600MW超临界机组高压主汽门阀体裂纹成因分析及处理
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【摘 要】主要介绍了东方―日立600mw超临界燃煤机组高压主汽门阀体内壁裂纹的成因，并开展了对该裂纹修复的焊接性分析，同时介绍了裂纹的焊接修复处理方案及详细的工艺措施，此成功案例为同类型机组同类型问题处理提供了一定的借鉴。
【关键词】超临界；阀体；裂纹；修复；焊接性
1 前言
公司1号汽轮机是东方汽轮机有限公司引进日立技术生产的超临界、一次中间再热、单轴、三缸四排汽、冲动凝汽式汽轮机，型号为：N600-24.2/566/566。A、B主汽门（D600C-261000A）为东方汽轮机有限公司生产的D600-N.E型主汽门，在C级检修中检查B（右侧）主汽门时发现主汽门阀体内表面竖直方向接近阀座处有一宏观裂纹，经PT及UT检查确认该裂纹长130mm，深度约为50mm，位置及裂纹形式如图1.1和图1.2。该主汽门为关断型阀门，阀体材质为：ZG1Cr10MoNiVNbN。
图1.1 阀体裂纹宏观图 图1.2 阀体机械挖除裂纹后
2 裂纹成因分析
引起阀体开裂的原因是复杂的，但主要原因大致可归纳为：阀体的结构、材质、制造工艺等因素以及温度条件应力状态等运行因素。首先制造过程中所造成非金属夹杂物等缺陷是高温疲劳裂纹的源点，同时热处理工艺对制造的质量有决定性的影响。其次是运行方面的影响。阀体材质为ZG1Cr10MoNiVNbN在566℃长期运行后表现出较大的蠕变脆性。随着持久塑性的降低，铸件的应力集中敏感性增加也会使裂纹盟生和扩展。由于温度的波动产生热应力，在交变热应力与蠕变的共同作用下，容易产生裂纹，这种裂纹扩展速率较快，破坏作用大，往往产生破坏性事故。
图2.1为在壁厚方向裂纹全貌、裂纹起始区域两侧，裂纹末端区域的微观特征，裂纹沿晶扩展，裂纹两侧脱碳比较明显，裂口内存在较多的氧化物。裂纹末端圆钝、有明显的脱碳，无扩展现象发生。裂纹两侧组织为铁素体加碳化物，为ZG1Cr10MoNiVNbN材料的老化组织。
图2.1 壁厚方向裂纹的微观形貌
图2.2为中性面之一区域的金相组织，组织为有一定位向的回火马氏体，为ZG1Cr10MoNiVNbN材料的正常组织。
图2.2 裂纹附近母材的微观组织形貌
综合上述分析可以认为此裂纹为机组在运行过程中产生。
3焊接性分析
ZG1Cr10MoNiVNbN属马氏体耐热铸钢，是在9Cr1MoV的基础上发展起来的铸钢钢种，目前在我国刚开始使用。马氏体耐热钢具有明显的空气淬硬倾向，焊后易得到淬硬的马氏体组织，使焊缝金属脆性增加。由于合金元素含量较多，在焊接热循环作用下，经高温加热，焊缝及熔合线附近晶粒急剧长大，加上焊接残余应力作用，极易形成冷裂纹。因而对焊接工艺和热处理工艺有严格的要求。根据国内外有关资料介绍，以及借鉴已经较成熟的焊接经验，焊接预热温度在250～300℃，最高层间温度限制在300℃左右，这样可以保证每道焊缝都转变为马氏体组织，从而在下一道焊缝的热循环下得到部分回火。在实际焊接施工中，经过760±10℃保温9h的热处理，可得到合适的冲击韧性，而且也保证了整个焊接接头区的硬度低于250HB。大型1Cr10MoNiVNbN铸钢阀体壁厚大，结构刚性大，拘束应力大，焊接线能量较大时会造成层间组织过热，出现粗大晶粒和网状晶界。这些组织易产生裂纹源，形成裂纹并扩展，应严格控制层间温度。
4 裂纹的处理及焊接修复工艺措施
4.1 焊前准备
