吳友良

（上海大屯能源股份有限公司熱電廠，江蘇沛縣 221611）

某電廠采用東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的CC350/301-24.2/1.2/0.5/566/566型超臨界、一次中間再熱、單軸、三缸兩排汽、雙抽供熱汽輪機組。2020年9月份熱電廠#1汽輪機A修金屬監(jiān)督檢測時發(fā)現(xiàn)2臺高壓主汽閥8根門桿漏氣管座角焊縫產(chǎn)生裂紋。因主汽閥為汽輪機主蒸汽進汽總閘，閥門長期處于高溫、高壓工作狀態(tài)，其設(shè)備可靠性直接影響汽輪機安全運行可靠性。為徹底解決這一問題，我們對角焊縫失效原因進行技術(shù)分析，針對高合金異種鋼焊接性較差的問題，制定了修復(fù)方案，優(yōu)化了焊接工藝，對焊接、熱處理過程提出了工藝要求，徹底解決高壓主汽閥門桿漏氣管座角焊縫失效的安全隱患，保證機組安全運行。

1.焊接裂紋產(chǎn)生原因分析

1.1 試驗檢測

采用金屬材料光譜檢測的方法對開裂的焊縫進行分析，確定焊縫為9Cr+1Mo+V材質(zhì)，認為原焊材選用為T/P91類焊材。采用硬度檢測的方法對開裂焊縫進行硬度檢測，發(fā)現(xiàn)硬度測量值區(qū)域為307～321HRВ，硬度值明顯過大[1]。

采用磁粉檢測與滲透檢測相結(jié)合的方法，對門桿漏氣小管角焊縫裂紋的長度和深度進行確認，檢測結(jié)果見圖1。由圖可見，小管座角焊縫已全部開裂，繼續(xù)打磨做滲透檢測，發(fā)現(xiàn)8根小管角焊縫均產(chǎn)生裂紋，長度均超過管徑周長的1/3，深度全部擴展到焊縫根部，需全部進行挖除。裂紋如圖1所示。

圖1 焊縫裂紋

1.2 焊縫失效原因分析

通過對焊縫進行無損檢測、材質(zhì)檢測和硬度分析，認為ZG15Cr1Mo1VG和F92 2種異種鋼焊接工藝不合理是造成焊縫失效的直接原因[2]。通過檢測結(jié)果可以得出，原門桿漏氣管座焊接時采用焊材為高匹配原則，且通過硬度檢測分析確定焊接前后未做焊接熱處理，或熱處理工藝不當，使得本就因錯用高匹配焊材淬硬傾向較大的焊縫組織硬度更大，加之該處在運行過程中冷熱溫差較大，是產(chǎn)生裂紋的原因之一。

高壓主汽閥門桿漏氣管疏放汽水管排水不及時，使管座內(nèi)壁長期受到高溫蒸汽和凝水的沖擊、冷卻，導(dǎo)致該處溫度交變激烈，產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，致使該處角焊縫金屬發(fā)生疲勞，是產(chǎn)生裂紋的又一因素。

1.3 閥體材料與門桿漏氣小管材料焊接性分析

1號機組主汽閥閥蓋使用的材料為ZG15Cr1Mo1VG，外徑為932mm，厚度為260mm，屬于珠光體低合金熱強鋼。根據(jù)碳當量計算公式：Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15對該材料的碳當量進行計算為0.83%，碳當量以大于0.6%，由此可知，該材料屬于難溶金屬，淬硬傾向大，在近縫區(qū)易形成淬硬馬氏體組織，材料對溫度和冷卻速率敏感，焊接時產(chǎn)生殘余應(yīng)力，焊接過程中容易出現(xiàn)冷裂紋[3]。

主汽閥門桿漏氣接管的使用材料為F92鋼，直徑為60mm，厚度為12mm。F92鋼是在F91化學(xué)成分的基礎(chǔ)上將Mo的含量降低了0.5%，同時加入了1.7%的W，將材料的Mo當量從F91鋼的1%提高到1.5%，此外，該鋼還加入了微量的В進行合金化。F92鋼是馬氏體耐熱鋼，由于其合金元素含量較多，焊接接頭淬硬傾向較大，容易產(chǎn)生馬氏體組織。其主要焊接問題是焊接時易產(chǎn)生氫致裂紋和焊接熱影響區(qū)的脆化，在氫和應(yīng)力的綜合作用下也會產(chǎn)生冷裂紋（硬度250HВW）。ZG15Cr1Mo1VG和F92化學(xué)成分見表1。

