（1.哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046
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摘要：汽缸裂纹产生原因是复杂的，涉及到设计、制造及运行等各方面的因素，但归纳起来有两种情况:一是存在易于产生裂纹的薄弱环节，如铸造缺陷，脆性大的区域等;二是应力较大，包括铸造应力、热应力和机械应力等。在汽缸上出现裂纹后，在裂纹的两端将引起很大的应力集中，极易使裂纹继续扩展，若这些裂纹得不到及时有效的处理，或者处理方法不得当，处理后又产生裂纹，将会严重影响机组的安全运行。基于此，本文主要对高压汽轮机缸体裂纹补焊技术进行分析探讨。
关键词：高压汽轮机；缸体；裂纹；补焊技术
1、缸体产生裂纹的原因分析
某5号汽轮机是背压式汽轮机，型号为B25-90/10，额定负荷25MW，进汽参数p/t=9.0MPa/535℃，排汽参数0.8MPa～1.2MPa/310℃。一般来讲，汽缸产生裂纹的原因是比较复杂的，但都存在着内因与外因两个因素。从内因方面来说主要是缸体在铸造工艺方面存在着缺陷，由于汽缸的形状比较复杂，厚薄不均，冷却速度不同产生相变收缩应力及热应力，使金属在强度较弱的部位先拉裂。另外，铸造过程中造成的夹渣、气孔、疏松等宏观缺陷和微观金相方面的缺陷，都成为机组投入运行后产生裂纹的原因。
外因方面主要是运行工况方面的原因，汽轮机在运行过程中，汽缸除了承受内压力作用外，在机组启动、停止、负荷变化、参数波动时，还要承受因温差而引起的较大热应力。这种热应力一般只会引起汽缸变形，不会直接导致汽缸裂纹，但若汽缸内部本身存在着缺陷，造成高度应力集中或消弱了材料的机械性能，这时运行中产生的热应力就会成为裂纹产生的触发因素。
由于5号汽轮机是供热机组，一般情况下，采用以热定电的运行方式，工况变化随氧化铝工业用汽的波动而比较频繁，而且启停次数比常规电厂机组要频繁得多，因此运行工况是比较恶劣的。综合以上两种因素分析，5号机的汽缸本身在铸造过程中存在着工艺方面的缺陷，导致缸体产生应力集中，在恶劣运行工况产生的热应力的不断触发下得到扩大，导致在缸体的最薄弱环节，即参数变化和汽流速度变化影响最严重的部位———调节汽室弧段产生裂纹。
2、裂纹情况分析
裂纹位置处在高压汽缸平面(扣缸面)两螺栓孔之间，长度为90mm，深度待用钻孔法确定，缸体材质为ZGl5GrlMolV。从产生的裂纹观察，铸造汽缸内壁在制造厂进行过补焊，其长度约800mm，宽度为200mm，补焊厚度>15mm，估计造成汽缸中分面法兰裂纹的原因是铸造成型冷却过程中产生的应力所致。
3、汽缸裂纹的挖补工艺
3.1探伤
首先对汽缸的裂纹区域进行超声波探伤，确定其裂纹长度和边界。由于是穿透性裂纹，裂纹的深度即为该处汽缸的壁厚。δ≈50mm，并进行硬度测试，经过超声波探伤，5号机下缸裂纹长度约为200mm，呈C字型，裂纹区域的布氏硬度为140，如图1所示。
图1汽缸裂纹位置及外观
3.2挖除裂纹
在裂纹两端打止裂孔直径10mm，深度为45mm，以防止在修复过程中裂纹继续延伸。然后用电弧刨进行挖除，这里需要注意的是严禁用火焰割除，坡口V字型，如图2所示。最后用砂轮机将硬化层打掉，并将坡口修正光滑平整，用着色法观察，确认裂纹已完全消除。
3.3预热
在挖出的坡口区域固定好远红外加热带，对施焊区域进行加热至230℃，升温速度≤1.5℃/min。当温度接近200℃时，采用烤枪辅助加热坡口表面。
图2汽缸裂纹坡口尺寸
3.4热敷
