ZG15Cr2Mo1中压主汽门的补焊

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1、ZG15Cr2Mo1ZG15Cr2Mo1 中压主汽门的补焊中压主汽门的补焊 RepairRepair WeldingWelding ofof MediumMedium PressurePressure MainMain SteamSteam ValveValve MadeMade ofof ZG15Cr2Mo1ZG15Cr2Mo1 SteelSteel 李中伟李中伟 1 1，王志国，王志国 2 2 (1.(1.河北省电力研究院，河北石家庄河北省电力研究院，河北石家庄 050021050021； 2.2.衡丰发电有限责任公司，河北衡水衡丰发电有限责任公司，河北衡水 053000)053000)

2、摘摘 要：要：对中压主汽门的裂纹及 ZG15Cr2Mo1 的焊接性进行了分析，并对不 同的补焊工艺进行了分析比较，补焊获得成功。关键词：关键词：中压主汽门；异种钢焊接；ZG15Cr2Mo1 钢；焊接工艺；补焊 AbstractAbstract：After analyzing the characteristics of weldability of ZG15Cr2Mo1 material and the cracks of medium pressure main steam valve, and comparing various repair welding procedures, fin

3、ally, the repair welding of the valve is successful.KeywordKeyword：medium pressure main steam valve;welding of different steels;ZG15Cr2Mo1 steel;welding technique;repair welding 衡丰发电有限责任公司1 机组于 1996 年投产，是哈尔滨汽轮机厂在引进 美国西屋公司制造技术基础上，对通流部分做了设计改进后的新型国产机组， 为亚临界、单轴、双缸、双排汽、高中压合缸、低压双分流、一次中间再热、 反动、凝汽式汽轮机。1 机组从

4、 19960101 投运至 20030201 经过 3 次大修，累 计运行 59 093.3 h，备用 1 203.51 h。从投产至今共启停机组 99 次（包括故 障）。其中压主汽门门体的最大厚度为 100 mm，最薄处为 80 mm，在机组运行 时所承受的额定压力为 3.66 MPa，温度 540 。2003 年 1 月大修期间，在该机组的 2 个中压主汽门（以下简称中主门）的 门体内部抵口瓦兰两侧的门体上发现数条裂纹，最长的约 200 mm，最短的约 15 mm。打磨后，通过测量其打磨深度最深处有 40 mm，最浅处 15 mm。为了保证电 厂设备的安全运行，决定采用补焊方法对其进行补救

5、。 1 1 裂纹产生的原因分析裂纹产生的原因分析#1 机组的中主门为铸钢阀门，裂纹为母材裂纹。母材裂纹主要是在铸造过 程中引起的。在铸造过程中铸件内部容易形成夹杂、气孔、缩孔、疏松等缺陷， 这些缺陷不仅降低了基体的强度，而且形成应力集中。同时中主门为异型件， 因本身结构、热处理和运行中易形成较大的应力以致产生裂纹。尤其产生裂纹 的部位位于应力集中的相贯线处，是应力最集中的地方，且其表面存在许多极 易产生裂纹的尖角槽，在机组变负荷运行，中主门内部承受交变应力的作用下， 存在缺陷的部位局部承受的应力过大，很容易产生裂纹。 2 2 焊接时易出现的问题焊接时易出现的问题该中主门为铸造阀门，材质为 ZG

6、15Cr2Mo1。以往主汽门均采用 ZG15Cr1Mo1V 材料，选用 ZG15Cr2Mo1 在减少铸造缺陷方面比选用 ZG15Cr1Mo1V 钢优越。由于是初次补焊 ZG15Cr2Mo1 材料，对其进行了分析。其化学成分和力 学性能见表 1、表 2。 ZG15Cr2Mo1 材料的焊接性可用碳当量法间接判断，按国际焊接学会(IIW) 提出的计算公式 CeqCMn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5 得出 ZG15Cr2Mo1 的碳 当量 Ceq为 0.851.09，是焊接性较好的钢材碳当量(045)的 2 倍多。 而且，根据其 CCT 曲线可知，这种钢具有较大的淬硬倾向，若焊后冷

