ZG15Cr1Mo1V铸件热补焊技术

2021-10-10马志宝李凤强陈鑫高大伟刘彦如郭德瑞

焊接 2021年7期

马志宝，李凤强，陈鑫，高大伟，刘彦如，郭德瑞

(1.大唐华北电力试验研究院，北京 100040；2. 大唐国际发电股份有限公司北京高井热电厂，北京 100041)

0 前言

蒸汽参数为540 ℃亚临界机组中的高中压内外缸、喷嘴室和高温阀门的阀壳等铸件多采用低合金ZG15Cr1Mo1V钢或2.25Cr1Mo钢制造。与2.25Cr1Mo钢相比，ZG15Cr1Mo1V钢的高温持久强度较好，可减少设计壁厚，减少零件的热应力，但铸造工艺性能较差。近年来，通过提高钢水的纯净度，采用Ti脱氧等技术，使ZG15Cr1Mo1V钢的铸造工艺性能有所改善，制造的汽缸与阀壳等大型铸件的质量有较大提高[1]。同时，早期蒸汽参数为566 ℃的超临界机组及600 ℃的超超临界机组中的高中压内外缸也有采用ZG15Cr1Mo1V钢，因此在役机组中存在大量的采用ZG15Cr1Mo1V钢制造的铸件。

近年来，ZG15Cr1Mo1V钢铸件在运行中出现大量开裂现象，国内外进行了大量的失效分析和焊接修复工作[2-10]。汽缸裂纹修复一般采用2种方法：热补焊法、异质冷补焊法。异质冷补焊工艺主要采用镍基焊条，工艺简单、工作量小，并且不需热处理，工件不会产生大的变形，但是也存在与母材线膨胀系数不同，异种金属界面承受热疲劳性较差，不能保证长期高温运行等缺点。目前，对于现役机组ZG15Cr1Mo1V钢铸件主要采用异质补焊法，文献[4]采用ENiCrFe-1焊条补焊3次才成功，文献[5-6]分别介绍了采用ENiCrFe-3焊条对ZG15Cr1Mo1V阀门和主汽门进行了异质冷补焊，但均未提及较长时间运行安全性。

热补焊法采用与汽缸材料相同的焊条，焊前对汽缸进行整体预热，焊后进行整体高温回火。由于焊缝与母材同材质，强度相当、线膨胀系数相当，在汽缸服役过程中不会因为受热、受力等问题出现应力集中或应变集中，能达到满意的补焊效果。但热补焊法较大的弊端就是，焊前预热及焊后热处理都有可能使工件发生较大不均匀变形，且在电厂中实施起来较为困难，特别是现场热处理难度大。文献[9]针对超临界机组的高压内缸下半裂纹缺陷，采用同质热补焊，但是焊后采用火焰进行局部热处理，热处理效果得不到保证，将影响接头长期服役性能。文献[3]尝试采用试验室模拟的方法对ZG15Cr1Mo1V进行了热补焊后组织和性能的研究，但是缺乏现场大铸件实际修复检验。

文中对某9FB燃气-蒸汽联合循环电站机组中压再热联合阀铸件裂纹进行了同质热补焊，采用整体包覆电加热片的热处理方式进行了焊接修复，运行近4年来，质量良好，为同类铸件的现场焊接修复提供技术参考。

1 中压再热联合阀裂纹情况

国内某9FB燃气-蒸汽联合循环一拖一机组，其汽轮机中压再热联合阀采用ZG15Cr1Mo1V铸造，工作温度566 ℃，工作压力2.8 MPa。在2018年的B级检修中发现右侧中压再热联合阀存在裂纹，裂纹位于进汽口与阀体交汇处R角位置，裂纹长度180 mm，如图1所示。