焊条采用Inconel-182，2.5mm，经过250℃烘干2h。电焊机采用直流反接规范，电流I=110A，电弧电压28V。首先在坡口最深处起焊第一道焊道，以后的焊道均将前一焊道熔化1/3表面且一律绕第一焊道饶圈，每次换焊条动作要快，使熔池尚未冷却，即快速接火。坡口一次敷焊，经历时间愈短愈好，焊层厚约4mm，敷焊过程中，始终保持温度大于180℃，分段退焊，引弧与接头处均需错开，先底部后两侧。焊接线速度≥3.5mm/s。焊接完毕不清药皮，立即用石棉布保温，缓慢冷却至50℃以下，然后用钢丝刷清除药渣，再次探伤，确认无裂纹，再实施下一道工序。
3.5冷焊
焊条E316L，3.2mm，250℃烘干2h。施焊条件:电焊机直流反接规范，电流I=110A，母材温度始终保持在50℃以下。所有焊道均采用逆向分段焊，每次只允许焊半根焊条，这样可降低层间温度。每次起焊时，要用手摸不发烫，收弧处用断弧法填满熔池，严防火口开裂，如发现立即消除。每一焊层，必须呈内凹型，这样可减小焊接时的残余应力。每焊一层后，逐条焊缝锤击消除应力，锤击应紧凑均匀，先锤焊道中间，后锤焊道两侧，锤击深度1.0mm～1.5mm，冷却至50℃以下，再焊下一焊道，直至填满整个坡口。
3.6焊后检查
冷焊结束后，用砂轮机将补焊表面打磨光滑，然后对焊缝和热影响区域进行超声波探伤和硬度测试。。
4、焊接工艺
鉴于汽缸形状复杂，并考虑现场焊接热处理设备，选用工艺简单，工作量小，在室温下施焊工作条件较好的冷焊方法。因汽缸材质为ZGl5GrlMolV，焊条选用Z308，规格3.2mm，焊前经150℃烘焙1h，放人100℃保温筒内，随用随取。焊机选用直流逆变弧焊机，焊把接正极，焊接电流90～110A，盖面焊电流90～100A。焊接采用直线运条法，后一道焊波应复盖前一道焊波的1/3。为减少焊接应力的产生，消除焊接缺陷，应采取以下措施:
(1)每条的焊道厚度不得超过4mm;
(2)在整个焊接过程中基体金属温度不许高于70℃(不烫手);
(3)采用分段焊接，每段长度不宜超过30mm，每焊一段立即用圆头锤沿焊缝纵向进行往返轻敲，敲击时应先敲击焊道中部，后敲击焊道两侧，敲击痕度为0.3～0.5mm，锤痕应排列整齐，并尽量避免在一处重复敲击或跳跃。
(4)下一层或下一道的焊接应待上一道温度降至不烫手时方可进行，应用5倍放大镜对上道(层)焊缝仔细检查无缺陷时才可继续焊接。
(5)每道焊缝的焊接顺序是由中间向两端焊接，每层同段焊缝接头要错开5～10mm，按此顺序多层多道全部焊完后，最后再将止裂孔填补填满。每焊好一段焊缝不要急于收弧，要由慢到快连续点焊把弧坑填满，将熔池由大到小引向焊缝一侧，以避免焊接过程中产生弧坑裂纹。
图3圆头锤痕排列
(6)全部补焊结束后，应用圆头锤采取图3所示的方法敲击焊缝、热影响区及近缝母材，敲击时间要长一些，以振荡焊件颗粒组织，清除焊接残余应力。
5、检验
(1)余高部分采用角向磨光机加工并与工件基体平齐(高0.5mm)，钳工精修磨、研磨。
(2)选用磁粉或着色探伤进行检验，确认有无裂纹。
(3)测量汽缸变形。测量部位:汽缸轴向和径向的线变形测点均不得少于两点，水平结合面变形测点，纵向每侧不应少于3点，横向前、中、后各部位均不应少于两点。测量方法:水平结合面的角变形可用大平尺测量，轴向和径向的变形可用内径千分尺或样棒与塞尺测量。
6、结语
采用此补焊工艺，处理过多台高温高压汽轮机的汽缸裂纹均获得了满意的结果，实践证明此工艺是可靠的，保证了汽轮机的安全运行。
参考文献：
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[2]李衍．焊缝超声相控阵检测最新ISO标准[J]．无损探伤，２０１５，３９(４):２２Ｇ２７．