汽轮机低压转子次末级叶片开裂修复

2012-05-23董再胜

山东电力技术 2012年6期

孙伟，董再胜，高昕

（1.山东电力集团公司电力科学研究院，山东济南 250002；2.济南钢铁集团总公司，山东济南 250101；3.山东石横发电厂，山东肥城 271621）

0 引言

转子是汽轮机最重要的部分之一，它是汽轮机的转动部分的总称，主要由主轴、叶轮、动叶和联轴器等组成，起着工质能量转换及扭矩传递的任务。动叶片的作用是将蒸汽的热能转换为动能，再将动能转换为汽轮机转子旋转机械能，使转子旋转。高速旋转的转子承受很大的离心力，实际转速为3 000 r/min（50 Hz）［1］。叶片装机运行，只要其中的一片发生问题，就可能导致严重的危害。尾带部位线速度最高，如果堆焊金属块开裂，随时可能断掉被高速抛出，击损其它叶片和部件，同时带来连锁破坏；次末级叶片为无拉筋叶片，整级叶片的振动频率和振幅的约束是依赖于叶片之间尾带结合面的紧密配合，只要有一片尾带缺失，整级叶片约束破坏，后果将不堪设想。

1 问题综述

某电厂对125 MW机组进行扩容（135 MW），需改造汽轮机。由于在造的低压转子次末级叶片第二十四级和第三十级（对称左右旋）振动频率试验不符合要求，经多方协商决定，由制造厂对全部次末级叶片（材质为2Cr12NiW1Mo1V，两级共208片）叶肩部的尾带进行堆焊加厚，堆焊层厚度约为8～10mm，以改善振动频率满足要求。叶片装配后，在对整个低压转子的精车加工过程中，发现车刀经过堆焊金属与叶片尾带熔合区及附近热影响区时打滑，成形不良；同时发现个别叶片的堆焊金属与尾带熔合线处有肉眼可见的裂纹。后经全部次末级叶片进行硬度及着色探伤检查，发现熔合线及附近热影响区的硬度均在HRC50以上，甚者达HRC53，并存在较宽的淬硬带（约3 mm）；着色探伤发现表面存在严重连续裂纹的为11片（内部裂纹未查），如图1、图2箭头所示。其余的均带有不同程度的焊接缺陷。大量焊接缺陷说明焊接及热处理工艺不当，需进行改进，重新制定焊接及热处理工艺。

图1 叶片表面裂纹位置

图2 尾带堆焊处的连续裂纹

修复2Cr12NiMo1W1V钢种无经验可借鉴，制定合理焊接工艺将面临三个主要问题：1）焊后淬硬裂纹的预防；2）堆焊完成后热处理问题：如将叶片放入热处理炉整体高温回火，可良好改善焊后熔合区硬度超标问题，但将导致叶片的变形，无法完成精密装配工作，如采用局部热处理，温度和时间无法妥善控制，亦会局部超温变形；3）焊接材料以及焊接方法的选用。

2 2Cr12NiW1Mo1V钢性能分析

次末级叶片材质2Cr12NiMo1W1V是国产钢种，属高合金热强马氏体不锈钢，该钢具有高的强度水平及良好的韧性配合，抗蚀性好，冷热加工性能良好，抗回火能力强。该钢种相当于美国Crucible-422钢和AISI616钢以及日本的SUH616钢，是12%铬钢的改型钢种之一。其化学成分与机械性能见表 1、表 2［2］。

表1 2Cr12NiMo1WV钢的化学成分（质量分数，%）

表2 2Cr12NiMo1WV钢的机械性能

表3 2Cr12NiMo1WV钢的供货状态

2Cr12NiW1Mo1V目前已推广为我国优化200MW汽轮机800 mm末级叶片用钢。与lCrl2WMoV（℈И802）钢相比，2Cr12NiW1Mo1V 钢的碳与钨、钼含量均有所增加，并加入了少量的镍元素，从而使钢的高温长期性能得到提高。钢的使用温度可达649℃，当使用于低应力抗氧化零件时，可用到788℃。该钢与冶标YB/Z8-75序号l给出的钢号2Crl2NiWMoV化学成分与性能均有差别，应予注意。该钢调质状态下为回火马氏体，目前为止，2Cr12NiMo1W1V钢焊接性受限制［2］。

3 修复措施

提高预热温度。挖补预热温度由原来的150℃提高到250～300℃，在箱形电炉内整体缓慢加热，炉口处焊接，焊接过程控制温度不易过高，焊后立即回炉恒温1 h，随炉缓冷至室温。

采用小直径Ni基焊条或高Ni奥氏体焊条（A507）进行焊接均可取得成功。使用手工电弧焊进行焊补，直流正接，小规范，低电弧焊接。焊接全过程用石棉布包裹叶片，只露尾带焊接处。防止叶片整体温度散失过快，减小焊接过程中各部位温差梯度及变形；防止飞溅造成叶片表面损伤。

焊后热处理采用高温回火。为防止叶片变形以及更好的控制时间与温度，将叶片叶根部位悬挂倒置，仅将堆焊部位及少部分叶片基体放入脱氧后的盐浴炉内加热。加热温度620～640℃，恒温15min。事先将叶片放入350℃恒温箱形电炉内等温预热，再将其放入盐浴炉高温回火，等盐炉加热完成后立即再次放入350℃恒温箱形电炉内等温，最后随炉缓冷至室温。此举目的达到了减少温度梯度，更好的防止了因材质线膨胀系数相差过大在快速升温过程造成的损害，并完善解决了变形及应力集中问题。