秦山核电站320MW汽轮机静叶片裂纹的焊接修复

摘要： 对秦山核电站320 MW汽轮机静叶裂纹产生的原因进行了分析，从母材的材质性能、裂纹倾向、焊接拘束及应力状态等方面，对静叶焊接修复的可行性进行了分析，针对马氏体不锈钢的焊接修复特点，分析了不同的焊接修复方案，制定了合理的修复焊接工艺，着重阐述了裂纹挖补、焊前预热、母材小热输入焊接、焊后热处理及焊后PT检查等一系列修复措施。

关键词： 马氏体不锈钢；静叶；焊接；修复

中图分类号： TG442

1课题背景

秦山核电站HN310 - 54.5型320MW凝汽式汽轮机为单轴，三缸，反动式和凝汽式全速饱和蒸气汽轮机，R14大修汽轮机开缸后的在役检查发现：调门端1级下隔板A侧第18个静叶片（简称静叶）叶根处存在一处长约15 mm的裂纹，由迎气面叶片根部起裂向叶片内、外边缘扩展，长度约为15 mm，缺陷具体情况如图1～图2所示。

汽轮机静叶片的损耗也会导致动叶激振脉动的加大而导致其断裂损坏，而且静叶一旦其发生断裂与动

叶发生碰撞，则会对整个机组的安全运行带来严重的威胁。据美国电力研究协会（EPRI）统计报道，由于汽轮机叶片失效而导致的全美电厂停机所造成的直接经济损失大约在15.5～18.4亿美元[1]。我国对100～200 MW汽轮发电机组的33次叶片事故情况的统计分析结果表明，平均每次叶片事故所造成的直接经济损失达1000万元人民币[2]。因此，找出本次叶片断裂的原因，制订合理的焊接修复方案并有效实施，对提高叶片的寿命，有着重大的现实意义和指导意义。

2静叶片失效的原因分析

静叶是汽轮机的关键零件，对汽轮机的安全运行至关重要，导致汽轮机静叶失效可能有如下因素：

2.1材质的原因

秦山核电站调门端1级下隔板静叶属于锻件，锻造过程中如钢中的含氢量较高，易产生白点、微裂纹等制造缺陷，这些缺陷在运行过程中就可能成为叶片裂纹的发源地。

2.2停机后维护不当及外来硬质异物击伤

机组检修维护过程中，由于偶然遗留的硬质异物等由蒸气携带进入汽轮机的通道，打伤静叶片。

2.3长期高温疲劳过载

静叶片材料工作状态较恶劣：在较高温度下工作同时又要承受蒸汽激振力、振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的作用等。在这种工况下，如果静叶片本身存在一定的缺陷或损伤，就极易发生缺陷的扩展。

现场观察该失效叶片裂纹宏观形貌，大致分辨出裂纹走向为由迎气面叶片根部起裂向叶片内、外边缘扩展，判断可能的原因为叶根部分由偶然遗留异物或外力击伤后在工作温度交变应力作用下，裂纹可能会扩展，因此需要采用焊接的方式进行修复。

3静叶片补焊修复的可行性分析

3.1静叶片材料及结构

静叶片材料为10705BA，美国西屋公司牌号，属12%型马氏体不锈钢，具有较高的室温强度、韧性及冷变形性能，其最终热处理后的金相组织为回火马氏体+微量δ铁素体，但δ铁素体的含量不得超过5%。

低压缸第一级静叶片气道为直通道，在与持环相配的顶部开有一条宽4 mm的30°斜口，用半圆塞紧条将隔板固定于持环上，而内径采用围带圆铆钉头铆接结构。

3.2母材焊接性分析[3]

3.2.1材料性能特点

该钢与ASME SA268 TP410材料及GB/T8732《汽轮机叶片用钢》中的1Cr12Mo钢等价，其主要化学成分及力学性能见表1和表2。

3.2.2焊接冷裂纹倾向

冷裂纹的主要影响因素为钢的成分（反映淬硬倾向）、扩散氢及拘束度。1Cr12Mo钢的碳当量在2.5%～2.7%，从成分的角度来看，其冷裂纹敏感性相当高；研究表明，氢脆对组织状态相当敏感，尤其对于1Cr12Mo这种高碳马氏体钢敏感度最大；结构拘束度较大时，该钢几乎具备了冷裂纹产生的全部必要因素，具有相当大的冷裂纹敏感性。

