趙永明等

摘要： 對(duì)秦山核電站320 MW汽輪機(jī)靜葉裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，從母材的材質(zhì)性能、裂紋傾向、焊接拘束及應(yīng)力狀態(tài)等方面，對(duì)靜葉焊接修復(fù)的可行性進(jìn)行了分析，針對(duì)馬氏體不銹鋼的焊接修復(fù)特點(diǎn)，分析了不同的焊接修復(fù)方案，制定了合理的修復(fù)焊接工藝，著重闡述了裂紋挖補(bǔ)、焊前預(yù)熱、母材小熱輸入焊接、焊后熱處理及焊后PT檢查等一系列修復(fù)措施。

關(guān)鍵詞： 馬氏體不銹鋼；靜葉；焊接；修復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)： TG442

1課題背景

秦山核電站HN310 - 54.5型320MW凝汽式汽輪機(jī)為單軸，三缸，反動(dòng)式和凝汽式全速飽和蒸氣汽輪機(jī)，R14大修汽輪機(jī)開(kāi)缸后的在役檢查發(fā)現(xiàn)：調(diào)門(mén)端1級(jí)下隔板A側(cè)第18個(gè)靜葉片（簡(jiǎn)稱(chēng)靜葉）葉根處存在一處長(zhǎng)約15 mm的裂紋，由迎氣面葉片根部起裂向葉片內(nèi)、外邊緣擴(kuò)展，長(zhǎng)度約為15 mm，缺陷具體情況如圖1～圖2所示。

汽輪機(jī)靜葉片的損耗也會(huì)導(dǎo)致動(dòng)葉激振脈動(dòng)的加大而導(dǎo)致其斷裂損壞，而且靜葉一旦其發(fā)生斷裂與動(dòng)

葉發(fā)生碰撞，則會(huì)對(duì)整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。據(jù)美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)（EPRI）統(tǒng)計(jì)報(bào)道，由于汽輪機(jī)葉片失效而導(dǎo)致的全美電廠停機(jī)所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失大約在15.5～18.4億美元[1]。我國(guó)對(duì)100～200 MW汽輪發(fā)電機(jī)組的33次葉片事故情況的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，平均每次葉片事故所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1000萬(wàn)元人民幣[2]。因此，找出本次葉片斷裂的原因，制訂合理的焊接修復(fù)方案并有效實(shí)施，對(duì)提高葉片的壽命，有著重大的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)意義。

2靜葉片失效的原因分析

靜葉是汽輪機(jī)的關(guān)鍵零件，對(duì)汽輪機(jī)的安全運(yùn)行至關(guān)重要，導(dǎo)致汽輪機(jī)靜葉失效可能有如下因素：

2.1材質(zhì)的原因

秦山核電站調(diào)門(mén)端1級(jí)下隔板靜葉屬于鍛件，鍛造過(guò)程中如鋼中的含氫量較高，易產(chǎn)生白點(diǎn)、微裂紋等制造缺陷，這些缺陷在運(yùn)行過(guò)程中就可能成為葉片裂紋的發(fā)源地。

2.2停機(jī)后維護(hù)不當(dāng)及外來(lái)硬質(zhì)異物擊傷

機(jī)組檢修維護(hù)過(guò)程中，由于偶然遺留的硬質(zhì)異物等由蒸氣攜帶進(jìn)入汽輪機(jī)的通道，打傷靜葉片。

2.3長(zhǎng)期高溫疲勞過(guò)載

靜葉片材料工作狀態(tài)較惡劣：在較高溫度下工作同時(shí)又要承受蒸汽激振力、振動(dòng)以及濕蒸汽區(qū)水滴沖蝕的作用等。在這種工況下，如果靜葉片本身存在一定的缺陷或損傷，就極易發(fā)生缺陷的擴(kuò)展。

現(xiàn)場(chǎng)觀察該失效葉片裂紋宏觀形貌，大致分辨出裂紋走向?yàn)橛捎瓪饷嫒~片根部起裂向葉片內(nèi)、外邊緣擴(kuò)展，判斷可能的原因?yàn)槿~根部分由偶然遺留異物或外力擊傷后在工作溫度交變應(yīng)力作用下，裂紋可能會(huì)擴(kuò)展，因此需要采用焊接的方式進(jìn)行修復(fù)。

3靜葉片補(bǔ)焊修復(fù)的可行性分析

3.1靜葉片材料及結(jié)構(gòu)

靜葉片材料為10705BA，美國(guó)西屋公司牌號(hào)，屬12%型馬氏體不銹鋼，具有較高的室溫強(qiáng)度、韌性及冷變形性能，其最終熱處理后的金相組織為回火馬氏體+微量δ鐵素體，但δ鐵素體的含量不得超過(guò)5%。

低壓缸第一級(jí)靜葉片氣道為直通道，在與持環(huán)相配的頂部開(kāi)有一條寬4 mm的30°斜口，用半圓塞緊條將隔板固定于持環(huán)上，而內(nèi)徑采用圍帶圓鉚釘頭鉚接結(jié)構(gòu)。

