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你知道核电汽轮机低压转子叶片上容易出现哪些缺陷吗？
汽轮机叶片 图片来源：网络
高速旋转的汽轮机低压转子叶片是核电汽轮机组的重要部件之一，不同堆型和功率参数的核电汽轮机低压转子叶片的结构形式、规格参数和制造工艺都不尽相同。
汽机叶片的主要制造工艺流程为：下料&锻造&退火&机加工&热处理（淬火+高温回火）&精加工。
叶片常见缺陷可分为设计与制造缺陷、运行中产生的缺陷两大类。
设计与制造缺陷
(1)设计缺陷
汽轮机叶片设计涉及流体力学、振动、材料科学等多门学科，国内叶片设计和制造单位在引进和消化国外参考叶片时除了保持结构参数和力学性能一致外，还应特别关注共振、热处理工艺等细节，必要时应严格和细化设计方案审查。
例如，末级叶片模态分析时不仅要对比静态频率是否处于正常值范围，还要避开汽轮机转子整体的各阶谐振频率以防止出现共振；末级叶片顶部镶焊司太立合金片的退刀槽应圆滑过渡，
如下图所示，直角退刀槽极易导致应力集中而成为裂纹起裂区。
图1 直角退刀槽易造成应力集中（退刀槽为直角过渡）
(2)材质与组织缺陷
核电汽轮机叶片材料主要是2Cr13和0Cr17Ni4Cu4Nb等，后者是在Cr17基础上加入Cu、Nb等强化元素，并在400～650℃析出时效硬化相&&Cu、NbC、M23C6等碳化物而产生沉淀硬化，耐蚀性较Cr13型马氏体钢好。
叶片材料中的杂质及不良组织，如&铁素体、块状碳化物、夹杂物等缺陷，对叶片的力学性能、疲劳寿命和耐腐蚀性能影响巨大，必须加以严格控制。如果叶片材料存在原始缺陷，投运后易产生疲劳裂纹源而引起脆断。
(3)机加工与装配缺陷
汽轮机叶片加工精度低不仅会导致应力集中还会影响动平衡性能。如叶根销钉和销钉孔部位若加工粗糙，将导致此处应力集中，极易导致叶根销钉孔处断裂。装配质量直接关系到转子的动平衡性能，若装配不佳可导致围带紧配接触面积小，减少了围带的机械阻尼，导致叶片共振时的动应力水平进一步增大。
(4)司太立合金钎焊缺陷
末三级叶片顶部司太立合金片银钎焊是核电汽轮机新叶片制造阶段仅有的焊接工艺过程。
银钎料或司太立合金片的化学成分偏差，钎焊时的焊前预热、焊接温度、加热时间、冷却速度和焊后热处理方式等控制不当均可能导致钎焊接头出现疏松小孔、结合不良等缺陷。
运行期间产生的缺陷
作为弹性体的叶片具有无限阶次的自振频率，当受到周期性外力作用时，就会按激振频率而受迫振动起来，如何避免共振是汽轮机设计、装配需要重点考虑的。
因设计不当或装配不佳，当叶片-叶轮系统振动频率落入一定范围时，可能产生共振，振动传入叶根导致薄弱部位疲劳损坏。因此需要定期对叶片进行振动频率测定，避免出现&三重点&共振。
受蒸汽品质限制，核电汽轮机末三级叶片工作在易析出水滴的低压区，在蒸汽作用力、激振力及水滴冲刷的共同作用下，叶片顶部进汽边和根部出汽边极易遭到水蚀，表面呈蜂窝状、边缘为锯齿形, 严重时出现缺口, 破坏叶片型线。
叶片水蚀后不仅降低了汽轮机的热效率, 而且极易在水蚀区域造成应力集中萌生裂纹, 如不及时加以修复与防护, 叶片水蚀损伤扩展可能会导致叶片的断裂失效。
某叶片根部典型水蚀形貌如下图所示，除了主动采用去湿设计外，还可通过表面强化或镶焊司太立合金来提高叶片的抗水蚀性能。
图2汽轮机末级叶片根部水蚀形貌
叶片点蚀是指金属表面局部出现腐蚀小孔并向纵深处发展的一种点状溃蚀。点蚀不仅发生在动叶片的背弧进汽侧, 而且也出现在不受蒸汽直接冲击的叶片内弧、叶根、围带等处。
主要产生原因是：表面状态不佳、局部硬伤、表面钝化膜破裂、微区化学成分的差异、残余应力较高等。点蚀会严重损伤叶片的抗疲劳性能, 甚至导致运行中的叶片断裂。
(4)疲劳断裂
在高速旋转产生的周期性疲劳载荷作用下，叶片中存在的应力集中、微裂纹、不连续等缺陷极易扩展直至完全断裂，断口往往出现在应力较大的叶根部位。
在交变载荷作用下，叶片中的交变应力在远小于材料强度极限的情况下就可能发生疲劳破坏，宏观上表现为无明显塑性变形的突然断裂，其危险性和破坏性远超静力破坏，应予重点关注。
节选自《无损检测》2015年第9期
本文作者：尹峰，中核核电运行管理有限公司高级工程师，硕士，主要从事核电厂调试运行等工作。
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司太立合金牌号、硬度、化学成分及用途
