陈 罡，徐东洋，徐 彤

（中国石油辽阳石油化纤有限公司建修公司，辽宁辽阳 111003）

1 修理任务分析

1.1 设备裂纹概况

某电厂1#汽轮机大修，缸体检查时内壁有一条长度约60 mm的裂纹缺陷，裂纹尖端距上下缸体结合面不到30 mm，严重威胁汽轮机组的运行安全（图1）。因电厂生产安排，补焊工作工期紧。

图1 汽轮体缸体裂纹

1.2 裂纹产生原因

此汽轮机1992 年投入运行，服役已将近30 年，汽缸设计压力9.8 MPa，设计温度540 ℃，汽轮机汽缸长期在高温高压工作条件下运行。ZG20CrMoV 材料缸体结构复杂、壁厚大、截面形状变化大，存在铸造缺陷的概率也大，而且不便于检测。在形状变化大的部位存在应力集中，加之汽轮机组运行过程中开停车频繁，汽缸缸体承受温差应力作用，在铸造缺陷处产生裂纹并扩展。裂纹一旦扩展到上、下缸体结合面，高温高压蒸汽泄漏会引起重大事故，必须彻底清除裂纹缺陷、消除隐患。

1.3 修理难点

ZG20CrMoV 材料铸件缸体裂纹修理难度大，不仅要防止修理过程中裂纹扩展，特别是避免裂纹扩展到汽缸上、下缸体结合面增加补焊后的密封面加工量，也要避免过大的、不均匀的焊接热输入引起汽缸结合面变形。而且ZG20CrMoV 低合金耐热钢铸件焊接性差、采用同质焊接材料补焊时需采取严格的工艺措施，防止产生新的焊接冷裂纹。

2 汽缸缸体补焊焊接方法选择

2.1 ZG20CrMoV 材料焊接性分析

汽缸材料为ZG20CrMoV，其主要化学成分见表1（摘自JB/T 9625—1999《锅炉管道附件承压铸钢件技术条件》），属于低合金耐热钢，金相组织主要为珠光体。

表1 ZG20CrMoV 钢化学成分（质量分数） %

按国际焊接学会（IIW）推荐的碳当量计算公式，ZG20CrMoV 的碳当量=0.81%＞0.45%，焊接性较差，焊接时快速冷却可能出现淬硬的马氏体组织。汽缸的缸体开裂处厚度大、存在形状突变，造成补焊处刚性大、应力集中大，当补焊时预热、层温和焊后消氢措施及焊接规范数、消除应力热处理措施不合理时，冷却速度快、扩散氢浓度高，焊缝金属和热影响区产生淬硬的马氏体组织部位，在焊接应力和扩散氢作用下产生氢致裂纹，由于氢的扩散、聚集和诱发需要一定时间，所以为延迟裂纹[1]。

当钢中含有Cr、Mo、V 对再热裂纹敏感的合金元素，消除应力热处理规范不合适时，容易产生再热裂纹（也称消除应力裂纹），ZG20CrMoV 再热裂纹敏感指数PSR=ω（Cr）+ω（Cu）+2ω（Mo）+10ω（V）+7ω（Nb）+5ω（Ti）-2，取ZG20CrMoV 钢的实际合金成分含量计算，最小值也为1.9，大于0，容易产生再热裂纹。

补焊工作应保证焊接接头有与缸体母材基本相等的强度和塑性，特别是与缸体母材相当的高温持久强度。保证焊接接头与母材相当的抗高温氧化性能、抗脆断性能。焊接接头应有与缸体母材相近的热膨胀系数和导热率，减小焊接接头在高温运行过程中的热应力。在此前提下，减少焊接缺陷的产生。

