异质冷焊法在汽轮机法兰与垫片密封焊中的应用探讨

马宝国，刘杰，王文轩

（国家能源集团宁夏煤业有限责任公司煤制油化工安装检修分公司，宁夏 宁东 750411）

所研究机组汽轮机由德国西门子制造，其缸体通过铸造成型。机组主要参数见表1。

表1 机组主要参数

该汽轮机缸体在拆除过程中，需要对法兰垫片进行切割，若切割方式不当或者经验欠缺，容易导致法兰密封面损伤，该机组汽轮机缸体在旧垫片拆除后，安装时需将新垫片与法兰焊接，属于异种钢焊接。法兰材料为G17CrMoV5-10，垫片材料为F91，两种成分组织差异较大，容易出现裂纹,且按照相关焊接技术标准F91 常规焊接中需要热处理，这给实际的维护过程带来了很大的困难。本文将分析两种材料的可焊性，结合具体的施工条件，选择合适的焊材，最后确定合适的焊接工艺。

1 母材焊接性分析

1.1 G17CrMoV5-10 焊接性分析

G17CrMoV5-10 是一种贝氏体耐热钢，以铬为主要合金元素，并添加一定的钼，铬和钼元素的加入可以有效提高钢的高温强度，钒的加入使钢具有一定的抗氧化性。此外，铬和钼还提高了钢的淬透性，在修复焊接过程中容易产生硬脆的马氏体组织，并产生较高的内应力，焊接时容易产生裂纹。G17CrMoV5-10母材的化学成分见表2。

表2 G17CrMoV5-10 的化学成分(V%)

根据IIW（国际焊接学会）推荐的碳当量计算公式：W(C)=w(C)+l/6w(Mn)+l/5[w(Cr)+w(Mo)+w(V)]+l/15[w(Ni)+w(Cu)](%)。

G17CrMoV5-10 室温碳当量计算在0.69%～0.95%。当碳当量Ce 时≤0.4%的焊接性好；当碳当量Ce 在0.4%～0.6%时，焊接性稍差，焊接前需要适当的预热；当碳当量Ce ≥0.6%焊接性差时，是一种难以焊接的材料，需要较高的预热温度和严格的工艺方法。G17CrMoV5-10 的碳当量大于0.6%，表明该钢种硬化倾向大，冷裂敏感性大，焊接时，应采取措施防止裂纹。

1.2 F91 焊接性分析

F91 钢是美国在20 世纪70 年代开发的一种热强度钢，用于火力发电厂的锅炉蒸汽管道、导管、再热器、集热箱等高温部件。相关研究表明，F91 钢TIG 焊接接头在600℃下1000 小时的最大持久强度可达122MPa，焊缝在600℃下的高温持久强度甚至优于国产P91 钢。F91 钢有较大的硬化和冷裂倾向，焊接时可能出现冷裂纹和热裂纹。因此，钢在常规焊接前需要预热，焊接后需要热处理。其化学成分及性能要求见表3。根据国际焊接学会推荐的碳当量计算公式，计算出F91 的碳当量为1.96%～2.38%，远远大于0.6%，表明该钢具有相当大的硬化倾向，对冷裂纹的敏感性非常高。是一种金属材料，焊接性比G17CrMoV5-10 差。

2 焊接工艺的确定

根据母材焊接性的分析，该两种钢焊接性均比较差，因此焊接工艺及相关技术参数要求比较苛刻。如何选择焊接工艺是保证设备长周期运行的首要任务，根据相关规范标准，目前现场的铸钢补焊修复方法有三种，即热焊、同质冷焊、异质冷焊。热焊即属于常规的焊接，需要进行焊接前预热，焊后进行热处理。异质冷焊是在较低的预热温度下，采用与母材成分不同的焊接材料进行焊接，一般不需焊后热处理的补焊方法。结合现场实际，异质冷焊的焊材要对焊缝周围母材的焊接应力具有一定的补偿作用，优于同质冷焊，故该部位较为适合的工艺为异质冷焊。