因此在该结构件的焊接中宜采取焊前预热、焊后后热，及低氢焊材以避免冷裂纹的产生。

3.2.3焊接热裂纹倾向

对于1Cr12Mo钢而言，焊接热裂纹主要与材料中的如S、P、C、Mn的元素含量及焊接工艺有关。

S、P等杂质元素引起的杂质偏析呈膜状分布于晶界，形成的低熔点共晶体（如FeS），扩大了凝固温度区间的范围，加大了焊接热裂纹的产生倾向。此外，C，Ni含量的增加也会促使S的偏析，从而增加了热裂倾向。研究表明，材料中适量的锰可以与S形成MnS，可以避免生成FeS，从而降低材料的热裂倾向。

焊接工艺方面，熔池过热、层间温度过高易促使热裂纹产生；此外，焊接速度过快，易增大热裂敏感区CSZ（Crack Susceptible Zone）的宽度，增大热裂纹倾向。

因此对于1Cr12Mo钢的焊接，既需要控制母材及焊材中杂质S、P的含量，又需要对C、Mn、Ni等合金元素进行优化配置，同时采用合理优化的焊接工艺以避免热裂纹的产生。

3.2.4焊接拘束及应力状态对焊接缺陷的影响

焊接拘束及应力状态对上述两种1Cr12Mo钢焊接中可能发生的裂纹形式都有很大影响。焊接拘束度大、刚度大则导致焊接残余应力状态较高，易导致冷裂纹的发生；焊接拘束度大还会增大焊接成形时的应变量及应变增长率，从而导致焊接热裂纹的产生。

因此，合理布置焊缝、合理安排施焊顺序，采用合适的工艺方法降低补焊区域的拘束应力，对1Cr12Mo钢结构补焊修复有重要作用。

3.3静叶片补焊焊接工艺的制定

从上述对母材的焊接性分析结果表明，1Cr12Mo钢焊接性较差，焊接时产生冷、热裂纹的敏感性较高，必须针对汽轮机静叶片的结构及消除缺陷后坡口的结构特点、静叶片材料化学成分及力学性能的特点，选择合理的焊接材料及焊接方法，制订合理的现场施焊工艺。

对于1Cr12Mo马氏体耐热钢的补焊，常用工艺有二种：

（1）选用同质焊接材料。即采用与叶片材料同质的1Cr12Mo钢焊接材料，为防止冷裂纹需预热到200～450℃，且补焊后需要进行高温回火热处理，回火温度为680～720℃，该方法适用于较大厚度构件的焊接修复，其优点主要为同质材料的接头其结合性更好、补焊接头的理化性能较高。

（2）选用镍基或奥氏体焊接材料。即采用镍基合金焊材或奥氏体钢焊材作为焊接材料，该种焊接方法低温预热100～150℃即可，且焊后只进行200～400℃后热或包扎缓冷即可，对于堆敷量较小的堆焊，可采用这种方法进行焊接。

（3）三种叶片补焊推荐焊接材料的预热和热处理规范如表3所示。

3.4静叶片补焊工艺的最终确定

3.4.1焊接材料及焊接方法的确定

综合考虑静叶片的结构因素及现场的施工条件：虽然采用同质材料的接头强度较高，但其技术要求亦较高，即在现场为了避免冷裂纹需要高温预热，为了使焊缝区域淬硬的马氏体转变为高韧性的回火马氏体，焊后需先使结构整体冷至120℃以下保温一段时间完成马氏体转变，再进行（700±20）℃，保温0.5 h的焊接热处理，这对人员及设备都有着较高要求，以现场的氧乙炔火焰加热方式，实现这样的热处理工艺难度相当大，且难以控制，因此可控性不好，且因静叶片补焊量较小（裂纹挖补后其坡口最深处仅7 mm），因此该方法未被采纳。

反之，采用镍基、奥氏体焊接材料针对补焊量较小的焊接结构非常有效，且其对预热及热处理的要求都不高，因此该方法被确定为最终的补焊方法。因镍基合金焊缝中的Ni含量较高，会促使S偏析，从而形成低熔点共晶物Ni+NiS，其熔点仅为650℃，从而增大热裂倾向[3]，奥氏体钢焊材虽然也有一定的热裂纹倾向，但其低于镍基材料，且从元素含量上看，其与1Cr12Mo钢亦更为接近，因此选用奥氏体钢焊接材料E309-15（SH A302），2.5mm，作为施焊材料。关于三种不同焊接材料形成接头难度的具体比较详见表4。

在焊接方法的选择上，静叶片补焊主要有两种：即焊条电弧焊（SMAW）和钨极惰性气体保护焊（GTAW）。因叶片处的位置较为复杂，且结合修复实施单位的工艺评定，现场采用焊条电弧焊作为补焊修复的焊接方法。