3.2母材焊接性分析[3]

3.2.1材料性能特點(diǎn)

該鋼與ASME SA268 TP410材料及GB/T8732《汽輪機(jī)葉片用鋼》中的1Cr12Mo鋼等價(jià)，其主要化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1和表2。

3.2.2焊接冷裂紋傾向

冷裂紋的主要影響因素為鋼的成分（反映淬硬傾向）、擴(kuò)散氫及拘束度。1Cr12Mo鋼的碳當(dāng)量在2.5%～2.7%，從成分的角度來(lái)看，其冷裂紋敏感性相當(dāng)高；研究表明，氫脆對(duì)組織狀態(tài)相當(dāng)敏感，尤其對(duì)于1Cr12Mo這種高碳馬氏體鋼敏感度最大；結(jié)構(gòu)拘束度較大時(shí)，該鋼幾乎具備了冷裂紋產(chǎn)生的全部必要因素，具有相當(dāng)大的冷裂紋敏感性。

因此在該結(jié)構(gòu)件的焊接中宜采取焊前預(yù)熱、焊后后熱，及低氫焊材以避免冷裂紋的產(chǎn)生。

3.2.3焊接熱裂紋傾向

對(duì)于1Cr12Mo鋼而言，焊接熱裂紋主要與材料中的如S、P、C、Mn的元素含量及焊接工藝有關(guān)。

S、P等雜質(zhì)元素引起的雜質(zhì)偏析呈膜狀分布于晶界，形成的低熔點(diǎn)共晶體（如FeS），擴(kuò)大了凝固溫度區(qū)間的范圍，加大了焊接熱裂紋的產(chǎn)生傾向。此外，C，Ni含量的增加也會(huì)促使S的偏析，從而增加了熱裂傾向。研究表明，材料中適量的錳可以與S形成MnS，可以避免生成FeS，從而降低材料的熱裂傾向。

焊接工藝方面，熔池過(guò)熱、層間溫度過(guò)高易促使熱裂紋產(chǎn)生；此外，焊接速度過(guò)快，易增大熱裂敏感區(qū)CSZ（Crack Susceptible Zone）的寬度，增大熱裂紋傾向。

因此對(duì)于1Cr12Mo鋼的焊接，既需要控制母材及焊材中雜質(zhì)S、P的含量，又需要對(duì)C、Mn、Ni等合金元素進(jìn)行優(yōu)化配置，同時(shí)采用合理優(yōu)化的焊接工藝以避免熱裂紋的產(chǎn)生。

3.2.4焊接拘束及應(yīng)力狀態(tài)對(duì)焊接缺陷的影響

焊接拘束及應(yīng)力狀態(tài)對(duì)上述兩種1Cr12Mo鋼焊接中可能發(fā)生的裂紋形式都有很大影響。焊接拘束度大、剛度大則導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力狀態(tài)較高，易導(dǎo)致冷裂紋的發(fā)生；焊接拘束度大還會(huì)增大焊接成形時(shí)的應(yīng)變量及應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率，從而導(dǎo)致焊接熱裂紋的產(chǎn)生。

因此，合理布置焊縫、合理安排施焊順序，采用合適的工藝方法降低補(bǔ)焊區(qū)域的拘束應(yīng)力，對(duì)1Cr12Mo鋼結(jié)構(gòu)補(bǔ)焊修復(fù)有重要作用。

3.3靜葉片補(bǔ)焊焊接工藝的制定

從上述對(duì)母材的焊接性分析結(jié)果表明，1Cr12Mo鋼焊接性較差，焊接時(shí)產(chǎn)生冷、熱裂紋的敏感性較高，必須針對(duì)汽輪機(jī)靜葉片的結(jié)構(gòu)及消除缺陷后坡口的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、靜葉片材料化學(xué)成分及力學(xué)性能的特點(diǎn)，選擇合理的焊接材料及焊接方法，制訂合理的現(xiàn)場(chǎng)施焊工藝。

對(duì)于1Cr12Mo馬氏體耐熱鋼的補(bǔ)焊，常用工藝有二種：

（1）選用同質(zhì)焊接材料。即采用與葉片材料同質(zhì)的1Cr12Mo鋼焊接材料，為防止冷裂紋需預(yù)熱到200～450℃，且補(bǔ)焊后需要進(jìn)行高溫回火熱處理，回火溫度為680～720℃，該方法適用于較大厚度構(gòu)件的焊接修復(fù)，其優(yōu)點(diǎn)主要為同質(zhì)材料的接頭其結(jié)合性更好、補(bǔ)焊接頭的理化性能較高。

（2）選用鎳基或奧氏體焊接材料。即采用鎳基合金焊材或奧氏體鋼焊材作為焊接材料，該種焊接方法低溫預(yù)熱100～150℃即可，且焊后只進(jìn)行200～400℃后熱或包扎緩冷即可，對(duì)于堆敷量較小的堆焊，可采用這種方法進(jìn)行焊接。

