CN1036617A - 高抗蠕变汽轮机转子及低合金铁基汽轮机部件焊接修复的方法 - Google Patents

Abstract

修复Cr-Mo-V汽轮机部件老化面的方法，包 括：规定的尽量减少焊接应力和裂纹的合金成分和焊 接方法。这些合金显示改善了蠕变和疲劳性能，最好 使用气体保护钨极弧焊熔敷这些合金。为了尽量减 少汽轮机转子和叶轮中的焊接缺陷，还提出了焊道排 列、冷却侧板和使用助焊板。

Description

本发明涉及汽轮机部件老化和损伤表面的修复方法，特别涉及用完好金属沉积物堆焊这些老化表面的焊接工艺。

由Cr-Mo-V合金制造的汽轮机部件（如转子和叶轮）具有最佳的高温疲劳和蠕变性能，但是难以焊接。然而，更换这些常常老化、浸蚀或开裂部件造成的停机，使电力公司每天损失数十万美元，于是提出了许多方法来修复这些部件。

一种这样的修复方法包括将一块单独的锻钢焊到老化的转子或叶轮上。但是，当这种检修方法用在单个转子叶片槽凸缘（这里称作“尖塔”）上时，焊接设备的可及性很受限制。因此，焊接修复由于可及性的限制可能因形成孔隙裂纹和夹渣而导致无损检查质量不合格。

还有一种方法是在汽轮机部件和替换的锻件间少量焊接后用埋弧焊进行转子修复。见Kuhnen的美国专利№.4213025和4219717，本专利参照了这两个专利。在这样的方法中，一个环形锻件被焊到一个老化的叶轮或转子上，或焊接一个全新的转子锻件来替换该转子的整个端部。见Clark等的美国专利№.4633554，这个专利提出，焊出一个窄间隙的根部焊道后，再用气体保护金属极电弧焊堆焊来达到这个目的。

采用这种工艺得到较低的抗拉和疲劳性能，因此，用于高应力的转子尖塔区域一般是不行的。

埋弧焊也仅被用于宽的或深的叶根槽的转子区域堆焊修复，此处裂纹缺陷不是沿转子半径纵向取向。用埋弧焊堆焊的主要优点，这种方法具有很高的熔敷速度，一般大约是每小时7公斤焊接金属。较高的熔敷速度是重要的，因为大多数运行转子的焊接修复是在汽轮机停机时进行的，从而，所需时间就非常重要。但是，这种工艺要求预热，而且产生的晶粒尺寸相对较大，其冶金性能低劣。一般，低压转子上的埋弧焊件屈服强度大约为85-100千磅/平方英寸（586-689兆帕），室温却贝冲击韧性大约为100-120英尺-磅（136-163焦耳）。当然，由于超声波探伤常常在焊接金属中发现夹渣和气孔，埋弧焊件常常不合格。此外，由埋弧焊接件制造的高压Cr-Mo-V转子焊缝遇到了严重的蠕变断裂和缺口敏感性问题。因此，高应力集中半径小的Cr-Mo-V转子尖塔的焊接修复一般不能采用埋弧焊工艺。

气体保护金属极电弧焊方法也被用来修复转子和叶轮。这种焊接方法每小时约熔敷4公斤焊接金属，一般比埋弧焊工艺生产的焊件性能略好一些。合金钢汽轮机部件的气体保护金属极电弧焊焊件的屈服强度一般为85-100千磅/平方英寸（586-689兆帕），室温却贝冲击韧性约为110-130英尺-磅（150-177焦耳）。但是，对于Cr-Mo-V转子的修复焊接来说，在使用Cr-Mo-V合金时，气体保护极电弧焊工艺常常受电弧吹熄（arc-blow）（磁性熄弧）工艺局限性的束缚。

最近，在Ni-Mo-V和Ni-Cr-Mo-V低压转子部件上进行修复主要使用气体保护钨极弧焊接工艺（GTAM）。见R.E.Clark等的文章“低压汽轮机转子的焊接修复经验”（第47届美国动力会议1985年4月22-24日，芝加哥，伊利诺斯州）由西屋电气公司发电部出版（Orlando，Florida）。气体保护钨极弧焊已被用于修复单个转子的叶根槽、修饰（cosmetic）或浅凹槽修复，以纠正较小的表面缺陷。它还被用于轮盘上叶根槽部位的多层堆焊（用于360°堆焊），覆盖顶部，以修复损坏的材料。气体保护钨极弧焊使焊缝具有较高的超声波检查质量，不要求预热，且生产的焊接抗拉和冲击性能优于转子材料规范要求。用这种工艺生产的低合金钢焊件屈服强度一般约为90～115千磅/平方英寸（621-793兆帕），室温却贝冲击韧性约为160-210英尺-磅（218-286焦耳）。另外，这种焊接方法生产的焊缝显微晶粒度比上述任何一种工艺都细。