表1 ZG15Cr1Mo1VG和F92化學(xué)成分

根據(jù)對ZG15Cr1Mo1VG和F92的化學(xué)成分對比分析，2種材料的熱性能差異較大，因此異種鋼的焊接比同種鋼的焊接復(fù)雜的多，焊接時性能和組織變化較大，組織和性能也極不均勻，焊縫很容易產(chǎn)生淬硬及冷裂傾向，焊接性較差，焊接難度較大，焊接工藝較復(fù)雜，對焊工的操作過程要求比較嚴，必須嚴格控預(yù)熱溫度、層間溫度和焊后熱處理溫度。

2.焊接工藝優(yōu)化

針對ZG15Cr1Mo1VG+F92異種鋼焊接接頭的焊接性較差特征，對焊接工藝和熱處理工藝進行優(yōu)化，并對熱處理過程進行全過程跟蹤，確保焊接質(zhì)量合格。工藝流程見圖2。

圖2 工藝流程圖

2.1 焊前準備

2.1.1 焊接方法和焊材選用的優(yōu)化

針對ZG15Cr1Mo1VG+F92異種鋼焊接選用高匹配焊材易造成焊接組織淬硬傾向大的問題，對焊材選用進行優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備實際情況，確定焊接方法為手工鎢極氬弧焊打底，手工電弧焊填充及蓋面。焊接設(shè)備選用ZX7-400型逆變焊機。焊接位置置于管板2G焊接形式。

焊材的選用，有3種備選方案：

第一，選用與合金含量較高的一側(cè)相匹配的焊接材料；

第二，選用合金成分介于二者之間的焊接材料；

第三，選用與合金含量較低一側(cè)相匹配的焊接材料。

根據(jù)《火力發(fā)電廠焊接技術(shù)規(guī)程》DL/T 869中的推薦，結(jié)合設(shè)備運行工況，宜選用成分介于二者之間或者與合金含量較低的匹配焊條；又根據(jù)現(xiàn)場的施焊條件和焊接的質(zhì)量效果以及經(jīng)濟效益等方面的綜合考慮，焊接時采用低匹配的原則，即選用TIG-R31型焊絲和R317型焊條。低匹配焊材能避免熔合線處Cr含量的急劇變化，減少C的擴散，降低、減少熔合線一側(cè)碳化物的形成，使焊縫金屬與ZG15Cr1Mo1VG之間的碳擴散微乎其微。焊縫金屬與F92鋼之間的C擴散也將由于焊縫金屬中具有強碳化物形成元素V和Nb等大大減弱。

對于焊材的使用，要求焊絲使用前應(yīng)清除表面的銹垢和油污等，直至露出金屬光澤；焊條使用前應(yīng)按說明書的要求進行烘烤，使用時應(yīng)放在80℃～110℃的保溫筒中，隨用隨取。氬氣純度≥99.95%。

2.1.2 焊縫清理

將2臺高壓主汽閥8根門桿漏氣管座角焊縫裂紋全部采用機械方法清除掉，當挖至母材表面時，再向母材深處挖掉2mm～3mm，將原焊縫金屬和母材熔合線全部清除掉，形成插入式管板接頭。把管與閥座坡口兩側(cè)15mm～20mm范圍內(nèi)外的油污、鐵銹用角向磨光機清理干凈，露出金屬光澤。用PT檢驗每只焊口母材焊接區(qū)，確保無裂紋存在。

2.1.3 焊接工藝參數(shù)

正確地選擇焊接工藝參數(shù)可以有效地控制焊接裂紋的產(chǎn)生，為防止再次產(chǎn)生裂紋，根據(jù)經(jīng)驗我們選擇采用小的焊接電流、短弧焊，避免因焊接電流過大使焊接區(qū)溫度升高，熔深過深，焊道過寬，形成熱裂紋，另外在熱力的作用下，焊接區(qū)金屬顆粒增大，影響焊材的物理性能。采用多層多道法來焊接，每層厚度在3mm左右。層間溫度嚴格控制在200℃～250℃。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