（3）三種葉片補(bǔ)焊推薦焊接材料的預(yù)熱和熱處理規(guī)范如表3所示。

3.4靜葉片補(bǔ)焊工藝的最終確定

3.4.1焊接材料及焊接方法的確定

綜合考慮靜葉片的結(jié)構(gòu)因素及現(xiàn)場(chǎng)的施工條件：雖然采用同質(zhì)材料的接頭強(qiáng)度較高，但其技術(shù)要求亦較高，即在現(xiàn)場(chǎng)為了避免冷裂紋需要高溫預(yù)熱，為了使焊縫區(qū)域淬硬的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦唔g性的回火馬氏體，焊后需先使結(jié)構(gòu)整體冷至120℃以下保溫一段時(shí)間完成馬氏體轉(zhuǎn)變，再進(jìn)行（700±20）℃，保溫0.5 h的焊接熱處理，這對(duì)人員及設(shè)備都有著較高要求，以現(xiàn)場(chǎng)的氧乙炔火焰加熱方式，實(shí)現(xiàn)這樣的熱處理工藝難度相當(dāng)大，且難以控制，因此可控性不好，且因靜葉片補(bǔ)焊量較?。鸭y挖補(bǔ)后其坡口最深處僅7 mm），因此該方法未被采納。

反之，采用鎳基、奧氏體焊接材料針對(duì)補(bǔ)焊量較小的焊接結(jié)構(gòu)非常有效，且其對(duì)預(yù)熱及熱處理的要求都不高，因此該方法被確定為最終的補(bǔ)焊方法。因鎳基合金焊縫中的Ni含量較高，會(huì)促使S偏析，從而形成低熔點(diǎn)共晶物Ni+NiS，其熔點(diǎn)僅為650℃，從而增大熱裂傾向[3]，奧氏體鋼焊材雖然也有一定的熱裂紋傾向，但其低于鎳基材料，且從元素含量上看，其與1Cr12Mo鋼亦更為接近，因此選用奧氏體鋼焊接材料E309-15（SH A302），2.5mm，作為施焊材料。關(guān)于三種不同焊接材料形成接頭難度的具體比較詳見(jiàn)表4。

在焊接方法的選擇上，靜葉片補(bǔ)焊主要有兩種：即焊條電弧焊（SMAW）和鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）。因葉片處的位置較為復(fù)雜，且結(jié)合修復(fù)實(shí)施單位的工藝評(píng)定，現(xiàn)場(chǎng)采用焊條電弧焊作為補(bǔ)焊修復(fù)的焊接方法。

3.4.2焊接工藝參數(shù)的確定

最終確認(rèn)選擇采用奧氏體鋼焊材作為焊接材料，該種焊接方法低溫預(yù)熱至150℃，且焊后只進(jìn)行250℃后熱、包扎緩冷。施焊的具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

4.1母材確認(rèn)及焊材復(fù)驗(yàn)

母材由廠家確認(rèn)為10705BA（1Cr12Mo），且提供了相關(guān)材質(zhì)證明資料。

對(duì)焊材進(jìn)行了質(zhì)量復(fù)檢，按照AWS A5.4《手工電弧焊用不銹鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)》堆焊試塊，采用美國(guó)Nition XL2型合金分析儀進(jìn)行了化學(xué)成分分析，半定量確認(rèn)各元素質(zhì)量百分含量為Mo 0.12%，Nb 0.04%，Ni 12.05%，F(xiàn)e62.80%，Mn 1.80%，Cr22.51%，因此確認(rèn)該材質(zhì)為E309-15。

4.2缺陷清除及坡口制備

（1）清除缺陷選用機(jī)械方式，采用氣動(dòng)打磨刀具進(jìn)行清理；

（2）裂紋清除后進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，邊打磨邊確認(rèn)，直至確認(rèn)缺陷已徹底清除。

（3）在多次打磨及PT探傷之后，最終挖除深度為7 mm。

（4）坡口制備以減少焊接填充金屬量，降低焊接應(yīng)力和變形，避免產(chǎn)生焊接缺陷，便于焊接操作為原則，坡口為圓滑過(guò)渡，最終尺寸為30 mm×10 mm×7 mm

（5）坡口處15～20 mm范圍內(nèi)用不銹鋼鋼絲刷等工具打磨出金屬光澤，去除水、鐵銹、油污等污物，并用丙酮擦洗清理干凈。

（6）打磨時(shí)，用特制膠布保護(hù)好該葉片其他位置及周邊葉片，防止碰傷。

4.3焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱采用氧乙炔火焰加熱方法。焰心距葉片表面大于10 mm，并盡可能使葉片不同部位溫度保持均勻，預(yù)熱范圍為坡口兩側(cè)各50～80mm ，低溫預(yù)熱到180 ℃后包扎保溫棉緩慢冷卻至150℃，過(guò)程中采用紅外測(cè)溫儀確認(rèn)溫度。

