汽轮机缸体常见材质及焊接工艺介绍

汽轮机缸体常见材质及焊接工艺介绍
发布时间：2021-06-04T15:13:12.627Z 来源：《基层建设》2021年第2期作者：沈科
[导读] 摘要：汽轮机在能源工业中依然发挥着重要的作用，由于汽轮机缸体各部位接触的蒸汽温度和压力不同，因此，不同位置的缸体材料和相关性能指标也不尽相同。

四川广安发电有限责任公司四川广安 638500
摘要：汽轮机在能源工业中依然发挥着重要的作用，由于汽轮机缸体各部位接触的蒸汽温度和压力不同，因此，不同位置的缸体材料和相关性能指标也不尽相同。

我公司生产的汽轮机，低压缸一般采用ZG230-450材质或碳钢材质焊接缸体，而高压缸缸体材质主要以铬钼铸钢体或铬钼钒铸钢体为主（如：ZG20CrMoV、ZG15Cr2Mo1、ZG15Cr1Mo1V等）。

随着蒸汽温度和压力的增加，对应的汽缸材料的性能也要不断增加，以满足力学性能的持久性要求，同时，在材料性能的稳定性和抗蠕变性方面也要具有明显的优势，具备良好的焊接性和抗氧化能力，只有汽轮机缸体满足相关性能要求时，才能长期在工况中安全平稳的运行。

关键词：汽轮机；缸体；缺陷；焊接修复
引言
由于结构设计、制造和运行等方面的原因均可能产生裂纹。

裂纹的存在严重影响着机组的安全运行，消除此类缺陷一般都是采用焊接修复。

某公司在机组大修过程中，汽缸裂纹检查过程发现汽轮机高压外缸的下缸（ZG20CrMoV）有3处裂纹，经过剖挖，3处裂纹分别为：100mm×80mm×45mm（深）、850mm×65mm×40mm（深）、450mm×85mm×15mm（深）的缺陷。

汽轮机缸体属于大型铸件，焊接修复本身就比较困难，如此大的裂纹更增加了修复难度，由此制订了科学、经济、合理的焊接修补工艺，在按工艺要求严格实施条件下如期取得了满意的补焊效果。

1汽轮机缸体材料焊接定义
缸体材料焊接指的是让不同的缸体材料能够在一定的焊接规范、焊接结构和焊接形式的基础上获得优质焊接能力的过程。

如果可以通过针对一种金属来采用合适的金属焊接工艺，自然就可以使得该金属表现出多种焊接功能。

从理论上看，如果可以在熔化的状态下形成不同形式的合金，实际都可以更好地实现高效焊接。

而原则性的焊接过程又被称为物理焊接，但是这种焊接方式并不表明任何材料可以匹配任何不同形式的焊接方法。

即便是同一种金属在不同的焊接方法的背景下也可以表现出很大的差异。

从上述的分析可以看出缸体材料的焊接不仅和材料自身的特性有着直接的关系，实际也和不同的焊接工艺有着一定的关系。

随着焊接工艺的变化，即便是同一种焊接材料，其内部的焊接性能也会有所不同。

2汽轮机缸体焊接性能的影响因素
首先是组织结构的影响。

铸钢的组织结构呈柱状晶体分布，这种结构经过热处理，可以获得均匀的铁素体和珠光体组织，由于铸钢件通常是一次成型，在成型过程中容易产生各种铸造缺陷，而且缸体的结构复杂、刚性大、厚壁并且应力复杂等特点，给后期局部铸造缺陷的焊接修复带来不小的困难。

其次是化学元素的影响。

我公司的汽轮机缸体主要采用铸钢件，材质以珠光体耐热钢为主，这些缸体中的合金元素主要有Cr、Mo、V等，不同的元素在不同的温度区间产生的反应不一样，带来的影响也不尽相同。

耐热钢中的铬和钼元素能显著提高钢的淬硬倾向，钼的作用比铬约大50倍，它们延迟了钢在冷却过程中的转变，焊缝及热影响区容易出现淬硬组织，当焊件刚性较大及接头内应力大时，容易产生冷却裂纹。

珠光体耐热钢具有较强的再热裂纹敏感性，在焊后热处理过程中，因拘束应力释放产生的变形量大于该部位的高温塑性时，在接头的热影响区就会产生沿晶开裂的再热裂纹。

3在焊接中存在的缺陷
（1）裂纹。

缸体材料焊接成型加工中，裂纹是出现频率最高的缺陷之一，对产品的质量影响也非常大。

根据不同的裂纹产生原因，可以将其分为热裂纹和冷裂纹两种。

热裂纹焊接时当材料从液态晶体向固态晶体转化的时候，出现了不正确操作，或者受到外界不良因素的冲击，就会造成热裂纹的产生。

热裂纹通常会出现在材料表面，不但对缸体材料的性能造成影响，也影响产品的美观性。

导致热裂纹出现的各种原因中，材料本身质量不佳，缸体材料中杂质较多，工作环境湿度较大，这些因素都会增加热裂纹产生的可能性。

如果说热裂纹的产生于焊接中的话，冷裂纹则产生于焊接后，通常是焊接作业结束后的不恰当处置，会造成冷裂纹的出现；冷裂纹出现往往在焊接成型结束几天以后，其为主要集中在焊缝周围，根本上是因为淬硬组织约束应力而导致的。