7、却速度稍 高，极易产生冷裂纹。特别是工件厚度超过 50 mm 时，焊接区将出现三相应力 状态，加之焊缝中氢对裂纹的影响，问题就显得更为严重。同时，ZG15Cr2Mo1 钢有一定的再热裂纹倾向，影响再热裂纹产生的主要因 素有残余应力、应力集中、存在缺口等。对于高温塑性好的焊接材料，通过焊 前预热、控制好层间温度，采用低的焊接线量进行焊接和减小焊接过热区的宽 度，可细化晶粒，有效控制再热裂纹产生的倾向。 3 3 焊接工艺的比较焊接工艺的比较补焊工艺依据铸钢件的材质和原始组织状态和工件结构的不同而定，一般 可采用热补焊、异质冷补焊和同质冷补焊工艺。从热力学和冶金角度看，热补焊工艺和同质冷补焊工艺较为

8、理想。但从焊 接工艺、预热和热处理等条件考虑，该方法有很不利的因素，即工件的变形难 以控制，且劳动条件差，现场不宜采用。异质冷补焊工艺主要采用铁基奥氏体焊条或镍基焊条，其焊缝为奥氏体组 织，它在焊接的热循环过程中不发生相交，因此从理论上讲奥氏体焊缝不要求 预热和焊后热处理，这样可以简化工艺，减小热作用范围，减小工作的变形量 和残余应力。同时奥氏体组织塑性高，对氢的溶解度也较大，从而有很好的抗 裂性能。其优点是工艺简单，工作量小，成本低，并且不需热处理，工件不会 产生大的变形。但采用铁基奥氏体焊条时，奥氏体和珠光体的接头存在以下问题。a奥氏体的线膨胀系数比珠光体的约大 40，这 2 种材质的异种

9、钢接头 在焊后冷却和运行中，会产生较高的热应力，加之机组的启动，在周期性的冷热交变工作条件下，可能在熔化区珠光体钢侧因热疲劳产生裂纹。3 种材料的 线膨胀系数见表 3。 b 接头的熔合区存在硬化过渡层和碳扩散问题。由于珠光体的稀释使焊 接接头奥氏体形成元素含量下降，冷焊后的快冷，不可避免地会在焊缝的熔合 线附近产生一个低塑性带，严重降低接头的冲击韧性，同时这种异种钢接头在 长期高温运行中有碳扩散问题，造成珠光体钢侧贫碳，引起失效。为了解决奥氏体焊条焊接的不足，采用镍基焊条进行补焊，镍基焊条的线 膨胀系数与珠光体的线膨胀系数接近，同时镍含量高，奥氏体组织稳定性较好， 并且可防止碳的扩散，减小应力

10、及熔合区碳迁移的不利因素。 4 4 焊前准备工作焊前准备工作焊前应做好以下准备工作：a. 为了防止中主门变形，补焊时应尽量缩小坡口尺寸并控制焊接热规范。 缺陷较浅的，对缺陷进行打磨消除，要求平滑过渡；缺陷较深的，应采用补焊 方法修补。b. 裂纹的挖除与坡口的设计。裂纹的挖除是补焊成功的先决条件，如果裂 纹挖除不干净，留下隐患，还会导致继续再裂。而且如果焊缝的坡口尺寸设计 不合理， 也会影响补焊的质量。坡口过大使焊缝的填充金属增加，焊缝输入的 热量增加，也就是扩大了焊缝热影响区，使奥氏体金属与珠光体母材金属之间 存在一个低塑性带，其化学成分和组织不同于焊缝，它的存在严重降低了接头 的冲击韧性。坡