4.3.1層間溫度

焊接修復(fù)過(guò)程中，層間溫度不得低于預(yù)熱溫度下限且不高于制訂工藝的最高層間溫度，即控制在150～200 ℃：當(dāng)?shù)陀陬A(yù)熱溫度下限時(shí)停止施焊，重新加熱到要求的層間溫度后繼續(xù)施焊；層間溫度的上限超過(guò)200℃時(shí)，待焊道溫度冷卻至200 ℃以下時(shí)再進(jìn)行焊接操作。

4.3.2焊接修復(fù)操作

（1） 焊前應(yīng)認(rèn)真用丙酮清除葉片坡口及其周?chē)挠臀?、水、銹及灰塵等雜質(zhì)；

（2） 焊接材料選用直徑25 mm焊條，采用SMAW焊接方法，采用小熱輸入量多層多道焊接，焊層厚度應(yīng)不大于焊接材料直徑，焊道寬度不超過(guò)焊接材料直徑的3倍；焊接時(shí)焊條擺動(dòng)幅度要小，焊道兩側(cè)停留稍長(zhǎng)時(shí)間，以利氣孔和焊渣的浮出，收弧時(shí)注意填充滿弧坑，以免產(chǎn)生弧坑裂紋；

（3） 焊道呈凸起狀，防止熱裂紋的產(chǎn)生；

（4） 補(bǔ)焊修復(fù)過(guò)程每一焊道完畢后，及時(shí)檢查焊層（道）表面，清理可能出現(xiàn)的裂紋、氣孔、咬邊、凹陷等缺陷，采用專(zhuān)用工具對(duì)焊道進(jìn)行清理后方可進(jìn)行下一道焊層的施焊；

4.5補(bǔ)焊焊縫的修磨、成形

補(bǔ)焊及焊后熱處理完成后，采用氣動(dòng)打磨刀具，對(duì)補(bǔ)焊靜葉焊縫整體進(jìn)行修磨，一是打磨掉可能存在的焊接缺陷，二是使之圓滑過(guò)渡，避免應(yīng)力集中，三是使葉片恢復(fù)焊前的形狀，保持結(jié)構(gòu)原貌。

5焊后無(wú)損檢驗(yàn)

葉片補(bǔ)焊并焊后熱處理、冷卻、修磨后12 h，對(duì)該補(bǔ)焊葉片進(jìn)行了滲透檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如下：對(duì)04廠房1#低壓缸調(diào)端下1級(jí)第18片靜葉片補(bǔ)焊處進(jìn)行100%液體滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)記錄性缺陷顯示。依據(jù)執(zhí)行程序，評(píng)定為合格。

6結(jié)論及意義

（1）對(duì)秦山核電站320MW汽輪機(jī)靜葉裂紋進(jìn)行原因分析，分析結(jié)果表明，裂紋產(chǎn)生在葉片的根部，由于高溫應(yīng)力集中等原因向兩側(cè)擴(kuò)展，因此需要對(duì)葉片進(jìn)行焊接修復(fù)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施了包括裂紋挖除、預(yù)熱、補(bǔ)焊、焊后熱處理、焊后修磨等焊接操作。無(wú)損檢驗(yàn)結(jié)果表明采用此種焊接修復(fù)工藝方法是可行的。

（3）靜葉片材料為10705BA（1Cr12Mo），該類(lèi)馬氏體不銹鋼不僅用于靜葉材料、也大量用于汽輪機(jī)動(dòng)葉及汽機(jī)的其它結(jié)構(gòu)部件中，借鑒馬氏體不銹鋼局部裂紋缺陷的修復(fù)方案具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]吳宇坤，周敬恩. 汽輪機(jī)葉片常見(jiàn)失效方式及現(xiàn)狀研究. 汽輪機(jī)技術(shù)， 1995， 37（6）： 362-367.

[2]祝曉燕，王彥惠. 汽輪機(jī)葉片疲勞壽命與故障診斷研究的發(fā)展及現(xiàn)狀，電力科學(xué)與工程，2000（2）：11-14

[3]陳伯蠡. 焊接工程缺欠分析與對(duì)策（第2版）. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2006： 58-121.