图1 裂纹位置及尺寸

2 焊接修复

中压再热联合阀属于大型铸件，备件制造周期长，交货期至少需要半年以上，这还不包括招投标和更换工作。因此计划对缺陷进行焊接修复。

2.1 缺陷清除

采用角磨机、旋转锉等工具进行打磨消缺工作，每打磨一定深度后进行渗透检测，直到无裂纹显示为止。缺陷清除后的形貌如图2所示，尺寸为320 mm×80 mm×70 mm。

图2 缺陷形貌

2.2 焊前准备

焊前准备如下：①参加焊接的焊工，必须具有相应考核合格项目的Ⅰ类焊工承担；②焊道采用机械打磨方法清除裂纹缺陷，打磨出金属光泽。并打磨平缓或加工成具有1∶3及以下坡度的斜坡，并修整成便于焊接的凹槽再进行焊接；③确保坡口周围50 mm范围内应是干燥状态，清除锈蚀、油污等污物，并打磨出金属光泽；④焊条焊前需进行350 ℃×1 h 烘干处理，烘干后的焊条应放在80～120 ℃的保温筒内随用随取；⑤焊接预热前须将阀体内部部件拆除，并将加热侧的管口进行保温封堵，以确保升降温不受影响。

2.3 焊接

焊接工艺参数见表1。施焊前采用电加热片对整个阀体进行包裹加热，升温至250 ℃，确保焊接区两侧各不少于300 mm范围内温度在200 ℃以上，采用焊条电弧焊接，层温控制在200～250 ℃之间。

表1 焊接工艺参数

采用多层多道焊，焊条不摆动，后焊道压先焊道1/3～1/4，单层焊缝厚度不超过焊条直径，收弧时应将焊接弧坑填满。每条焊缝长度应不大于单根焊条施焊长度，否则应采用逆向分段焊方式，以使应力分布合理。除打底层焊道和盖面焊道外，每一层焊接完成后立即用手锤锤击均匀敲击(力度应适中)焊缝表面，以减小初始焊接所产生的应力，锤时应先锤击焊道中部，后锤击两侧，并要紧凑整齐，避免重复；同时用肉眼检查焊缝表面是否有焊接缺陷，有缺陷打磨消除，无缺陷继续下层次焊接。焊接过程如图3所示。焊接工作结束后，焊工应进行自检，清理打磨焊缝表面，使其与阀壳相邻表面齐平且圆滑过渡，确认表面无裂纹之后，立即进行焊后热处理工作。

图3 焊接过程

2.4 热处理

热处理工必须经过专业培训，取得资格证书，持证(有效期内)上岗。热处理工穿戴好劳动防护用品，防止烫伤。至少2人参与作业。采用程序自控热处理机进行焊后热处理按图4工序流程进行。

图4 焊后热处理操作流程

加热片及热电偶布置如图5所示，对阀体铸件进行整体布置加热，并用保温棉将阀体整体包覆。焊后热处理曲线如图6所示，以60 ℃/h的升温速率升温到725 ℃，保温4 h，然后断电冷却到室温。

图5 加热片及热电偶布置

图6 焊后热处理曲线

2.5 质量检验

外观检验：补焊区外观成形良好，未见裂纹、未熔合、气孔、夹渣等缺陷。无损检测：对补焊区和周围进行MT检测，未发现磁痕显示。理化检测：使用便携式布氏硬度计对补焊区和母材进行测量，补焊区硬度为245 HBHLD左右，周围母材硬度值为130 HBHLD左右，组织变化不大。

3 分析与讨论

3.1 ZG15Cr1Mo1V焊接性分析

ZG15Cr1Mo1V是一种综合性能较好的珠光体类耐热钢，可在570 ℃以下长期工作。ZG15Cr1Mo1V的化学成分见表2，符合标准JB/T 10087—2016。但是该钢在铸造过程中容易出现热裂纹，危害性较大。ZG15Cr1Mo1V铸件热处理工艺为：1 050 ℃喷雾+715～725 ℃炉冷，经过性能热处理后，高温持久性能优良，常温下冲击吸收能量为50～80 J[10-11]，韧性偏低，抗裂性较差。

