大口径调节阀阀瓣密封面焊接修复工艺研究
介绍了超临界火电机组锅炉配套进口大口径调节阀阀瓣用F91及钴铬合金化学成分及基本性能。分析了F91阀瓣堆焊钴铬钨合金的焊接修复工艺过程。给出了焊接工艺技术规范、质量控制方法和检测使用结果。
1、概述
随着火力电站建设的发展，火电机组参数不断的改进，所采用的钢材种类也越来越多。火电机组配套阀门主要零件的材质也较广泛地选用蠕变强度和抗氧化性能较好的马氏体耐热钢(如T/F91)。
目前，国内阀门制造企业对阀门零件基体F91材质堆焊钴铬钨合金的焊接工艺尚不成熟，产品经常出现密封面裂纹和熔合线裂纹等问题，所以，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)调研后发现此类阀门一般采用进口阀门。
2、特性分析
2.1、F91化学成分及基本性能
F91钢为Cr9Mo1V钢，属于马氏体型耐热钢。钢中铬元素使钢具有高强度，同时能提高钢的抗氧化性、抗腐蚀性。钼元素主要是提高钢的强度，抑制铬钢的热脆性。钒能提高钢的低温、中温强度以及热强性，增加钢在高温下的组织稳定性，改善低碳合金钢的焊接性能(表1、表2)。在使用中，F91钢具有较大的淬硬和冷裂倾向，焊接时可能产生冷裂纹和热裂纹。
表1 ASTMA182F91的化学成分
表2 ASTMA182F91的力学性能
2.2、钴铬合金化学成分及基本性能
钴铬合金(Stellite合金)以Co为基本成分，加入Cr、W、C等元素，主要成分为0.7%～3.0%C，25%～33%Cr，3%～25%W，其余为Co。钴基堆焊层的基体组织是奥氏体+共晶组织。这类堆焊合金具有良好的耐各类磨损的性能，特别是在高温耐磨条件下的各类磨损。但这类合金容易形成冷裂纹或结晶裂纹，合金堆焊层抗裂性差，因而焊接工艺十分复杂。
由于焊件的结构形式为深孔加平面，所以焊接方法选用手工电弧焊。焊材的化学成分和机械性能如表3。
表3 熔敷金属化学成分(Wt%)和焊层硬度值
3、修复过程
在F91阀瓣上堆焊钴铬钨合金主要问题是沿熔合线横向环形裂纹和密封面纵向裂纹。两种材料的焊接性都差，焊接特性有很大差异，加之口径大壁厚，所以两者结合焊时选择合适焊接工艺非常重要。
3.1、阀瓣结构图及焊前堆焊槽
600MW超临界机组进口大口径调节阀，其阀瓣材质为F91，在阀瓣密封面处需要堆焊钴铬钨合金。图1为阀瓣的结构(要求堆焊层厚度≥2mm，洛氏硬度HRC值≥38)。此结构施焊时焊接应力相对较大，同时施焊部位有2处，且一处为深孔施焊。分析基体和焊材的特性，为提高焊缝的抗裂性，设计如图2的焊接形式。
图1 阀瓣结构
3.2、焊接操作
焊机采用ZX7-500逆变式直流手弧焊机，反极性接法。焊前Stellite6焊条250℃烘焙1h，烘干的焊条放在150℃保温箱内，随用随取。考虑施焊部位有2处，避免施焊时基体降温过快，使焊接部位与基体温差较大，所以对焊件整体炉内预热到650℃。先焊内孔焊缝，后焊外圆焊缝，电流140～160A，单道焊缝，施焊4层。第1层电流选择偏小值，为140A，降低稀释率，其他3层电流160A。快速焊，保持不摆动，层间接头尽量错开。焊后立即置于650℃炉里均温1h后随炉缓冷，室温出炉。
图2 阀瓣(堆焊前)
3.3、检测试验
本次共施焊2件。经加工后PT+UT检测，按JB/T4730-2005的Ⅰ级标准评定〔2〕，密封面、熔合线及热影响区均无缺陷。密封面硬度HRC检查值为38～40。整体装配后按JB/T3595-2002规定设计压力的1.5倍水压试验合格〔3〕。
4、结语
采用本文焊接方法、焊接结构形式及焊接工艺制造的阀瓣，质量优良，符合设计要求。解决了马氏体耐热钢采用手工电弧焊堆焊钴铬钨合金时密封面和熔合线部位产生裂纹的问题，对阀门行业发电站用阀的国产化的焊接工艺制造提供了保证和借鉴。