對(duì)于1Cr12Mo馬氏體耐熱鋼的補(bǔ)焊，常用工藝有二種：

（1）選用同質(zhì)焊接材料。即采用與葉片材料同質(zhì)的1Cr12Mo鋼焊接材料，為防止冷裂紋需預(yù)熱到200～450℃，且補(bǔ)焊后需要進(jìn)行高溫回火熱處理，回火溫度為680～720℃，該方法適用于較大厚度構(gòu)件的焊接修復(fù)，其優(yōu)點(diǎn)主要為同質(zhì)材料的接頭其結(jié)合性更好、補(bǔ)焊接頭的理化性能較高。

（2）選用鎳基或奧氏體焊接材料。即采用鎳基合金焊材或奧氏體鋼焊材作為焊接材料，該種焊接方法低溫預(yù)熱100～150℃即可，且焊后只進(jìn)行200～400℃后熱或包扎緩冷即可，對(duì)于堆敷量較小的堆焊，可采用這種方法進(jìn)行焊接。

（3）三種葉片補(bǔ)焊推薦焊接材料的預(yù)熱和熱處理規(guī)范如表3所示。

3.4靜葉片補(bǔ)焊工藝的最終確定

3.4.1焊接材料及焊接方法的確定

綜合考慮靜葉片的結(jié)構(gòu)因素及現(xiàn)場(chǎng)的施工條件：雖然采用同質(zhì)材料的接頭強(qiáng)度較高，但其技術(shù)要求亦較高，即在現(xiàn)場(chǎng)為了避免冷裂紋需要高溫預(yù)熱，為了使焊縫區(qū)域淬硬的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦唔g性的回火馬氏體，焊后需先使結(jié)構(gòu)整體冷至120℃以下保溫一段時(shí)間完成馬氏體轉(zhuǎn)變，再進(jìn)行（700±20）℃，保溫0.5 h的焊接熱處理，這對(duì)人員及設(shè)備都有著較高要求，以現(xiàn)場(chǎng)的氧乙炔火焰加熱方式，實(shí)現(xiàn)這樣的熱處理工藝難度相當(dāng)大，且難以控制，因此可控性不好，且因靜葉片補(bǔ)焊量較小（裂紋挖補(bǔ)后其坡口最深處僅7 mm），因此該方法未被采納。

反之，采用鎳基、奧氏體焊接材料針對(duì)補(bǔ)焊量較小的焊接結(jié)構(gòu)非常有效，且其對(duì)預(yù)熱及熱處理的要求都不高，因此該方法被確定為最終的補(bǔ)焊方法。因鎳基合金焊縫中的Ni含量較高，會(huì)促使S偏析，從而形成低熔點(diǎn)共晶物Ni+NiS，其熔點(diǎn)僅為650℃，從而增大熱裂傾向[3]，奧氏體鋼焊材雖然也有一定的熱裂紋傾向，但其低于鎳基材料，且從元素含量上看，其與1Cr12Mo鋼亦更為接近，因此選用奧氏體鋼焊接材料E309-15（SH A302），2.5mm，作為施焊材料。關(guān)于三種不同焊接材料形成接頭難度的具體比較詳見(jiàn)表4。

在焊接方法的選擇上，靜葉片補(bǔ)焊主要有兩種：即焊條電弧焊（SMAW）和鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）。因葉片處的位置較為復(fù)雜，且結(jié)合修復(fù)實(shí)施單位的工藝評(píng)定，現(xiàn)場(chǎng)采用焊條電弧焊作為補(bǔ)焊修復(fù)的焊接方法。

3.4.2焊接工藝參數(shù)的確定

最終確認(rèn)選擇采用奧氏體鋼焊材作為焊接材料，該種焊接方法低溫預(yù)熱至150℃，且焊后只進(jìn)行250℃后熱、包扎緩冷。施焊的具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

4.1母材確認(rèn)及焊材復(fù)驗(yàn)

母材由廠家確認(rèn)為10705BA（1Cr12Mo），且提供了相關(guān)材質(zhì)證明資料。

對(duì)焊材進(jìn)行了質(zhì)量復(fù)檢，按照AWS A5.4《手工電弧焊用不銹鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)》堆焊試塊，采用美國(guó)Nition XL2型合金分析儀進(jìn)行了化學(xué)成分分析，半定量確認(rèn)各元素質(zhì)量百分含量為Mo 0.12%，Nb 0.04%，Ni 12.05%，F(xiàn)e62.80%，Mn 1.80%，Cr22.51%，因此確認(rèn)該材質(zhì)為E309-15。

4.2缺陷清除及坡口制備

（1）清除缺陷選用機(jī)械方式，采用氣動(dòng)打磨刀具進(jìn)行清理；

（2）裂紋清除后進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，邊打磨邊確認(rèn)，直至確認(rèn)缺陷已徹底清除。

（3）在多次打磨及PT探傷之后，最終挖除深度為7 mm。

（4）坡口制備以減少焊接填充金屬量，降低焊接應(yīng)力和變形，避免產(chǎn)生焊接缺陷，便于焊接操作為原則，坡口為圓滑過(guò)渡，最終尺寸為30 mm×10 mm×7 mm

