论文部分内容阅读
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。
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。