焊接方法的选择取决于这样一些因素，如变形，无损试验的合格范围和由焊后热处理控制的机械性能。汽轮机转子的每个部位是有差别的，而且承受不同的工作负载。只能用小心控制若干焊接变量的办法避免焊缝和热影响区裂纹，尽量减少缺陷。对于气体保护钨极弧焊，其中一些变量包括：电流量、合金选择、焊接接头的几何尺寸和焊条移动速度。选择的参数应当适应于自动焊接工艺，以获得均匀的质量，即每条焊缝都是可再现的。在适应于在转子和叶轮上进行所有可能的修复工作的同时，这些参数也必须使焊缝具有优良的焊接性能，如没有密集气孔、裂纹和夹渣等。最后，选择的合金和焊接参数生产的焊接必须和母材金属的性能差别不大。

因此，本发明的主要目的是提供一种焊接方法，该方法使汽轮机部件的修复部位具有最优的冶金性能，并且使热影响区减至最小和避免与焊接有关的裂纹。

以此为目的，本发明属于修复具有Cr、Mo、V合金成分的汽轮机钢部件老化表面的一种方法，其中，铁基合金堆焊在上述的老化面上，而所谓的堆焊合金被加工成需要的形状，其特点在于，铁基合金含有0.04～0.22重量百分比的C、0.15～1.0重量百分比的Mn、0.15～1.0重量百分比的Si、0.0～0.02重量百分比的P、0.0～0.016重量百分比S、0.0～0.8重量百分比的Ni、4.00～19.0重量百分比Cr、0.43～2.1的Mo、0.09～0.5重量百分比的V、0.03～0.20重量百分比的Nb、0.0～0.08重量百分比Al、0.0～0.20重量百分比的Cu、0.005～0.06重量百分比的N、其余为Fe。

在一个较佳实施例中，选来用于老化部件的铁基合金含有约7.0～11.0重量百分比的Cr和约0.1～3.0重量百分比的Mo。一种规定的较佳铁基合金成分范围基本上含有大约0.04～0.22重量百分比的C、0.15～1.0重量百分比的Mn、0.15～1.0重量百分比Si、0.0～0.02重量百分比P、0.0～0.016重量百分比S、0.0～0.8重量百分比Ni、4.00～19.0重量百分比Cr、0.43～2.1重量百分比Mo、0.09～0.5重量百分比V、0.03～0.20重量百分比Nb、0.0～0.08重量百分比Al、0.0～0.20重量百分比Cu、0.005～0.06重量百分比N、其余为Fe。但是，最佳的一种铁基合金基本含有0.08～0.11重量百分比C、0.30～0.50重量百分比的Mn、0.30～0.50重量百分比的Si、0.06～0.10重量百分比的P、0.00～0.008重量百分比的S、0.00～0.40重量百分比的Ni、8.00～9.50重量百分比的Cr、0.85～1.05重量百分比的Mo、0.18～0.25重量百分比的V、0.06～0.10重量百分比的Nb、0.00～0.04重量百分比的Al、0.00～0.10重量百分比的Cu、0.01～0.03重量百分比N、其余为Fe。

由下面较佳实施例的描述将使本发明变得更容易明白。关于这一点，结合附图予以描述，其中，

图1是速度级转子的横剖面图。在那里，旧的尖塔已被机械切削掉。

图2是图1速度级转子的横剖面图，表示焊接金属已堆焊在该加工后的表面。

图3是图2速度级转子的局部横剖面图，表示加工和修复后的尖塔。

图4是单个尖塔修复工艺的局部透视图，表示助焊板的使用和施焊程序。

图5是局部透视图，表示一个转子的360°修复，所有尖塔已被加工掉，最后得到360°堆焊层。

堆焊阶段包括将铁基合金焊到汽轮机部件20、40、或50的老化面上（图1-5）。该焊接阶段最好采用气体保护钨极弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光束焊和气体保护金属极电弧中的任一种来实现。本发明的新型合金也可用于其它的焊接方法，但重要的是，采用的焊接方法应将基体金属上的热影响区减至最小，以避免不必要的缺陷。

到现在为止，采用的最佳方法包括用气体保护钨极弧焊将较佳的铁基合金焊到加工过或磨过的汽轮机部件20、40或50上，形成多道堆焊12、42或54。根据本发明推荐的气体保护钨极弧焊接方法，在施焊前，蒸汽轮机部件20、40、或50至少预热到177℃。对于在叶轮和转子上“360°”焊接操作，可以使用侧板52。此处所用的360°修复指的是一种方法，即焊接金属连续地熔敷在汽轮机部件（如转子或叶轮）的周边周围，一直到达到足够的高度，之后加工转子的单个尖塔，或将叶轮加工到工作允差。侧板52最好由Cr-Mo-V转子钢或铜制造，可以水冷，以便进一步减少焊接边缘的影响。

