻合性。从命名为舍夫勒组织图观察发现，选用 A407 焊条中的Ni 元素可有效阻止碳迁移现象发生。采用选用异质焊材修补主汽调节阀门局部区域修复，相比于同质性焊材修复材料，效果较好[9]。
2焊接操作的改善
在焊接的过程中注意分层焊接。选择合适的电流，在坡口内形成稳定的引弧，焊条与工件的倾斜角保持80°~85°或将焊条角度调至为90°，减少未焊透、凹陷的缺陷的产生。在断乎焊接时，采取“三角形运条法”即焊条沿着焊接的方向做三角形摆动控制熔敷金属，形成较好的焊缝。这样的做法优点在于可减少熔池局部温度过高的可能。在实施焊接的操作中，把握好引弧与断弧的操作时间，以达到熔孔形状大小一致的目的；控制每侧坡口钝边为1.5~2mm左右，进而形成正反两面都光滑的、均匀的焊道。然后，注意控制层间温度，保持打底层面的清洁，待焊件冷却温度达到60℃以下时，进行填充层焊接步骤，采取“倒8形运条法”连续焊接操作，焊条与工件的倾斜角度为75°~85°。这样做的好处在于可以将铁水充分的填充在弧口处，以免产生中间凸出、两侧有深沟的焊道。运条动作要均匀，电弧要断，防止在弧口表面产生碎渣。填充焊缝层低于焊件表面1.5～2mm为宜，保持两侧坡口轮廓边沿的完整性。实施最后一层盖面层的焊接。温度设定与填充层温度相同，电流量稍小与填充层，焊条是运行角度与填充层相同。采用“反月牙形运条”方式施焊，达到控制焊缝表面成形的目的。焊条在摆动时做月牙形摆动划线方向向上。注意熔池上的温度，熔池温度过高会导致铁水下坠，熔池中间凸起，形成焊瘤。如果发现焊瘤的形成迹象，要进行修磨后完成焊接操作，避免产生粗劣的焊缝表面。控制好熔池的状态呈现椭圆形，才能在焊层表面形成圆滑过渡的美观焊缝。
3铸件缺陷去除方式
缺陷的宽深比例在 1.4 到 1.7 之间，是保证铸件缺陷有效修复的重要指标。通常情况下，采用碳弧气刨、砂轮打磨或机械等加工方式进行缺陷去除。在缺陷打磨的过程中，采取电工工具进行打磨，避免采用风动工具进行打磨以免出现表面不光滑粗糙。在采取碳弧气刨方法进行缺陷修复环节时，需要打磨去除渗碳层与焊渣，保持焊接弧口清洁。焊接的准备与操作过程中要尽量避免尖锐过度与焊接死角的形成。在焊接缺陷区域前，可对材质进行回火处理，减小材料内部残余应力。
4采取焊后降温处理工艺
部分材质如ZG20CrMoV 和ZG15Cr1Mo1V等均具有延迟裂纹的趋势，有效的后热处理为减少该状况的发生提供有力条件。汽轮机主汽调节阀焊接完成后，将焊接接头处和周边区域加热至350℃左右，采取石棉布包裹焊接区域，使温度缓慢降低。该步骤也为减慢氢气的散发，减少由于温度骤然下降引起上的焊接焊缝的骤裂。同时，减少焊接余热能量的干扰，提高焊接口组织结构的韧性。根据采取的焊接补料和母料钢材的性能，选择合适的热处理温度，可有效防止裂纹的出现，改善接头的美观性与圆滑程度。
四、总结
本文通过总结汽轮机主汽调节阀的作用与功能，主汽调节阀在运行中出现不可避免的出现磨损的日常维护问题，通过提高主汽调节阀的焊接质量，一方面可提高调节阀使用寿命，减少更换主汽调节阀所产生相关企业的日常维修的成本。另一方面，合理的主汽调节阀焊接操作方法可以提高焊接操作的有效性与安全性，解决汽轮机调节阀的磨损修复问题。本文从焊接材料的选择、焊接操作的改善、铸件缺陷去除方式、采取焊后降温处理工艺多个角度进行探讨提高主汽调节焊焊接质量措施。然而，优良的焊接水准，离不开有工作经验与操作手法熟练的焊接专业人才对主汽调节阀材质的熟悉与了解。制定有效的、复制性强、可执行能力强的汽轮机主汽调节阀的焊接操作规范，对于提高焊接人员的工作效率有重要的意义。
参考文献：
[1]徐克鹏, 蔡虎, 崔永强,等. 大型汽轮机主汽调节阀的实验与数值分析[J]. 动力工程学报, 2003(06):2785-2789.
[2]郑国, 张甘泉, 胡晏铭. 300MW汽轮机主汽调节阀组流动特性分析及优化改造[J]. 中国电力, 2016(4):119-123.
[3]郑国, 张甘泉, 胡晏铭. Flow Characteristics Analysis and Optimization of the Main Steam Control Valve in 300-MW Steam Turbine Units[J]. 中国电力, 2016, 049(004):119-123.
[4] Tan J . Simulation Analysis of Impacts of Flow Characteristics on Power Oscillation[J]. Lecture Notes in Electrical Engineering, 2015, 334:317-323.
[5] Yao J , Jiang K , Yao C . Analysis of LPG Engine PID Parameter Control of Transient Air-fuel Ration Based on Improved Elman Neural Network[J]. Journal of Software, 2010, 5(1).
[6]陈力. 某9E燃机电厂汽轮机主汽调节阀冲转过程中阀杆抖动处理[J]. 区域治理, 2019, 000(002):171.
[7]周晶水. 试论汽轮机调节阀的汽流激振分析与解决方法[J]. 科技传播, 2011, 000(004):230.
[8]李一兴, 张鲲羽, 田子希. 汽轮机主汽门无法开启的故障分析与处理[J]. 机电设备, 2019, 290(03):53-56.
[9]靖长财. 汽轮机高压调节阀或供热中压抽汽调节阀控制方式分析及建议[J]. 神华科技, 2017(6).
姓名：张宗雷
出生年月：1985.05
性别：男
民族：汉
籍贯：山东省单县
单位：上海启精机电设备有限公司