（2）焊接气孔。

在焊接常见的缸体材料时也很容易出现气孔。

如果焊接人员没有在工作中直接清除存在于边缘地带的杂物，自然会使得坡口边缘存在较多的油污，如果没有采用合适的方法来处理这些油污，自然会影响到金属焊接的质量，久而久之缸体材料内部就会存在气孔。

此外，如果焊接人员没有采用合适的焊接标准来直接处理焊条，则会使得焊接气孔的问题进一步加剧。

4焊接材料的选择
汽轮机缸体的常见材料是耐热钢，其主要合金成分是铬、钼、钒等每个元素的性能不一样，如Cr提高材料的耐腐蚀性，使材料中的碳化物更加稳定，减缓碳的扩散，防止材料组织石墨化。

Mo和V是钢材料中主要的强碳化物形成元素，起固熔强化作用，能够显著提高材料的热强度。

在焊接材料的选用上，如果选择等强同质的焊接材料，那么就必须在焊接的前后进行预热和焊接后热处理，但是由于汽轮机缸体的结构比较复杂，不同的部位在材质和性能上要求不一样，很难进行有效的温度控制，一旦升温和降温执行出现偏差就会产生新的裂纹，而且当温度过高时，部分区域的缸体可能会出现变形的风险，影响产品的交付甚至出现报废的可能，因此，在采用等强同质焊接材料时，存在较大的产品质量和安全隐患，不太适用于汽轮机缸体局部铸造缺陷的修补作业。

鉴于此，我们可以考虑选择异质焊接材料，施行冷补焊工艺。

为了防止产生冷裂纹，可以选择奥氏体钢焊材，主要型号有：E310-15（A407）、E16-25MoN-15（A507）等。

5焊接修复
（1）裂缝的防控措施。

对于裂缝的防控应当从以下几方面展开：首先，严格规范焊接人员的操作，要求每一环节的操作都务必要符合焊接作业相关标准；其次，要确保焊接作业所处环境的适宜性，包括焊接作业车间的清洁度，温湿度等等，避免焊接过程中杂质对焊接质量造成的影响，同时做好相关参数的控制，保持电流稳定性；另外，冷裂缝的预防，主要通过控制氢气含量和选择合适焊条等方式来预防，务必要将氢气量控制在最低范围。

（2）防止气孔的措施。

可以采用如下几点措施来防止产生气孔：第一，注意在有效地选择焊接电流和速度的基础上来让焊接的过程更好地符合相关的要求；第二，争取采用合适的措施来直接清理存在坡口的水分和其他不良物品，最终才能够更好地保证焊接材料的质量。

第三，在焊接时尽可能地控制焊接的速度和质量。

（3）最后，在焊接验收方面，对汽轮机缸体缺陷修复
部位进行焊接处理后，通过质量标准进行相关技术指标的验收，如硬度、无损探伤、产品表面检查等，由于汽轮机缸体的结构相对比较复杂，而且表面粗糙，当前能够适用的质量检测方法并不多，在焊后验收上，通常只对其表面硬度和焊接表面的质量指标进行验收。

采用着色渗透探伤验收其表面质量，有条件的情况下方可采用超声波探伤验收其内部质量。

结束语
汽轮机缸体铸件材料品种繁多，品质各异，性能指标也不尽相同，在材料的选择上应该全面认真的进行筛选，选择能够满足产品性能指标的材料。

在焊接和热处理工艺制定中，应该全面考虑材料的性能，以及母材的氧化和受腐蚀的程度，在焊接过程中更要注意预热温度的控制等。

掌握设备所接触的外部环境状况，对缺陷产生的原因进行认真分析，在焊接材料上，使用高塑性高韧性的焊接材料，从缸体的材质结构、工况等各方面进行分析。

同时制定好各个工艺的实施顺序，保证焊接的质量，提高设备的使用性能。

参考文献：
[1]杜鸿，苗磊.电厂缸体裂纹的焊接修补工艺探讨[J].焊接技术，2019，48（S2）：82-84.
[2]刘勇.缸体材料焊接成型中主要缺陷及控制策略探究[J].内燃机与配件，2019（21）：165-166.
[3]邱庆军，吴静，沈冀江.工厂焊接技术及其现状分析[J].无线互联科技，2019，16（20）：129-130.
[4]王春伟.20MnMo钢特大型缸体的焊接工艺改进[J].焊接技术，2019，48（09）：46-49.。