（5）坡口處15～20 mm范圍內(nèi)用不銹鋼鋼絲刷等工具打磨出金屬光澤，去除水、鐵銹、油污等污物，并用丙酮擦洗清理干凈。

（6）打磨時(shí)，用特制膠布保護(hù)好該葉片其他位置及周邊葉片，防止碰傷。

4.3焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱采用氧乙炔火焰加熱方法。焰心距葉片表面大于10 mm，并盡可能使葉片不同部位溫度保持均勻，預(yù)熱范圍為坡口兩側(cè)各50～80mm ，低溫預(yù)熱到180 ℃后包扎保溫棉緩慢冷卻至150℃，過(guò)程中采用紅外測(cè)溫儀確認(rèn)溫度。

4.3.1層間溫度

焊接修復(fù)過(guò)程中，層間溫度不得低于預(yù)熱溫度下限且不高于制訂工藝的最高層間溫度，即控制在150～200 ℃：當(dāng)?shù)陀陬A(yù)熱溫度下限時(shí)停止施焊，重新加熱到要求的層間溫度后繼續(xù)施焊；層間溫度的上限超過(guò)200℃時(shí)，待焊道溫度冷卻至200 ℃以下時(shí)再進(jìn)行焊接操作。

4.3.2焊接修復(fù)操作

（1） 焊前應(yīng)認(rèn)真用丙酮清除葉片坡口及其周?chē)挠臀邸⑺?、銹及灰塵等雜質(zhì)；

（2） 焊接材料選用直徑25 mm焊條，采用SMAW焊接方法，采用小熱輸入量多層多道焊接，焊層厚度應(yīng)不大于焊接材料直徑，焊道寬度不超過(guò)焊接材料直徑的3倍；焊接時(shí)焊條擺動(dòng)幅度要小，焊道兩側(cè)停留稍長(zhǎng)時(shí)間，以利氣孔和焊渣的浮出，收弧時(shí)注意填充滿弧坑，以免產(chǎn)生弧坑裂紋；

（3） 焊道呈凸起狀，防止熱裂紋的產(chǎn)生；

（4） 補(bǔ)焊修復(fù)過(guò)程每一焊道完畢后，及時(shí)檢查焊層（道）表面，清理可能出現(xiàn)的裂紋、氣孔、咬邊、凹陷等缺陷，采用專(zhuān)用工具對(duì)焊道進(jìn)行清理后方可進(jìn)行下一道焊層的施焊；

4.5補(bǔ)焊焊縫的修磨、成形

補(bǔ)焊及焊后熱處理完成后，采用氣動(dòng)打磨刀具，對(duì)補(bǔ)焊靜葉焊縫整體進(jìn)行修磨，一是打磨掉可能存在的焊接缺陷，二是使之圓滑過(guò)渡，避免應(yīng)力集中，三是使葉片恢復(fù)焊前的形狀，保持結(jié)構(gòu)原貌。

5焊后無(wú)損檢驗(yàn)

葉片補(bǔ)焊并焊后熱處理、冷卻、修磨后12 h，對(duì)該補(bǔ)焊葉片進(jìn)行了滲透檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如下：對(duì)04廠房1#低壓缸調(diào)端下1級(jí)第18片靜葉片補(bǔ)焊處進(jìn)行100%液體滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)記錄性缺陷顯示。依據(jù)執(zhí)行程序，評(píng)定為合格。

6結(jié)論及意義

（1）對(duì)秦山核電站320MW汽輪機(jī)靜葉裂紋進(jìn)行原因分析，分析結(jié)果表明，裂紋產(chǎn)生在葉片的根部，由于高溫應(yīng)力集中等原因向兩側(cè)擴(kuò)展，因此需要對(duì)葉片進(jìn)行焊接修復(fù)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施了包括裂紋挖除、預(yù)熱、補(bǔ)焊、焊后熱處理、焊后修磨等焊接操作。無(wú)損檢驗(yàn)結(jié)果表明采用此種焊接修復(fù)工藝方法是可行的。

（3）靜葉片材料為10705BA（1Cr12Mo），該類(lèi)馬氏體不銹鋼不僅用于靜葉材料、也大量用于汽輪機(jī)動(dòng)葉及汽機(jī)的其它結(jié)構(gòu)部件中，借鑒馬氏體不銹鋼局部裂紋缺陷的修復(fù)方案具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]吳宇坤，周敬恩. 汽輪機(jī)葉片常見(jiàn)失效方式及現(xiàn)狀研究. 汽輪機(jī)技術(shù)， 1995， 37（6）： 362-367.

[2]祝曉燕，王彥惠. 汽輪機(jī)葉片疲勞壽命與故障診斷研究的發(fā)展及現(xiàn)狀，電力科學(xué)與工程，2000（2）：11-14

[3]陳伯蠡. 焊接工程缺欠分析與對(duì)策（第2版）. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2006： 58-121.

