汽轮机叶片焊接工艺研究

刘 博，王威彪

(哈尔滨电气股份有限公司，哈尔滨 150028)

汽轮机叶片焊接工艺研究

刘 博，王威彪

(哈尔滨电气股份有限公司，哈尔滨 150028)

结合个人实践工作经验与相关参考文献，以N100-90/535型产品为例，对汽轮机叶片发生断裂的原因进行剖析发现，造成汽轮机末级叶片断裂的重要原因就是应力腐蚀问题。制定相应焊接工艺，以期对汽轮机叶片实施及时的修复，提高经济效益。

汽轮机叶片；断裂；焊接工艺

1 研究资料

结合相关参考文献，以哈尔滨汽轮机厂生产的N100-90/535型产品为例进行阐述，其主要参数如表1所示。

表1 基本参数

已知该汽轮机的末级叶片在1998-04断裂了一片，其断裂的叶片工作长度为665 mm，宽度为80～100 mm。叶片沿着进汽边自上而下钎焊了8块硬质合金，以此为基础对气流冲刷进行抵抗，其中硬质合金中的倒数第一块与倒数第二块恰恰与叶片断裂位置相对应。

2 汽轮机叶片断裂原因

2.1 断口宏观形貌分析

图1是断口的宏观形貌，通过对其研究分析可以看到断口表面已经呈现出了暗红色，且已经被氧化锈蚀，进汽侧是断裂发生的起始区域，并以此为基础横向拓展，断裂的扩展区域颗粒较为细小、平整，且具有脆性断口特征。

图1 断口的宏观形貌Fig.1 The macroscopic morphology of the fracture

2.2 断口微观形貌分析

如若将断口试样放入到S360扫描电镜的试验舱内进行观察则可以发现，钎焊材料与母材之间存有焊接裂纹，此处就是断裂区域。断口的表面有导体性较差的覆盖物存在，使用WDX-3PC型波谱仪进行分析则可以发现，覆盖物之中含有氧，且覆盖层较厚，上面有龟裂，具备着应力腐蚀的典型特征。

2.3 汽轮机叶片断裂原因

结合断裂叶片的实际运行情况可以认为，汽轮机的末级叶片所处的工作环境温度较低，蒸汽湿度较大，因此末级叶片要承受水滴的不断冲蚀及湿蒸汽的不断锈蚀。同时，3 000 r/min的高速度运转和汽轮机叶片自身的重量，都会使叶片在长度方向产生巨大的拉应力，加之钎焊时所产生的焊接裂纹造成的应力集中问题，使得该区域内在高应力、腐蚀介质的共同作用下产生了机械电化学放映，最终使得叶片发生断裂。

3 焊接修复工艺

3.1 焊接前的准备工作

A.对材料的化学成分进行分析。在材料化学成分的分析上，利用LinK-exl-Ⅱ型能谱仪，其分析结果见表2。通过对该化学成分的分析可以看到，叶片符合GB8732-88 2Crl3的基本标准，所以该叶片的材质应该为2Crl3。

表2 叶片的化学成分

B.对可焊性进行分析。选择适合的焊接方法，因为2Crl3本身属于马氏不锈钢，所以在焊接过程中其接头部分极易发生冷冽纹、淬硬等问题，尤其是该钢种成分的最大特点是会使组织处于马氏体与铁素体之间。焊接过程中，如若冷却的速度较慢，那么焊缝区域就会产生较为粗大的铁素体及碳化物，使整体的塑性与韧性被大大降低。如若冷却的速度过快，那么焊缝区域就会产生较为粗大的马氏体组织，使接头的塑性与韧性大大降低。因此，为了确保接头的韧性，就必须对冷却速度进行严格的控制，即在进行焊接前实施必要的预热工作，并且在焊接过程中严格控制热输入量。因为焊后组织之中往往会存在着马氏体与贝氏体，所以在焊后应该进行必要的热处理，使马氏体与贝氏体都能够转变为索氏体。由于手工电弧焊是在氩气的保护下进行的，所以在焊接过程中造成的合金元素烧损较少，热量也较为集中，操作相对便利，故可采用手工氩弧焊。