对于如图5所示的360°尖塔的堆焊，用于高压转子的较佳方法是：除掉位于该转子上的所有尖塔，使其成为一个纯粹的环形部件件，然后进行360°堆焊54，堆焊可以使用水冷铜侧板，该板沿老化面的一个边缘设置。将本发明推荐的铁基合金堆焊在加工面上，同时贴着水冷却侧板52。

在转子部件上进行单个尖塔修复时，老化的尖塔最好从该转子的轮缘上完全除掉。然后，至少沿转子的第一个纵边放一块助焊板，施焊时，该助焊板至少可以提供一个起焊面。第二块助焊板可以放在与第一个纵边横向相对的转子的第二个纵边上，至少它可以提供一个止焊面。由于助焊板46连接的两边有时可能存在缺陷，所以使用金属包层法将这些助焊板连到转子上。该包覆层最好包括预堆边焊层，预堆边焊层含铬更好，并且至少分布在两个互搭的焊件上。

用较佳的气体保护钨极弧焊修复一个单个的尖塔时，将第一焊道横向垂直于转子焊接在加工后或其它准备好的表面上。在该准备好的表面上，横向垂直于转子焊接着第二个焊道，且与第一个焊道隔开一定的间距。第三个和第四个焊道类似地设置，如有可用空间，也隔开一定间距。使用间断式焊接工艺，使紧靠焊缝下面的母材金属，在下一个相邻焊接操作前缓慢冷却。由此，使与焊接产生的热影响区有关的脆性减至最小。

图1中的汽轮机转子20最好从已投入运行的汽轮机中选择，不过，对于下述焊接方法也可以用没有齿形凸缘的新转子作为最初的汽轮机部件。

本发明提出的汽轮机转子和叶轮一般用低合金钢制造，通常含有6%以下的合金元素，如推荐的Cr-Mo-V合金钢A470第8级，和它的改进型。

象转子20、40和50采用一个使用过的汽轮机部件时，最好用机械方法去掉高应力的各个尖塔44。这里所用的“机械法去除”指的是去除金属的任何已知方法，包括但不限于：磨削、车、电弧气割和其它在冶金工艺中知道的那些方法。如在图4的情况下，应去掉整个的老化尖塔，因为重要的是用随后的焊接操作减少在这些部件高应力部位产生任何微弱的热影响区的可能性。

如图2、4和5的一般描绘，可以通过焊接将本发明推荐的铁基合金堆焊在汽轮机部件的老化表面上。可以用已知焊接工艺中的任一种方法进行焊接，但是最好用气体保护钨极弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光束焊和气体保护金属电弧焊中的任一种。施焊前可以采用的较佳预热温度至少为100℃-300℃，最好为约177℃-204℃，以减少汽轮机部件20、40和50中的应力。

为准备进行本发明优先选用的气体保护钨极弧焊接方法，被焊表面最好是处理过的光泽金属。更可取的是，使用变性酒精、丙酮、甲基氯硅烷或溶剂清洗距焊接部位约5厘米以内的基体金属表面。也要进一步注意到，如用甲基氯硅烷，紧接着要用酒精、丙酮或溶剂清洗。此外建议用无损探伤方法检查要被焊接的基体金属表面，除发现的最深裂纹或估计的疲劳部位外，另外至少磨掉16英寸金属。