2.2 裝配與焊接過程控制的要點

點固：點固之前首先對管子和閥座進行預(yù)熱，預(yù)熱方法采用火焰加熱法，加熱范圍距離管子外徑50mm～100mm左右，用紅外線測溫儀測溫，預(yù)熱溫度200℃～250℃。為了減少焊接應(yīng)力與變形，保證定位精度，采用氬弧焊三點焊固定工藝，按照圓周方向均勻分布，氬弧焊焊絲、焊接工藝參數(shù)和工藝要求與正式焊接時一致。點固長度20mm左右，焊縫厚度為3mm左右，厚度不能太薄或太短，否則容易產(chǎn)生裂紋，太厚還會給焊接接頭帶來困難。收弧時，弧坑需填滿，以免產(chǎn)生裂紋。

氬弧焊：第一層和第二次焊接采用鎢極氬弧焊方法，第一層焊縫是決定焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。焊前對點固的兩端削成一定量的斜坡，以便于焊接接頭過渡。起焊點可在任意一個固定焊點端部開始，采用接觸法引弧，焊接過程中焊絲送進要均勻，焊槍向前移動要勻速。

收弧采用增加焊速法，在焊縫熔池已填滿的情況下焊槍前移速度逐漸增加，焊絲給進量減小，使熔池面積逐漸縮小，直到焊件不熔化為止，即可迅速收弧。打底過程中如發(fā)現(xiàn)有裂紋、氣孔或其他缺陷時，應(yīng)采用機械方法將其徹底鏟除重焊。焊口打底層焊縫檢查合格后，應(yīng)及時進行次層焊縫的焊接，以防止產(chǎn)生裂紋。第二層，繼續(xù)采用氬弧焊焊接，厚度為2mm～3mm，不宜太厚，焊接時兩側(cè)稍作停頓，保證兩側(cè)焊透。

電焊填充及蓋面：氬弧焊焊完后檢查無缺陷，將層間溫度升溫到200℃～250℃進行次層的施焊。施焊過程中確保層間溫度在200℃～300℃，超過300℃時應(yīng)停止施焊。第三層至蓋面層采用焊條電弧焊多層多道焊接方法，多層多道焊的層間接頭應(yīng)錯開10mm～20mm，以提高焊縫的致密性。為保證后一焊道對前一焊道起到回火作用，焊接時每層焊道的厚度控制不超過焊條的直徑。每層焊完用直徑為1.5mm的錐形園頭手錘趁熱均勻敲擊焊縫金屬，使焊縫金屬得到延展，從而減低或消除焊接應(yīng)力，焊縫的蓋面層可不做敲擊。焊接時，要對每一層的熔渣進行徹底清除，并對每一層的焊縫表面進行自檢發(fā)現(xiàn)缺陷要及時修復(fù)，待前層焊縫自檢合格后方可進行后一層的焊接。焊縫蓋面層收弧處狐坑必須填滿，避免出現(xiàn)弧坑裂紋。

焊縫外觀檢驗：電焊蓋面結(jié)束后，必須將焊縫表面的藥皮、飛濺等清理干凈，焊縫表面檢查應(yīng)沒有溝槽、咬邊、末熔合、夾渣、焊瘤、弧坑、成型不良等缺陷，發(fā)現(xiàn)以上缺陷立即進行修復(fù)。

角焊縫焊腳高度應(yīng)符合工藝卡要求，根據(jù)規(guī)程要求，2種不同厚度的鋼材T角焊縫焊接，焊腳高度尺寸一般以兩母材中較薄件厚度為準，及以主汽閥門桿漏氣接管的厚度，焊腳厚度計算公式為：a=0.7×t(較鋼材厚度) 。

3.熱處理工藝優(yōu)化及檢查

為了降低ZG15Cr1Mo1VG+F92異種鋼焊接接頭的的淬硬傾向和焊縫冷卻速度，改善應(yīng)力條件和降低焊接冷裂紋傾向，根據(jù)《火力發(fā)電廠焊接熱處理技術(shù)規(guī)程》（DL/T819-2019）規(guī)定，對主汽閥門桿漏氣管座角焊縫進行熱處理。由于主汽閥體的厚度和直徑較大，同時存在耐熱異種鋼焊接焊縫淬硬傾向大的問題，基于現(xiàn)場條件，不能將閥體整體放入爐內(nèi)進行熱處理工藝，我們優(yōu)化了焊前預(yù)熱、焊接過程中層間溫度控制和焊后熱處理工藝文件，采用火焰預(yù)熱加柔性陶瓷電阻加熱器纏繞方式進行現(xiàn)場熱處理工藝。該結(jié)構(gòu)因焊前采用電腦控制的電阻繩加熱因難，也不利于焊接操作，我們改用手工氧乙炔焰作為熱源進行預(yù)熱和層間溫度控制，焊后采用電腦控制的電阻繩進行熱處理工藝，方便了現(xiàn)場操作。