C.焊接机具与焊接材料的选择。在焊接机具的选择上采用美国米勒公司SYNCROWAVE250型焊枪，钨级2.5mm，JL-15型氩气流量计，不超过15m的专用氩气输送皮管。为了能够确保焊缝区域与材料性能保持一致，填充材料可采用H1Cr13焊丝，并截下另一个与断裂叶片同样材质、同样规格的新叶片顶部作为修复焊接时的对接叶片。

D.焊接位置、坡口形状、对口要求。应该选择汽轮机叶片综合应力最低的部位作为焊接位置。坡口采取X型，单侧的坡口角度应该控制在25°～30°，应该随着叶片厚度的增加而相应地增加坡口角度，对于最薄处可不开坡口。在对口上应该选择专用的夹具。为了使叶片横截面上局部有焊缝，在接叶片时应该选择斜接方式，将角度控制在40°～60°。如图2所示，将对口间隙控制在0.5～2 mm，且要避免出现错口、弯折现象。在坡口两侧30 mm之内不得出现绣、水及油污。

图2 焊接前装配图Fig.2 Assembly diagram before welding

3.2 具体焊接工艺

为了尽可能降低残余应力及热影响区，在焊接过程中应该严格遵循表3中的焊接规范。

焊接前，应该用中性氧乙炔焰对坡口周围的50 mm内实施均匀加热，直至加热温度达到250℃，在整个加热过程中还应该运用红外线测温仪器进行实时监测。为了方便焊接，应该将汽轮机叶片放在水平位置上。为确保熔池背面不会被氧化，可以在焊缝的背面由另外一个焊工使用同样规格的氩气实施保护，即焊枪与氩气同步进行。除了打底层不容易被控制需要进行分段焊接以外，其余的焊道都应该一次焊接完成，从而有效降低焊头数量。在焊接过程中，应该先焊接凸面。对于叶片较薄的部分，则应该使用单面焊双面成型的加工方法。对于叶片较厚的部分，则应该使用多层焊的加工方法。为了防止焊缝表面被氧化，灭弧以后，还应该将焊枪停留在焊缝的红热之处8～10 s。

表3 焊接规范

3.3 进行热处理

在焊接完成后，应该用石棉布包裹叶片与夹具，待到焊缝中心温度降低到100℃以后，可用履带式加热片进行加热处理。之后，去掉夹具，用手锯锯掉引弧板与灭弧板，并利用砂布将钎焊处打磨干净。

3.4 焊接质量检验

成型的焊缝十分美观，叶片并未出现明显的变形问题。着色探伤表面并未出现裂纹。在焊缝区域、热影响区域分别找3个点，对其硬度实施试验，确定该硬度符合叶片焊接后焊缝区、热影响区的硬度值规定。

4 结语

造成汽轮机末级叶片断裂的重要原因就是应力腐蚀问题。为防止应力腐蚀问题的发生，应对蒸汽品质、湿度进行控制，从而降低蒸汽中的腐蚀介质浓度。运用上述阐述的焊接方法对叶片进行修复，不仅能避免更换叶片的人力、物力损失，还能避免对其他叶片造成损坏，具有一定的实用性，应加以深入研究与探讨。

[1] 贾治.汽轮机叶片的焊接工艺[J].科技创新与应用，2014，(02)：80.

[2] 侯世勇.665 mm汽轮机叶片断裂原因分析及焊接修复[J].内蒙古电力技术，2001，(05)：28.

[3] 赵建仓，杨富，曾富强，等.330 MW汽轮机末级叶片裂纹焊接修复工艺[J].电力设备， 2005，(10)：59.

Study on welding technology of steam turbine blade

LIU Bo, WANG Wei-biao

(Harbin Electric Co., Ltd., Harbin 150028, China)

Based on the experience of individual practice and related references, taking N100-90/535 as an example, it is found that the main reason for the fracture of the turbine blade is the stress corrosion. To develop the corresponding welding process, it is hoped that steam turbine blades can be timely repaired to improve economic efficiency.

Steam turbine blade; Fracture; Welding process

2017-05-23

刘博(1982-)，男，本科，工程师。

TK266

B

1674-8646(2017)14-0026-02