首先根据现场探伤报告，确定缺陷的实际位置和尺寸。优先采取机械方法即采用砂轮机打磨方式对缺陷进行逐层打磨，根据已定位好的焊缝缺陷位置先采用砂轮片从缺陷表面垂直向内侧进行逐层打磨，打磨前必须在裂纹两端10～15mm处各钻一个止裂孔，每层打磨厚度不超过20mm。当打磨到距离裂纹根部50mm处时，打磨层厚度控制在1～2mm范围内。边打磨边观察缺陷情况，并测量打磨深度。裂纹打磨处理完后，对处理部位按标准规定进行PT检验，确认缺陷消净。对于点状缺陷进行锤击夯实。焊前打磨待焊部位平滑，清理干净待焊区域周围50mm范围内的油污、铁锈、水分等杂质，焊口区域打60°的坡口，大小以满足现场焊接需要为准。
4.2 补焊
采用加热器对坡口周围3倍壁厚范围进行预热，预热温度：250～300℃。预热温度达到后，为减小厚壁造成的深度方向温度差，恒温不少于30分钟再进行补焊，由热处理工通知焊工方可进行补焊。预热测温及包炉要求符合《火力发电厂焊接热处理技术规程》DL/T819-2002，预热包炉过程需采用石棉布对周围螺纹孔和阀座装配面和精加工面进行包裹保护。采用SMAW方式进行补焊，焊条牌号：E9015-B9，采用φ3.2mm焊条，具体的焊接控制要求见表4.1。
表4.1 裂纹补焊焊接控制要求
焊接方法 焊条 焊层 极性 电流（A） 电压（V）
SMAW E9015-B9 第一层 直流反接 90±20 23±5
第二层 直流反接 110±20 24±5
第三层至盖面 直流反接 120±20 25±5
每层焊接厚度不超过焊条直径，焊接时采用小规范，短电弧、窄焊道进行，每焊完一层立即进行锤击以消除焊缝应力，同时注意将焊缝表面的焊渣清理干净。中间层填充焊各层之间的引弧和收弧要错开，小电流、分散、多层多道焊接，每焊完一根焊条立即进行锤击。焊接顺序见图4.1所示。
图4.1 焊接顺序示意图
为保证焊接效果焊条使用前按烘焙温度300～350℃，1～2h烘焙。现场焊接时，焊条应存放在保温筒中逐根取用，保温筒应始终接通电源，温度保持在100～150℃。焊接过程中注意控制层间温度在250～350℃。
4.3 焊后热处理
热处理采取电加热器内外整体包炉处理，焊后首先冷却到100～120℃，保温2h，进行马氏体转变后，再缓慢升温，升降温速度不超过60℃/h，当温度到760℃时进行恒温，恒温时间按1h/25mm，厚度按220mm计，恒温时间为9h。
阀体内设置3个测温点，其中补焊处设置热电偶测温点为精确测温主控制点，保证恒温温度，阀体外其他部位设置5个测温点为辅助温度监控点，监控温度梯度。热处理温度利用记录仪全程监控，其中测温主控制点热处理温度曲线自动生成，按图4.2控制温度曲线进行。
图4.2 热处理控制温度曲线
4.4 焊接检验及监督
每焊一层必须认真检查，用放大镜观察有无裂纹、夹渣、气孔等缺陷，发现及时处理。按照标准JB/T4730 I级要求对补焊处进行PT、UT、硬度检验，检验合格后对补焊处打磨圆滑过渡。加强监督检查，在每次机组A、B级检修和有条件解体高压主汽门阀体的检修中，均对该处焊缝进行无损探伤检查。
5 结束语
在本次修复此高压主汽门裂纹过程中严格实施了机械打磨至消除裂纹、有效确保焊前控温、逐层焊接及对阀门整体严格焊后热处理的工艺措施，经对补焊位置进行PT、UT、硬度检验均无异常发现。本次高压主汽门阀体的修复是600MW超临界机组现场成功修复ZG1Cr10MoNiVNbN材料的案例，证实了现场处理高温高压运行部件缺陷的可行性，在其他同类型机组遇到相似问题时，可在方案选择、处理技巧及工艺步骤等方面提供有效借鉴。
参考文献：
[1]ASME-2004第Ⅱ卷A篇，铁基材料（S）.
[2]ASME-2004第Ⅱ卷C篇，焊丝、焊条及填充金属（S）.
[3]《火力发电厂焊接技术规程》DL/T869-2012.
[4]《汽轮机铸钢件补焊技术导则》DL/T753-2001.
[5]《火力发电厂焊接热处理技术规程》DL/T819-2010.
作者简介：
刘军（1973-），男，贵州六盘水人，汽机本体检修高级技师，广东粤电靖海发电有限公司设备部部长，从事设备可靠性及点检管理工作。