ZG15Cr1Mo1V钢的焊接性主要包括焊接冷裂纹和热裂纹。采用国际焊接学会(IIW)及日本JIS推荐的碳当量式(1)和式(2)[12]计算，CE=0.84，Ceq=0.86。

(1)

(2)

碳当量在0.45以下时，焊接冷裂纹倾向较小。ZG15Cr1Mo1V的碳当量达到0.8以上，具有较大的淬硬倾向，极易产生冷裂纹。在Cr-Mo钢中， Nb，V加入会增加钢对再热裂纹的敏感性，ZG15Cr1Mo1V钢具有一定的再热裂纹倾向。因此，ZG15Cr1Mo1V钢焊接时，采用低氢、塑韧性好的焊接材料，通过焊前预热，控制层间温度和热输入，减小热影响区的宽度，可有效控制冷裂纹和再热裂纹的产生。

3.2 焊接修复要点分析

3.2.1裂纹性质判断

修复之前要对铸件的裂纹性质做出判断，明确开裂机理，对焊接修复具有针对性的指导意义。该次铸件开裂位置为联合阀体R角位置，为应力集中部位，且开裂位置为铸件原始补焊区，应力开裂的可能性较大。

3.2.2补焊的可行性分析

修复之前要对缺陷周围的母材成分、组织和性能情况进行检测，确认阀体是否具备补焊条件。如果母材组织老化严重，焊接性就非常差，已经失去修复意义。该次修复阀体母材硬度在140～230 HBHLD之间；母材金相组织为铁素体+贝氏体，组织老化3级，具备焊接修复条件。

3.2.3补焊方法的选择

目前，铸件现场修复多采用焊条电弧焊或氩弧焊焊接工艺方法。需要综合分析裂纹的大小和深度、铸件性能、焊接位置、修复工期等因素，一般来说，氩弧焊焊缝的抗裂性能要由于焊条电弧焊，这是由于氩弧焊热输入小，又有氩气保护，焊缝中气体含量低，焊缝纯净，但是焊接修复效率低；而焊条电弧焊热输入大，焊接效率高，但同时存在保护效果不佳，空气易侵入焊缝造成焊缝不纯净的劣势。因此，要根据现场情况灵活选择。该次铸件修复直接采用焊条电弧焊打底、填充和盖面，取得良好综合效果。

3.2.4焊后热处理效果的控制

该次修复的中压联合阀体铸件较大，且阀体上部阀瓣阀芯等部件已拆出，散热较快。为保证阀体铸件整体热处理时温度场的均匀性，将阀体内部用保温棉塞满，同时将与阀体连接的管道上的阀门全部关闭，避免管道内部穿堂风的影响。为确保升降温速度均匀，阀体表面整体布置加热器或加热绳，确保贴紧阀体并绑扎牢固。热电偶控温点布置在焊缝的顶部及两侧，焊缝对面及阀体内壁位置各设一个监控温度点，并与被加热阀体表面紧密接触。鉴于铸件本身的硬度值富余量不大，经过焊后热处理后势必会下降，故将热处理温度选择在标准要求的下限725 ℃，最大程度减少铸件性能的下降。

通过以上操作，确保了整个铸件温度场的均匀性，最大程度的消除了焊接应力，同时最大限度减小了由于温度场不均匀产生的附加热应力，为铸件的后续安全长周期运行打下坚实的基础。

3.2.5补焊后质量检验

补焊后要对补焊区域质量进行检验，如磁粉、超声、硬度、金相等。这也是对修复工艺的可行性和质量的检查，同时对修复区域后续安全稳定运行至关重要。该次修复磁粉检验合格，表面无裂纹；超声检测受限，无法实施；焊缝硬度为245 HBHLD，周围母材硬度相较于补焊前略有下降，但已经低于标准要求下限，鉴于金相组织正常，老化3级左右，且壁厚大于最小计算壁厚，可监督运行。