Гофман Ю. М., Уральцев Л. Я.
Большая часть котлотурбинного оборудования АО Свердловэнерго уже выработала свой парковый ресурс, поэтому постоянно возрастает потребность в различных способах восстановления работоспособности металла.
Наиболее экономически целесообразными являются способы восстановления элементов оборудования сваркой без последующей термической обработки.
В Свердловэнерго применяются три основных варианта сварки без последующей термообработки:
- Сварка “нахолодно” высоколегированными электродами на никелевой основе.
- Метод заварки с подогревом и “термоотдыхом”.
- Сварка (наплавка) электродами, соответствующими марке основного металла, с применением мягкой прослойки, выполняемой малоуглеродистыми электродами.
Сварка “нахолодно”
Первый вариант при ремонте корпусных деталей применяем наиболее часто. Сварка электродами на никелевой основе выполняется в соответствии с РД 108.021.112-88.
За более чем 30-летнюю практику применения этого метода сварки выполнено порядка 100 различных заварок на литых корпусных деталях паровых турбин и более 200 - на корпусных пароводяной арматуры. “Холодная” ремонтная заварка электродами на никелевой основе является экономичным и достаточно надежным методом восстановления работоспособности металла котлотурбинного оборудования.
Повторных ремонтов мест заварок практически не было за исключением описанного далее случая.
На крышке ЦВД турбины ПР-25-90/10/10,9 станционный № 2 Качканарской ТЭЦ в 1971 г. после 10 тыс. ч наработки в радиусном переходе была обнаружена трещина. Материал крышки 20ХМФЛ, параметры свежего пара Р — 90 кгс/см2,
535°С. После удаления дефектного металла размеры выборки составили 300 х 70 х 48 мм. Выборка была заварена “нахолодно” электродами марки ЦТ-28 - лужение в два слоя и заполнение оставшейся части выборки электродами марки ЭА-395/9. Во время капитального ремонта 1983 г. (наработка турбины составила 92 тыс.ч) в зоне сплавления ремонтной заварки с основным металлом обнаружена трещина. После удаления дефектного металла и предыдущей наплавки размеры выборки составили уже 400 х 100 х 70 мм. Эта выборка также была заварена по описанной технологии.
Во время капитального ремонта 1987 г. (наработка турбины составила 116 316ч) вновь в зоне сплавления ремонтной заварки с основным металлом обнаружена трещина. Тогда из района повреждения была сделана вырезка металла для исследований. Результаты исследований и испытаний образцов показали, что хотя механические свойства металла находятся в пределах нормы, но имеет место высокое значение отношения предела текучести к пределу прочности σт/σв = 0,89, свидетельствующее о низкой деформационной способности металла. Кроме того, при определении трещиностойкости металла по методике ВТИ выяснилось, что критическое раскрытие составляет всего 0,08 мм при норме для стали 20ХМФЛ не менее 0,25 мм. Все это говорило о низком сопротивлении основного металла развитию трещины.
На основании этого, после удаления дефектного металла и аустенитной наплавки (размеры выборки составили 600 х 180 х 100 мм) было принято решение отремонтировать крышку методом заварки с “термоотдыхом”.
Метод заварки с подогревом и “термоотдыхом”
По второму варианту восстанавливают крупные детали (крышки турбины, барабан котла), которые очень сложно подвергнуть термической обработке после сварки.
Послесварочные напряжения в сварном соединении, которые в процессе эксплуатации могут вызвать появление дефектов, в данном варианте удается уменьшить за счет ряда технологических мероприятий.
Первым технологическим мероприятием является выполнение предварительного и сопутствующего подогревов до температуры от 150 до 350°С в зависимости от марки стали свариваемого изделия. При этом необходимо четко определить места размещения термоэлектрических преобразователей для измерения температуры. Оптимальным является зачеканивание: двух термоэлектрических преобразователей на основном металле детали (“термопар”) на расстоянии не более 50 мм от кромки выборки дефектного металла, размещенных в диаметрально противоположных сторонах под утлом 45° к продольной оси выборки на поверхности со стороны выборки (наружная поверхность), и трех “термопар” на противоположной поверхности, при этом две “термопары” должны располагаться примерно под “термопарами” на наружной, а третья - под центром выборки. Если невозможно разместить “термопары” под выборкой на “внутренней” поверхности детали, то число “термопар” на наружной поверхности удваивается (добавляются две термопары соответственно с противоположных сторон от продольной оси выборки). В обоих случаях контроль температуры подогрева регистрируется автоматически с помощью соответствующих приборов (чаще всего, многопозиционного самопишущего потенциометра типа КСП-4).
