660MW超超临界汽轮机中压隔板沟槽缺陷原因分析及焊接修复

陈彪

摘要：某电厂660MW超超临界汽轮发电机组检修过程中，发现汽机中压缸#2-#7级静叶隔板外环出汽侧静叶根部附近存在大面积沟槽，经分析认为汽轮机中分面部位叶片接合部位配合不良导致静叶根部部位出现蒸汽紊流是缺陷形成的主要原因。隔板外环材质1Cr9MoVNbN和1Cr12Mo为马氏体耐热钢，具有较高的冷裂敏感性，同时部件对变形控制要求较高，为此制订了合理的焊接工艺，采用镍基焊材氩弧焊冷焊焊接，焊后进行锤击消除应力，控制层间温度小于60℃，打磨修型后表面探伤合格。成功焊接修复后已运行2年多，开缸检查未发现问题。

1 概况

某电厂安装四台某汽轮机厂生产的CCLN660-25/600/600型660MW超超临界汽轮发电机组，其#2机组于2009年4月投产。2014年5月检修过程中，发现汽机中压缸#2-#7级静叶隔板套出汽侧静叶根部附近存在大面积沟槽。吹损沟槽均处于静叶片出汽侧根部密封焊部位，如不进行处理，吹损沟槽继续扩展，将势必导致静叶脱落，严重威胁机组运行安全。中压缸隔板套及静叶材质为：1-4级1Cr9Mo1VNbN，5-7级1Cr12Mo。

2 缺陷成因分析

2.1 缺陷宏观检查

缺陷沟槽缺陷均分布于隔板出汽侧，紧邻出汽侧静叶根部，与汽封之间有稍许距离，其中#2～#7级静叶部位吹损沟槽总数约为38处，吹损沟槽深度为1～5mm，宽度为3～6mm，沟槽长度50mm～250mm。部分缺陷沟槽形成尖角型尾部，表明缺陷形成原因可能与气流吹损有关。

缺陷于隔板圆周方向整圈均有分布，在不同方向深度和宽度略有差别。

2.2 结构分析

在正常工况下，静叶根部部位尽管动叶与隔板外环存在径向间隙，但由于动叶叶顶汽封的存在，主要蒸汽均通过做功通道進入下一级，静叶根部部位的汽流相对较小，在静叶根部周向汽流几乎可以忽略不计，不太可能形成周向吹损沟槽。

同时，现场检查发现，在隔板中分面部位，静叶出汽侧的型线与其它部位存在细微的差别，即正常部位静叶为整体件，而在中分面部位，静叶不能整体制作，因此在靠近隔板内外环附近因配合需要适当减少了叶片工作面面积，蒸汽因此在中分面部位经由此间隙透过静叶在靠近外环部位产生了周向汽流，进而经过较长时间的运行而产生了吹损沟槽。

3 焊接性分析

中压缸静叶隔板套材质分别为1Cr9Mo1VNbN和1Cr12Mo，两种材料均为马氏体型耐热钢，具有较高的淬硬性，基本上在所有冷却条件下选用同质焊材的焊缝和热影响区焊后状态的组织为硬脆的马氏体组织（或少量铁素体组织），其焊态最高硬度值可达450HV[1]。因中压缸隔板套厚度大，不可避免的焊接拘束应力高，在焊接过程中要求必须严格控制扩散氢含量，采取适当的焊前预热和焊后缓冷措施，以尽量避免焊接过程冷裂纹。马氏体型不锈钢导热性较碳钢差，易导致热影响区出现更为陡降的温度梯度，加上组织转变时的体积变化，可引起较高的内应力，从而进一步提高了冷裂倾向[2]。为降低焊缝内应力，避免焊后冷裂纹的发生，采用同质焊材时，焊后必须进行高温回火处理。

然而1Cr12Mo这种马氏体型耐热不锈钢还具有一定的高温回火脆性，有研究显示1Cr12Mo钢二次回火温度大于480℃时其冲击性能快速下降，部分不能满足标准要求[3]。同时中压缸隔板套的焊接修复对变形控制要求高，较高的预热温度、层间温度和焊后热处理温度对于控制变形极为不利。因此，针对此次焊接修复的特点，决定选择采用镍基焊材冷焊，焊后不进行热处理的焊接工艺进行焊接修复。

4 焊接修复工艺

4.1 缺陷消除及坡口准备

采用气动砂轮小心的将隔板套出汽侧位置吹损沟槽及裂纹打磨去除，注意不能伤及静叶片，并尽量使其平滑过渡。渗透探伤确认缺陷去除干净，沟槽及吹损部位打磨去除氧化皮露出金属光泽，渗透探伤确认待补焊部位没有缺陷。用丙酮仔细清洗待补焊区域及其周围10mm-15mm范围内，不允许有油污、锈斑、水等任何影响焊接质量的污物存在。

4.2 焊接工艺

采用ErNiCr-3焊丝手工钨极氩弧焊方法进行补焊，焊丝规格φ1.6mm，焊丝使用前用丙酮（分析用纯丙酮）擦拭干净，直流反接，焊接电流：60-100A，氩气流量：9-14L/min。

4.3 焊接注意事项

焊接时采用小电流短电弧短焊道快速断续焊接，每焊道长度不宜大于50mm，顺序焊接的两焊道间长度方向间距不宜小于两焊道长度的最大值，以尽量减小焊接线能量和降低焊道的宽深比。焊接过程中应使用起弧、熄弧的薄弱区交错分布，收弧时填满弧坑，断弧后焊枪停留于收弧点继续充氩保护不小于5s。

焊道排列整齐，焊道之间要有三分之一的覆盖量，焊缝与坡口边缘母材圆滑过渡。每道焊接完成，焊缝熔敷金属处于中高温时采用电锤或气锤对焊缝表面进行捶击，锤击时，尽可能地向焊缝的横向锤击，使焊缝金属尽可能横向伸展，并且锤击要稠密、轻快而均匀。每道焊接前需待前一道焊缝冷至60℃以下（手模不烫）方可实施焊接。焊接过程中焊工要随时进行自检，逐道进行检查，发现裂纹应立即钳工打磨去除，重新焊接。

4.4 焊后检验

补焊区域宏观检查，发现气孔、咬边应修磨圆滑过渡;宏观检查合格后进行渗透探伤检查，补焊区及热影响区无缺陷即为合格。

5 结束语

静叶隔板套出汽侧静叶根部附近的大面积沟槽，因中分面部位蒸汽透过静叶间隙在靠近外环部位产生了周向汽流吹损形成。选择适当的焊接材料并制订了合理的焊接工艺，成功焊接修复了中压缸静叶隔板，焊接修复后至今已运行2年多，开缸检查未发现缺陷进一步扩大。

1、周鑫磊， 刘文进， 周瑞，等. 电站阀门用高合金耐热钢焊接工艺的分析[J]. 阀门， 2011（5）：16-20.

2、夏福庆， 郝永华. 火力发电厂300MW机组汽轮机隔板静叶片裂纹的焊接修复[J]. 金属加工：热加工， 2007（12）：30-30.

3、袁达， 方顺发. 1Cr12Mo钢的高温回火脆性研究[J]. 热处理， 2008， 23（4）：35-39.