對(duì)于1Cr12Mo馬氏體耐熱鋼的補(bǔ)焊，常用工藝有二種：

（1）選用同質(zhì)焊接材料。即采用與葉片材料同質(zhì)的1Cr12Mo鋼焊接材料，為防止冷裂紋需預(yù)熱到200～450℃，且補(bǔ)焊后需要進(jìn)行高溫回火熱處理，回火溫度為680～720℃，該方法適用于較大厚度構(gòu)件的焊接修復(fù)，其優(yōu)點(diǎn)主要為同質(zhì)材料的接頭其結(jié)合性更好、補(bǔ)焊接頭的理化性能較高。

（2）選用鎳基或奧氏體焊接材料。即采用鎳基合金焊材或奧氏體鋼焊材作為焊接材料，該種焊接方法低溫預(yù)熱100～150℃即可，且焊后只進(jìn)行200～400℃后熱或包扎緩冷即可，對(duì)于堆敷量較小的堆焊，可采用這種方法進(jìn)行焊接。

（3）三種葉片補(bǔ)焊推薦焊接材料的預(yù)熱和熱處理規(guī)范如表3所示。

3.4靜葉片補(bǔ)焊工藝的最終確定

3.4.1焊接材料及焊接方法的確定

綜合考慮靜葉片的結(jié)構(gòu)因素及現(xiàn)場(chǎng)的施工條件：雖然采用同質(zhì)材料的接頭強(qiáng)度較高，但其技術(shù)要求亦較高，即在現(xiàn)場(chǎng)為了避免冷裂紋需要高溫預(yù)熱，為了使焊縫區(qū)域淬硬的馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)楦唔g性的回火馬氏體，焊后需先使結(jié)構(gòu)整體冷至120℃以下保溫一段時(shí)間完成馬氏體轉(zhuǎn)變，再進(jìn)行（700±20）℃，保溫0.5 h的焊接熱處理，這對(duì)人員及設(shè)備都有著較高要求，以現(xiàn)場(chǎng)的氧乙炔火焰加熱方式，實(shí)現(xiàn)這樣的熱處理工藝難度相當(dāng)大，且難以控制，因此可控性不好，且因靜葉片補(bǔ)焊量較?。鸭y挖補(bǔ)后其坡口最深處僅7 mm），因此該方法未被采納。

反之，采用鎳基、奧氏體焊接材料針對(duì)補(bǔ)焊量較小的焊接結(jié)構(gòu)非常有效，且其對(duì)預(yù)熱及熱處理的要求都不高，因此該方法被確定為最終的補(bǔ)焊方法。因鎳基合金焊縫中的Ni含量較高，會(huì)促使S偏析，從而形成低熔點(diǎn)共晶物Ni+NiS，其熔點(diǎn)僅為650℃，從而增大熱裂傾向[3]，奧氏體鋼焊材雖然也有一定的熱裂紋傾向，但其低于鎳基材料，且從元素含量上看，其與1Cr12Mo鋼亦更為接近，因此選用奧氏體鋼焊接材料E309-15（SH A302），2.5mm，作為施焊材料。關(guān)于三種不同焊接材料形成接頭難度的具體比較詳見(jiàn)表4。

在焊接方法的選擇上，靜葉片補(bǔ)焊主要有兩種：即焊條電弧焊（SMAW）和鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）。因葉片處的位置較為復(fù)雜，且結(jié)合修復(fù)實(shí)施單位的工藝評(píng)定，現(xiàn)場(chǎng)采用焊條電弧焊作為補(bǔ)焊修復(fù)的焊接方法。

3.4.2焊接工藝參數(shù)的確定

最終確認(rèn)選擇采用奧氏體鋼焊材作為焊接材料，該種焊接方法低溫預(yù)熱至150℃，且焊后只進(jìn)行250℃后熱、包扎緩冷。施焊的具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表5。

4.1母材確認(rèn)及焊材復(fù)驗(yàn)

母材由廠家確認(rèn)為10705BA（1Cr12Mo），且提供了相關(guān)材質(zhì)證明資料。

對(duì)焊材進(jìn)行了質(zhì)量復(fù)檢，按照AWS A5.4《手工電弧焊用不銹鋼焊條標(biāo)準(zhǔn)》堆焊試塊，采用美國(guó)Nition XL2型合金分析儀進(jìn)行了化學(xué)成分分析，半定量確認(rèn)各元素質(zhì)量百分含量為Mo 0.12%，Nb 0.04%，Ni 12.05%，F(xiàn)e62.80%，Mn 1.80%，Cr22.51%，因此確認(rèn)該材質(zhì)為E309-15。

4.2缺陷清除及坡口制備

（1）清除缺陷選用機(jī)械方式，采用氣動(dòng)打磨刀具進(jìn)行清理；

（2）裂紋清除后進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，邊打磨邊確認(rèn)，直至確認(rèn)缺陷已徹底清除。

（3）在多次打磨及PT探傷之后，最終挖除深度為7 mm。

（4）坡口制備以減少焊接填充金屬量，降低焊接應(yīng)力和變形，避免產(chǎn)生焊接缺陷，便于焊接操作為原則，坡口為圓滑過(guò)渡，最終尺寸為30 mm×10 mm×7 mm