ZG20CrMoV 同质焊接材料补焊时，除了采取工艺措施、由技能熟练焊工操作，避免一般低合金钢材料可能出现的气孔、夹渣、未熔合、未焊透等焊接缺陷。为避免延迟裂纹及再热裂纹，首先应做好缺陷清除、保证焊接坡口的加工质量，清除裂纹源；做好焊接材料的清理，除去容易引起焊接缺陷的油、锈、氧化皮等污物；选用焊缝金属合金成分与强度性能与母材匹配的焊接材料；根据焊件材料、补焊部位拘束度大小选取合适的预热温度和焊后消氢规范、消除应力热处理规范，避免焊接接头冷却速度过快，得到理想的焊接接头组织性能，避免产生延迟裂纹和再热裂纹[1]。

2.2 ZG20CrMoV 焊接方法比较

根据DL/T 753—2015《汽轮机铸钢件补焊技术导则》，汽轮机铸钢件的补焊方式有热补焊、同质冷补焊、异质冷补焊。

（1）热补焊。采取与ZG20CrMoV 母材匹配的焊接材料施焊，如2.1 节分析，需要采取控制焊接热输入、降低扩散氢含量、预热和及时后热、焊后热处理的措施以防止冷裂纹产生[1]。由于裂纹紧邻汽缸结合面，这样的同质热焊法修补需要预热、连续焊接、后热及焊后热处理，造成汽缸缸体局部温度升高、受热不均匀，会引起汽缸结合面的变形，给修复工作增加困难。

（2）同质冷补焊。选取超低氢高韧性焊接材料，相比热补焊，在较低的预热温度下补焊，此次补焊工作，超低氢高韧性焊接材料采购困难，而且深20 mm、宽30 mm、长150 mm 的焊接量和立焊的焊接位置决定了焊接应力相对较大，ZG20CrMoV 汽缸缸体采取同质冷补焊减小焊接应力的难度较大。

（3）异质冷补焊。选取镍基焊条，相比热焊，在不预热或较低的预热温度下补焊，镍基焊条熔敷金属塑性相对较好，可以减小补焊时的焊接应力。

2.3 ZG20CrMoV 焊接方法的确定

考虑汽缸缸体的补焊工作量大，通过对热补焊、同质冷补焊、异质冷补焊3 种焊接方法的比较，确定采取异质冷补焊。保证焊接质量、保证补焊后几何尺寸满足缸体密封要求的前提下减小劳动强度、提高补焊工作效率。

3 施工方案的制定

3.1 焊接材料的选择

使用镍基奥氏体焊接材料补焊ZG20CrMoV 珠光体钢时，需考虑奥氏体与珠光体导热系数不同、线膨胀系数不同，焊后冷却时焊缝金属与汽缸缸体收缩量不同而产生焊接接头残余应力。

异质冷补焊时选用与ZG20CrMoV 缸体母材导热系数、线膨胀系数相近的镍基焊接材料ENiCrFe-3 焊条，汽缸缸体与镍基焊接材料性能对比见表2。填充金属与ZG20CrMoV 珠光体钢线膨胀系数相近可减小应力，焊接应力集中在相对塑性好的奥氏体焊缝一侧，可以降低焊接接头残余应力，减小汽缸在高温下工作时补焊部位产生的附加热应力[2-3]。

表2 ENiCrFe-3 熔敷金属和ZG20CrMoV 钢在550 ℃与20 ℃之间典型物理性能对比

3.2 避免焊缝金属稀释易产生裂纹

ENiCrFe-3 奥氏体焊接材料与ZG20CrMoV 珠光体钢异种金属焊接时，焊缝金属受珠光体钢稀释，在过渡区产生脆性马氏体，此部位容易产生焊接裂纹。焊接接头中的过渡区无法避免，焊缝金属中较高的镍含量，可以促进在过渡区形成奥氏体组织、减少马氏体组织，减小脆性过渡区，以提高焊接接头韧性，避免产生焊接裂纹[2]。