根据本发明优先选用的气体保护钨极弧焊接方法，我们认为下列的焊接参数是有用的：

表Ⅱ

参数    焊层1，3，4    焊层2    其余部分

电流特性    脉冲60%    脉冲60%    直流（straight）

（无脉冲）

安培-直流正极性    85-120    100-150    280

电压    8.5～9.0    9.0～10    11～13

表面速度（线性）英寸    4.0    3.0    4.5～8.0

脉冲频率    3周/秒    3周/秒    无

移动类型    OSCX.300    OSCX.300    直接

回摆幅度    .22    .22    0

焊条进给速度    5-25    5-20    50

（英寸/分钟）

钨极尺寸（直径）    1/8或3/32    1/8或3/32    1/8

（2%钍）英寸

钨极伸出长度    3/8～3/4    3/8～3/4    3/8～3/4

（英寸）

焊条尺寸（直径）    0.045    0.045    0.045

（英寸）

主要保护气体    50%+50%    50%+50%    50%+50%

（氩+氦）

移动式惰性气体    100%    100%    100%

（氩）

焊道重叠    50%    50%    50%

如图4所示，焊道施焊程序应提供彼此留有间隔的焊道排到，即在已加工的表面上堆焊第一道横向垂直于该选定转子40的焊道，然后在该加工面上焊接第二道焊道，使其垂直于该转子并与第一道焊道隔开一定距离。对于焊道1-10等，从外向内进行焊接，这种焊接方法产生较小的热影响区（HA2）。不推荐焊后锤击，最好用气体保护钨极弧自动焊机在平焊（±15°）位置进行焊接。这种焊机要停焊时应在断弧前将电流逐渐减小到15安培或更小。此外，在开始焊接和停止焊接时应使用助焊板44，如图4所示，因为这些部位可能产生冶金缺陷。我们也建议，母材在焊前消磁，以尽量减少灭弧。

焊接时，母材层间温度应低于300℃，最好低于250℃，低于204℃更好。焊后，被焊的汽轮机部件应立即保持在约149℃-260℃，最好在约176℃-204℃。保持预定的焊后加热时间后，焊后的汽轮机部件在500℃以上进行焊后热处理，最好高于600℃，在约663℃更好。选择的热处理温度应使焊接应力减到最小，提供足够焊缝“回火”（tempering    back.）和热影响区硬度。如果必要，要防止热影响区以外的母材“过回火”（over    tempring），以获得需要的焊接强度。本发明推荐的转子修复工艺一般包括在焊接修复区进行局部焊后热处理。消除该局部应力包括沿转子轴向加热整个修复部位，以便适合任何预选的轴向和径向温度梯度。

焊接部位进行焊后热处理后，对用上述方法修复的汽轮机部件20、40和50进行喷砂清理和无损检验，如磁粉探伤、着色探伤或超声波检查。另外，用测定堆焊硬度和拉伸试样进行机械性能试验，拉伸试样是在相同的焊接操作下加工的。然后，汽轮机部件立即进行最后的尺寸检查，完成机加工，即加工出齿形凸缘14。

从前面的叙述中可以看到，本发明提出了修复铁基汽轮机部件的改进工艺。焊接方法，熔敷合金和热处理规范提高了被修复面的高温性能。虽然例举了各种实施例，这是为了描述，而本发明并不限于此。各种改进，对于本领域的技术人员是容易的，它属于权利要求中所述的本发明的范畴。

Claims (10)

1、一种修复具有Cr-Mo-V合金成分铁基汽轮机部件老化表面的方法，其中，一种铁基合金熔敷在老化面上，而熔敷合金则加工成要求的形状，其特征在于：铁基合金含有重量比为0·04～0.22%的C、0·15～1.0%的Mn、0·15～1·0%的Si、0·0～0.02%的P、0·0～0·016%的S、0·0～0·8%的Ni、4·00～19·0%的Cr、0·43～2·1%的Mo、0·09～0·5%的V、0·03～0·20%的Nb、0·0～0·08%的Al、0·0～0·20%的Cu、0·005～0·06%的N、其余为Fe。

2、如权利要求1的方法，其特征在于：铁基合金含有重量百分比为0.08～0.11%的C、0.30～0.50%的Mn、0.30～0.5%的Si、0.00～0.10%的P、0.00～0.008%的S、0.00～0.40%的Ni、8.00～9.50%的Cr、0.85～1.05%的Mo、0.18～0.25%的V、0.06～0.10%的Nb、0.00～0.04%的Al、0.00～0.10%的Cu、0.01～0.03%的N，其余为Fe。

3、如权利要求2的方法，其特征在于：用焊接方法将铁基合金熔敷在老化面上。

4、如权利要求3的方法，其特征在于：焊接方法包括气体保护钨极弧焊、等离子弧焊、电子束焊、激光束焊和气体保护金属极弧焊中的任一种方法。

5、如权利要求3中的方法;其特征在于：焊接前，汽轮机部件至少预热到177℃。

6、如权利要求1的方法，其特征在于：至少在熔敷阶段时，在汽轮机部件上放一块侧板，以便散热。

7、如权利要求6的方法，其特征在于：侧板是一块铜板，用水冷却。

8、如权利要求1的方法，其特征在于：汽轮机部件是一个转子，其老化尖塔已被加工掉，形成一个准备焊接的表面，第一道焊道与转子横向垂直，随后焊接第二道焊道，它与第一焊道横向隔开一定距离。

9、如权利要求8的方法，其特征在于，至少沿所述转子第一纵向边放置第一块助焊板，为焊接阶段提供起焊面，在与第一纵向边横向相对的转子的第二个纵向边上放置第二块助焊板，为焊接阶段提供止焊面。

10、如权利要求9的方法，其特征在于：在至少两个互搭的焊件上固定第一块和第二块助焊板，转子具有含铬的预堆边焊层。

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