11、口尺寸过小，电流过小时，不能保证焊缝与母材的充分熔化， 同时影响焊接操作，产生熔化不良或坡口未熔等缺陷。为了能有效地控制焊接 应力和变形，减少焊接工作量，节约工期，坡口型式为 U 型，根部 R10 mm， 坡口内部圆滑过渡，应无尖角槽或棱角，坡口角度为 20左右，坡口深度应以 使裂纹全部清除为准。采用着色探伤方法检验，以保证坡口中无裂纹存在。坡 口周围 30 mm 范围内打磨出金属光泽。c. 焊条准备。焊接材料采用 ENiCrFe3 型焊条，规格为 2.5 mm 和 3.2 mm，焊接前进行 150 、12 h 烘干，现场焊接时将焊条放入保温筒内，随用 随取。d. 焊前清理。先用钢丝刷清除坡口

12、内部及附近的污物和锈迹，然后用丙酮 去除坡口处油污。e. 焊前预热。用大号的氧气、乙炔烤把 4 只，分别对所焊接的阀体内、外 部进行加热，预热温度控制在 100150 ，加热要均匀。坡口表面温度不超 过 200 ，边预热边用点温仪进行测量。预热后对阀门外部保温。 5 5 中主门的补焊中主门的补焊5.15.1 打底层的焊接打底层的焊接阀门材质为 ZG15Cr2Mo1，焊接材料为 ENiCrFe3，为异种材质焊接，焊接时 应进行打底层的焊接。打底层的焊接采用小电流规范进行，用 3.2 mm 焊条， 直流反接。采用对称、短弧方式施焊，先焊坡口中间，后焊边缘，保证侧壁熔 合良好。焊道长度不超过 30

13、mm，后焊焊道压先焊焊道 1/3，减少对母材的稀释。 在整个坡口面上施焊 1 层，焊接过程中保持预热温度。打底层焊接完毕后，应 用石棉被盖住补焊区，保温缓冷至室温后进行宏观检验，确保无缺陷后才可进 行填充层的焊接。 5.25.2 填充层的焊接填充层的焊接首先使用 2.5 mm 焊条在过渡层上焊接 1 层，焊接电流 7080 A，然后采 用 3.2 mm 焊条焊接，焊接电流 90100 A。焊接时使用短焊道，分段跳焊， 焊接长度不超过 30 mm，焊后立刻锤击焊道。焊接过程中，层间温度不得超过 70 。填充层金属略低于两侧母材，呈圆滑过渡。 5.35.3 锤击焊道锤击焊道为了有效消除焊接应力，焊

14、接过程中除打底层焊缝不捶击外，其它各层焊 缝每焊 30 mm 长均使用圆顶锤立即有顺序地跟踪锤击，直到焊缝上布满密密麻 麻的麻点为止。6 6 焊缝的检验焊缝的检验焊接过程中用 5 倍的放大镜随时检查有无裂纹，一经发现及时消除再进行 补焊。整个焊缝补焊完后，用石棉保温材料包盖缓冷后进行检验。检验采用外 观检验和着色检验相结合的方法，要求焊缝及热影响区不得有裂纹、未熔合等 缺陷。 7 7 补焊结果补焊结果严格按上述工艺对裂纹进行挖除和补焊，补焊工作顺利完成，焊后经检验， 符合补焊工艺中的检验要求，挖补后交付使用，至今未发现异常现象。 8 8 结论结论a. 采用“冷焊法”选用 ENiCrFe-3 型焊条，工艺上采用施焊过渡层、控制 焊接电流、焊道长度和层间温度、层间锤击焊缝等措施，对解决大厚度 ZG15Cr2Mo1 合金铸件的裂纹焊补是有效、可行的。b. 采用层间检验和最终检验结合、外观检验和着色检验相结合的方法，可 较好地控制挖补焊缝的质量。 参考文献参考文献1 DL/T 7532001，汽轮机铸钢件补焊技术导则S.