3.3 减小碳迁移产生应力集中

镍基奥氏体焊条焊接ZG20CrMoV 珠光体钢时，如果焊接接头在高温下停留时间过长，在奥氏体与珠光体交界处会产生严重碳迁移，珠光体侧形成脱碳层、软化，奥氏体一侧增碳层、硬化，两侧性能相差悬殊，产生较大的应力集中，降低焊接接头的承载能力。

能够在珠光体钢侧先堆焊奥氏体过渡层，并控制过渡层焊接时热输入，减小焊接接头高温下停留时间，也可以减小焊接应力，减小珠光体稀释和碳迁移的影响。

4 汽缸冷焊法补焊步骤

4.1 裂纹的清除及坡口制备

为避免修理补焊过程中裂纹扩展，在裂纹尖端处钻止裂孔。然后使用角磨机清除裂纹并制备坡口，打磨过程中使用10 倍放大镜查看裂纹清除情况，坡口制备避免存在较深沟槽，在减小焊接填充量的前提下保证焊接坡口形状平缓，以方便焊接层次布置并减小焊接应力。

严格清理焊接坡口表面和焊接材料，清除油、锈、污物，防止硫、磷等杂质熔入焊缝，减少气孔和裂纹产生的倾向。

4.2 坡口制备和焊接顺序

为保证有足够的过渡层施焊空间，便于减小过渡层施焊时熔合比、减小碳迁移的影响，坡口角度比普通对接缝大，坡口结构如图2 所示。先在整个坡口面堆焊隔离层，然后采取多层多道焊的焊接层次、由坡口面向中间分层施焊，每一道焊缝沿坡口长度方向分段退焊。

图2 焊接坡口及焊接顺序

4.3 焊接规范

（1）焊前氧乙炔中性焰加热消氢，加热区域大于补焊区域周围100 mm，加热至250～300 ℃，保温2 h，使用红外线测温仪测温。

（2）采用Φ2.4 mm 的ENiCrFe-3 焊条施焊，使用前在250～300 ℃烘干1 h，选取尽量小的电流，以评定合格的焊接线能量的下限施焊，减少裂纹产生倾向。

（3）焊前和焊接过程中使用氧乙炔中性火焰预热并保证层温在60～100 ℃，避免焊接接头与周围母材温差应力过大，也避免层温过高产生焊接热裂纹。

（4）按4.2 节顺序施焊，施焊过程中，焊条尽量减少摆动，以加强熔池保护。分段施焊，每段焊道长度25～30 mm，避免焊接热输入过大，熄弧时保证每处焊道弧坑填满，防止出现弧坑裂纹。

（5）每处焊道焊后立即用不锈钢圆头小锤锤击，减小焊接应力，350 ℃以下停止重击。盖面层不进行锤击消除应力。因为渗透检测需要焊缝冷却至50 ℃以下才能进行，避免反复冷却再预热产生应力，除了盖面层焊道，其余每层焊缝不再进行渗透检测。去除渣壳飞溅，使用10 倍放大镜检查，如果发现裂纹，将裂纹清除后按前述步骤补焊，合格后再继续施焊。

（6）补焊焊缝表面打磨光滑与母材圆滑过渡，以减小形状缺口及结构不连续带来的应力集中（图3）。

图3 过渡层焊缝及最终补焊效果

5 修理效果

补焊焊缝使用10 倍放大镜检查无裂纹，立即进行保温缓冷。因ZG20CrMoV 钢材有延迟裂纹倾向，焊缝表面打磨至周围汽缸缸体母材平滑，在焊后24 h 后进行渗透检测，无裂纹、气孔等缺陷，确认合格使用。

使用镍基合金焊条冷焊法对汽轮机ZG20CrMoV 汽缸缸体裂纹进行焊接修复，通过先在坡口面堆焊过渡层、选取合适的焊接工艺规范，减少了碳迁移并减小焊接应力，有效防止了裂纹产生，更可以减小缸体变形，节省缸体补焊后加工成本，保证修理质量。