3.1 焊前預(yù)熱溫度的選擇

F92鋼焊前預(yù)熱溫度為250℃～350℃，ZG15Cr1Mo1-VG鋼焊前預(yù)熱溫度為200℃～300℃。不同鉻鉬鋼焊接時，預(yù)熱按照淬硬傾向大的一側(cè)預(yù)熱溫度進行，所以F92與ZG15Cr1Mo1VG組成的異種鋼接頭預(yù)熱溫度應(yīng)該選擇250℃～350℃。但因為打底焊接采用鎢極氣體保護焊焊接速度較慢，在焊接的局部事實上產(chǎn)生了所需的預(yù)熱溫度，所以預(yù)熱溫度可以降低50℃，預(yù)熱溫度最終確定為200℃。

3.2 層間溫度的控制

根據(jù)焊接工藝參數(shù)對鋼接頭韌性的影響分析，在施焊過程中為了抑制焊縫晶粒過熱、提高焊縫的力學(xué)性能而采用多層多道焊來控制焊接熱輸入，層間溫度嚴格控制在預(yù)熱溫度要求的下限稍高一點的溫度區(qū)間。采用遠紅外測溫槍對焊接層間溫度進行實施監(jiān)控，要求層間溫度控制在200℃～250℃。

3.3 焊后熱處理溫度的選擇

焊后熱處理是利用金屬高溫下強度的降低而把彈性應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄詰?yīng)變以達到消除殘余應(yīng)力的目的，因此選擇合適的焊后熱處理參數(shù)是非常重要的，既要保證對F92鋼一側(cè)熱影響區(qū)的高溫回火，同時又能夠?qū)缚p進行有效的熱處理。

當焊縫整體焊接完畢，焊接接頭冷卻到100℃～120℃時，應(yīng)及時進行焊后熱處理。因2臺高壓主汽閥各有4根門桿漏氣管座角焊縫需要焊接，一次不能全部焊完，焊接接頭也就不能立即進行整體焊后熱處理，本結(jié)構(gòu)采取焊后做加熱溫度為300℃～350℃，恒溫時間為1h的消氫處理，待4根管座焊縫全部焊接完后再進行一次性整體焊后熱處理。

焊后熱處理加熱溫度為740℃±10℃，保溫時間1h。升、降溫速度以≤100℃/h為宜，降溫至300℃以下時，可不控制，在保溫層內(nèi)冷卻至室溫。焊后熱處理工藝工藝過程曲線如圖3所示。進行焊后熱處用時，采用柔性陶瓷電加熱措施使得角焊縫處于被加熱的最高溫度位于上。使用3支熱電偶，其中1支位于焊縫（控溫用），其他2支熱電偶（監(jiān)測溫度用）分別位于距邊緣1倍壁厚，且不小于50mm的管座與支管上。保溫層厚度在60mm～80mm，保溫外表溫度低于60℃。

圖3 焊后熱處理工藝曲線

3.4 熱處理后焊縫質(zhì)量檢驗

焊接接頭熱處理工作結(jié)束，對焊縫母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)使用便攜式硬度儀現(xiàn)場進行100%硬度測定，結(jié)果在合格范圍內(nèi)。對焊縫區(qū)進行100%的磁粉探傷和100%的滲透探傷，未發(fā)現(xiàn)焊縫有超標缺陷，符合JВ/T4730.4-2005《承壓設(shè)備無損檢測第3和4部分》質(zhì)量等級I級合格。

4.結(jié)語

項目實施后徹底解決了1號機高壓主汽閥門桿漏氣管座角焊縫開裂泄漏的問題，機組投運后至今該位置運行狀況良好。該研究成果有效避免1號機高壓主汽閥門桿漏氣管座角焊縫開裂泄漏問題的發(fā)生，避免了因高壓蒸汽泄漏造成機組搶修所產(chǎn)生的各項費用，具有較高的安全效益和經(jīng)濟效益；同時為其他同類異種鋼焊接工藝制定具有較高的指導(dǎo)意義，為熱電廠安全穩(wěn)定運行提供了有力保障。