2.1 焊前准备

更换密封垫片时，操作人员要提前熟悉该部位设备的结构，否则，容易在切割旧密封垫片时，将汽轮机法兰面割伤，在本次检修实践中，就出现了这样的情况，给检修工作带了不必要的麻烦。故在切割时，切割机的切片不能靠近汽轮机法兰密封面，切片与法兰面保持平行且留有1 ～2mm 的距离，切割完成后，再将残留在法兰面上的原焊缝金属打磨干净，采用机械的方法打磨切割，直至露出金属光泽为宜。其次，焊接前将被焊部位两侧母材各25mm 宽的范围内的油污等彻底清除干净。预热可采用热电偶加热，也可采用火焰预热，需要提前准备足量的氧乙炔。测温可以采用远红外或激光测温仪，当采用火焰局部预热时，宜釆用便携式红外测温仪测温。

2.2 焊接方法及焊材

焊接方法选择应综合考虑焊接质量保证的难易程度、现场工艺的可操作性，应选择过程控制方便，焊接应力及变形较小，施工成本较低，容易实施的焊接方法。本次检修案例中，法兰密封面割伤后，焊接后应该进行消除应力热处理，考虑到法兰较厚，且会将预先固定的螺栓一并进行热处理，对螺栓的组织性能产生较大的影响，故采用热焊法整体热处理不适用于本次法兰面修复及垫片密封焊接，选择异质冷焊法对法兰面进行修复。焊前需要预热80 ～150℃。焊材选择抗裂性能较好的ERNiCrFe-3 焊丝，焊丝的成分如表4 所示，该焊丝Ni含量高达68%，特别合适异种钢的焊接。焊接方法采用钨极氩弧焊焊接，可以在不影响密封性能的同时，减少热量输入，防止法兰变形。

表4 ERNiCrFe-3 焊丝的成分

2.3 焊接工艺参数

当焊接方法及焊材确定后，其他的焊接工艺参数根据现场检修实际可以确定，这个切痕较小，法兰切痕的补焊与垫片与法兰的焊接采用相同的焊接工艺。密封焊焊接厚度3mm，焊接层数为2 层，故可以选择常用的直径为2.0mm 的钨极。焊接电流根据钨极的直径来选择，本次检修电流为120 ～135A，保护气体为纯度99.99%的氩气，流量可以设定为15 ～18L/min.具体焊接工艺参数见表5。

表5 焊接工艺参数

2.4 焊接过程

2.4.1 焊前预热

焊前预热方式应根据铸钢件材料、焊接位置及确定的补焊工艺方法等确定，本次采用局部预热火焰加热方式，焰心至工件的距离应在10mm 以上，火焰喷嘴的移动速度应保持稳定，不得在一个位置长期停留，当使用多个喷嘴进行加热时，宜对称布置，均匀加热，在预热的过程中，使用红外线测温仪进行监测，当温度达到要求值时再开始焊接作业。

2.4.2 道间温度控制

异质冷焊修复铸钢件时，道间温度不宜高于150℃，采用红外线测温仪一直检测，若温度超过150℃时，则立即停止施焊，等温度降下来再开始进行焊接。法兰与垫片密封焊接时，可采用同样的方法控制温度。

2.5 焊后检验

焊缝区应进行100%外观检验，焊缝区不允许存在裂纹、未熔合、未焊透、气孔、夹渣等缺陷。因为本次焊接部位空间位置狭小，无法开展射线及超声波检测，故应对焊接区和周围母材进行表面无损检测，本次检修完成后对焊接区域采用了渗透检测，未发现有任何表面缺陷，均达到I 级合格标准。

3 结语

本次汽轮机缸体法兰面补焊修复及密封垫片焊接采用了异质冷焊法，该方法焊接的焊缝目前运行已超过一年，运行状况良好。此方法在汽轮机缸体法兰面的修复补焊中应用效果良好，短期对法兰面进行了修复，为企业节约了大量成本。实践说明，G17CrMoV5-10 和F91 两种材料都具有较差的焊接性能,但采用异质冷焊法，选择具有良好焊接性的ERNiCrFe-3 焊材，能够保证焊接的使用性能。