（5）坡口處15～20 mm范圍內(nèi)用不銹鋼鋼絲刷等工具打磨出金屬光澤，去除水、鐵銹、油污等污物，并用丙酮擦洗清理干凈。

（6）打磨時(shí)，用特制膠布保護(hù)好該葉片其他位置及周邊葉片，防止碰傷。

4.3焊前預(yù)熱

焊前預(yù)熱采用氧乙炔火焰加熱方法。焰心距葉片表面大于10 mm，并盡可能使葉片不同部位溫度保持均勻，預(yù)熱范圍為坡口兩側(cè)各50～80mm ，低溫預(yù)熱到180 ℃后包扎保溫棉緩慢冷卻至150℃，過(guò)程中采用紅外測(cè)溫儀確認(rèn)溫度。

4.3.1層間溫度

焊接修復(fù)過(guò)程中，層間溫度不得低于預(yù)熱溫度下限且不高于制訂工藝的最高層間溫度，即控制在150～200 ℃：當(dāng)?shù)陀陬A(yù)熱溫度下限時(shí)停止施焊，重新加熱到要求的層間溫度后繼續(xù)施焊；層間溫度的上限超過(guò)200℃時(shí)，待焊道溫度冷卻至200 ℃以下時(shí)再進(jìn)行焊接操作。

4.3.2焊接修復(fù)操作

（1） 焊前應(yīng)認(rèn)真用丙酮清除葉片坡口及其周?chē)挠臀邸⑺?、銹及灰塵等雜質(zhì)；

（2） 焊接材料選用直徑25 mm焊條，采用SMAW焊接方法，采用小熱輸入量多層多道焊接，焊層厚度應(yīng)不大于焊接材料直徑，焊道寬度不超過(guò)焊接材料直徑的3倍；焊接時(shí)焊條擺動(dòng)幅度要小，焊道兩側(cè)停留稍長(zhǎng)時(shí)間，以利氣孔和焊渣的浮出，收弧時(shí)注意填充滿弧坑，以免產(chǎn)生弧坑裂紋；

（3） 焊道呈凸起狀，防止熱裂紋的產(chǎn)生；

（4） 補(bǔ)焊修復(fù)過(guò)程每一焊道完畢后，及時(shí)檢查焊層（道）表面，清理可能出現(xiàn)的裂紋、氣孔、咬邊、凹陷等缺陷，采用專(zhuān)用工具對(duì)焊道進(jìn)行清理后方可進(jìn)行下一道焊層的施焊；

4.5補(bǔ)焊焊縫的修磨、成形

補(bǔ)焊及焊后熱處理完成后，采用氣動(dòng)打磨刀具，對(duì)補(bǔ)焊靜葉焊縫整體進(jìn)行修磨，一是打磨掉可能存在的焊接缺陷，二是使之圓滑過(guò)渡，避免應(yīng)力集中，三是使葉片恢復(fù)焊前的形狀，保持結(jié)構(gòu)原貌。

5焊后無(wú)損檢驗(yàn)

葉片補(bǔ)焊并焊后熱處理、冷卻、修磨后12 h，對(duì)該補(bǔ)焊葉片進(jìn)行了滲透檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果如下：對(duì)04廠房1#低壓缸調(diào)端下1級(jí)第18片靜葉片補(bǔ)焊處進(jìn)行100%液體滲透檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)記錄性缺陷顯示。依據(jù)執(zhí)行程序，評(píng)定為合格。

6結(jié)論及意義

（1）對(duì)秦山核電站320MW汽輪機(jī)靜葉裂紋進(jìn)行原因分析，分析結(jié)果表明，裂紋產(chǎn)生在葉片的根部，由于高溫應(yīng)力集中等原因向兩側(cè)擴(kuò)展，因此需要對(duì)葉片進(jìn)行焊接修復(fù)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施了包括裂紋挖除、預(yù)熱、補(bǔ)焊、焊后熱處理、焊后修磨等焊接操作。無(wú)損檢驗(yàn)結(jié)果表明采用此種焊接修復(fù)工藝方法是可行的。

（3）靜葉片材料為10705BA（1Cr12Mo），該類(lèi)馬氏體不銹鋼不僅用于靜葉材料、也大量用于汽輪機(jī)動(dòng)葉及汽機(jī)的其它結(jié)構(gòu)部件中，借鑒馬氏體不銹鋼局部裂紋缺陷的修復(fù)方案具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]吳宇坤，周敬恩. 汽輪機(jī)葉片常見(jiàn)失效方式及現(xiàn)狀研究. 汽輪機(jī)技術(shù)， 1995， 37（6）： 362-367.

[2]祝曉燕，王彥惠. 汽輪機(jī)葉片疲勞壽命與故障診斷研究的發(fā)展及現(xiàn)狀，電力科學(xué)與工程，2000（2）：11-14

[3]陳伯蠡. 焊接工程缺欠分析與對(duì)策（第2版）. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2006： 58-121.