3.4.2焊接工艺参数的确定

最终确认选择采用奥氏体钢焊材作为焊接材料，该种焊接方法低温预热至150℃，且焊后只进行250℃后热、包扎缓冷。施焊的具体焊接工艺参数见表5。

4.1母材确认及焊材复验

母材由厂家确认为10705BA（1Cr12Mo），且提供了相关材质证明资料。

对焊材进行了质量复检，按照AWS A5.4《手工电弧焊用不锈钢焊条标准》堆焊试块，采用美国Nition XL2型合金分析仪进行了化学成分分析，半定量确认各元素质量百分含量为Mo 0.12%，Nb 0.04%，Ni 12.05%，Fe62.80%，Mn 1.80%，Cr22.51%，因此确认该材质为E309-15。

4.2缺陷清除及坡口制备

（1）清除缺陷选用机械方式，采用气动打磨刀具进行清理；

（2）裂纹清除后进行复验，边打磨边确认，直至确认缺陷已彻底清除。

（3）在多次打磨及PT探伤之后，最终挖除深度为7 mm。

（4）坡口制备以减少焊接填充金属量，降低焊接应力和变形，避免产生焊接缺陷，便于焊接操作为原则，坡口为圆滑过渡，最终尺寸为30 mm×10 mm×7 mm

（5）坡口处15～20 mm范围内用不锈钢钢丝刷等工具打磨出金属光泽，去除水、铁锈、油污等污物，并用丙酮擦洗清理干净。

（6）打磨时，用特制胶布保护好该叶片其他位置及周边叶片，防止碰伤。

4.3焊前预热

焊前预热采用氧乙炔火焰加热方法。焰心距叶片表面大于10 mm，并尽可能使叶片不同部位温度保持均匀，预热范围为坡口两侧各50～80mm ，低温预热到180 ℃后包扎保温棉缓慢冷却至150℃，过程中采用红外测温仪确认温度。

4.3.1层间温度

焊接修复过程中，层间温度不得低于预热温度下限且不高于制订工艺的最高层间温度，即控制在150～200 ℃：当低于预热温度下限时停止施焊，重新加热到要求的层间温度后继续施焊；层间温度的上限超过200℃时，待焊道温度冷却至200 ℃以下时再进行焊接操作。

4.3.2焊接修复操作

（1） 焊前应认真用丙酮清除叶片坡口及其周围的油污、水、锈及灰尘等杂质；

（2） 焊接材料选用直径25 mm焊条，采用SMAW焊接方法，采用小热输入量多层多道焊接，焊层厚度应不大于焊接材料直径，焊道宽度不超过焊接材料直径的3倍；焊接时焊条摆动幅度要小，焊道两侧停留稍长时间，以利气孔和焊渣的浮出，收弧时注意填充满弧坑，以免产生弧坑裂纹；

（3） 焊道呈凸起状，防止热裂纹的产生；

（4） 补焊修复过程每一焊道完毕后，及时检查焊层（道）表面，清理可能出现的裂纹、气孔、咬边、凹陷等缺陷，采用专用工具对焊道进行清理后方可进行下一道焊层的施焊；

4.5补焊焊缝的修磨、成形

补焊及焊后热处理完成后，采用气动打磨刀具，对补焊静叶焊缝整体进行修磨，一是打磨掉可能存在的焊接缺陷，二是使之圆滑过渡，避免应力集中，三是使叶片恢复焊前的形状，保持结构原貌。

5焊后无损检验

叶片补焊并焊后热处理、冷却、修磨后12 h，对该补焊叶片进行了渗透检验，检验结果如下：对04厂房1#低压缸调端下1级第18片静叶片补焊处进行100%液体渗透检测，未发现记录性缺陷显示。依据执行程序，评定为合格。

6结论及意义

（1）对秦山核电站320MW汽轮机静叶裂纹进行原因分析，分析结果表明，裂纹产生在叶片的根部，由于高温应力集中等原因向两侧扩展，因此需要对叶片进行焊接修复。

（2）现场成功实施了包括裂纹挖除、预热、补焊、焊后热处理、焊后修磨等焊接操作。无损检验结果表明采用此种焊接修复工艺方法是可行的。

（3）静叶片材料为10705BA（1Cr12Mo），该类马氏体不锈钢不仅用于静叶材料、也大量用于汽轮机动叶及汽机的其它结构部件中，借鉴马氏体不锈钢局部裂纹缺陷的修复方案具有一定的现实意义。

参考文献

[1]吴宇坤，周敬恩. 汽轮机叶片常见失效方式及现状研究. 汽轮机技术， 1995， 37（6）： 362-367.

[2]祝晓燕，王彦惠. 汽轮机叶片疲劳寿命与故障诊断研究的发展及现状，电力科学与工程，2000（2）：11-14

[3]陈伯蠡. 焊接工程缺欠分析与对策（第2版）. 北京： 机械工业出版社， 2006： 58-121.