Вторым технологическим мероприятием, уменьшающим послесварочные напряжения, является выполнение нешироких валиков (ширина валика не более трех диаметров применяемого электрода) определенной длины, причем каждый рядом расположенный валик должен перекрывать предыдущий на 40 - 50% ширины валика. Этим достигается, так называемый, отпускающий эффект - для зоны термического влияния предыдущего валика. Такими валиками в один слой покрывается вся поверхность выборки и прилегающие к ней зоны шириной 10-15 мм. Затем этот слой механическим способом зачищается до чистоты 80 всей наплавленной поверхности и проверяется визуальным осмотром и магнитно-порошковым методом на отсутствие недопустимых дефектов (трещин, несплавлений, зашлаковок, пор и др.).
Затем точно в такой же последовательности выполняется второй слой. Этим вторым слоем наплавленного металла за счет “отпускающего эффекта” улучшается состояние зоны термического влияния по всей поверхности сплавления основного металла с наплавленным.
В дальнейшем заварка выборки осуществляется как сварка обычного стыкового соединения многослойным швом. После заварки всей выборки выполняется третье технологическое мероприятие - термоотпуск.
Разогревшемуся в процессе заварки выборки основному и наплавленному металлу дают остыть на спокойном воздухе до температуры предварительного подогрева (но не ниже 200°С), а затем во всей зоне сварочных работ (границы выборки + прилегающие зоны шириной не менее 100 мм) поддерживают эту температуру в течение 1 - 3 ч путем нагрева газопламенными горелками.
Время выдержки определяется объемом наплавленного металла и максимальной толщиной изделия в зоне сварочных работ.
После выдержки осуществляется замедленное охлаждение под термоизоляционным материалом (например, асбестовое полотно слоем не менее 15 мм) до окружающей температуры. В зоне сварочных работ проводятся мероприятия по предотвращению сквозняков.
Восстановленные по такой технологии: крышка ЦВД турбины ПР-25-90/10/0,9 на Качканарской ТЭЦ на настоящее время отработала после ремонта 73,5 тыс. ч, дефектов в месте заварки не обнаружено; задний верхний барабан котла системы КТО (ЛМЗ) ст. № 6 Среднеуральской ГРЭС после ремонта на настоящее время отработал 7200 ч, дефектов не обнаружено; барабан котла типа БКЗ-80-13, ст. № 1 Качканарской ТЭЦ после ремонта на настоящее время отработал 10 тыс. ч, дефектов не обнаружено.
Сварка электродами, соответствующими марке основного металла, с применением мягкой прослойки
По третьему варианту в основном восстанавливали коллекторы из теплоустойчивых сталей 12Х1МФ или 15Х1М1Ф, которые при общепринятой технологии сварки требуют термообработки - высокого отпуска. Необходимость ремонта коллекторов возникала из-за износа тела коллектора пароводяной струей при повреждении места приварки трубы к коллектору. Место износа облицовывается в два слоя малоуглеродистыми электродами типа УОНИ 13/45 с последующим заполнением выборки электродами, применяемыми для сварки теплоустойчивых сталей.
Мягкая прослойка является высокопластичным локализатором, обладает высокой деформационной способностью, способствует поглощению энергии деформации и торможению развития трещин. При этом жаропрочные свойства существенно не изменяются, так как при наложении первого слоя происходит некоторое его легирование за счет расплавления кромки легированного тела коллектора, а во втором слое некоторое легирование происходит при расплавлении кромки мягкой прослойки легированным электродом.
Отремонтированные по изложенной технологии коллекторы отработали свыше 100 тыс. ч и показали надежность предложенного метода.