司太立合金（Stellite）是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金。即通常所说的钴铬钨（钼）合金或钴基合金，司太立合金由美国人Elwood Hayness 于1907年发明。按使用用途分类，司太立合金可以分为司太立耐磨损合金，司太立耐高温合金及司太立耐磨损和水溶液腐蚀合金。当前位置：
司太立合金焊接技术中心
企业认领&&企业编号 3820312
主营产品或服务
专业生产硬面喷焊 , 焊接 , 各类阀门密封圈球轴等
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公司详细名片
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& 相关商机信息碳层或淬硬层清理干净，必要时采用硬度测试等方法确；c)当叶片背面有司太立合金片或防水蚀的其他合金层；d)裂纹清除后应进行磁粉或渗透检测方法复验，以确；1）缺陷清除方式：优先级-----机械方式---；2）清理后的检查：缺陷清除干净是补焊修复成功的前；4.8.2坡口制备；a)坡口制备应以减少焊接填充金属量，降低焊接应力；b)贯穿性缺陷宜采用X型坡口，单侧坡口角
碳层或淬硬层清理干净，必要时采用硬度测试等方法确认；
c) 当叶片背面有司太立合金片或防水蚀的其他合金层时，应先将裂纹处的合金片或合金层清除干净，再清除叶片本身裂纹；
d) 裂纹清除后应进行磁粉或渗透检测方法复验，以确认缺陷已彻底清除。 条文释义：
1）缺陷清除方式：优先级-----机械方式------热切割
2）清理后的检查：缺陷清除干净是补焊修复成功的前提，在目视打磨区缺陷去掉后，应辅以磁粉或渗透检测方法复验，以确认缺陷已彻底清除。
a) 坡口制备应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；
b) 贯穿性缺陷宜采用X型坡口，单侧坡口角度一般为25°～30°，钝边不大于1mm，间隙控制在0.5L～2.5L范围；局部性缺陷宜采用U型坡口，单侧坡口角度一般为10°～15°；
c) 坡口两侧15mm~20mm范围内用不锈钢钢丝刷等工具打磨至金属光泽，去除水、铁锈、油污等污物，并用酒精或丙酮擦洗清理干净。
条文释义：
该条a)项要求在叶片补焊时，坡口制备的原则是减少焊接填充金属量，降低补焊区变形和焊接残余应力，提高焊接质量，b) c)项坡口角度及加工坡口后的清理擦拭均为达到以上技术要求。
焊接修复工艺
焊前预热及层间温度
焊前预热可采用电加热或火焰加热方法。
热焊法预热温度250℃~450℃，冷焊法可不预热或低温预热100℃~150℃。
a) 电加热升温速度控制在65℃/h ~150℃/h范围内；
b) 火焰加热应采用氧乙炔中性焰，焰心距叶片表面大于10mm，并尽可能使叶片不同部位温度保持均匀；
c) 预热范围宜为坡口两侧各50 mm ~80mm。
a) 焊接修复过程中，层间温度不得低于预热温度下限，当低于预热温度下限时应立即停止施焊，重新加热到要求的层间温度后方可再施焊；层间温度的上限应不超过预热温度上限温度加50℃；
b)冷焊不预热时，异质焊接材料焊接修复的层间温度不应高于150℃。
采用热电偶进行控温，热电偶与叶片母材金属的控温点可靠接触，并与加热片隔离；氧乙炔火焰加热及电加热的同时，均可采用远红外、接触式测温仪等监测叶片温度。
条文释义：
电加热：由于叶片形状特殊，需定制特殊形状的加热器。优点是加热均匀，可控性好。
火焰加热：现场常用加热方式，氧乙炔中性焰，操作性强，但需辅助测温装置严格测温以保障加热区的温度梯度均衡。
焊接修复操作
焊接修复工艺要点
焊条电弧焊、钨极惰性气体保护焊焊接修复叶片等相关零件的各种缺陷，焊接材料宜选用直径不大于Ф2.5mm的焊丝（焊条），采用小热输入量多层多道焊接。
背面充氩保护
焊接修复时采用辅助装置或工具在坡口背面进行充分的充氩气保护。
定位焊与正式焊接修复工艺参数一致，定位焊焊缝长度为5mm~10mm并对起弧及收弧部位打磨处理。定位焊焊缝不允许存在裂纹、气孔、未熔合、未焊透等缺陷，否则应铲除重新定位焊。
焊接操作技术
a) 焊接位置宜使叶片处于水平位置施焊；
b) 单个叶片多处裂纹局部补焊应逐个进行，焊接顺序应避免局部过热； c) 采用多层多道焊，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；
d) 钨极惰性气体保护焊时，应使用具有脉冲和衰减熄弧功能的焊接设备。引弧起焊前，应提前送氩气保护；熄弧后，延迟关闭氩气保护。焊接完毕后，及时卸掉焊接夹具；
e) 补焊修复过程应及时检查焊层（道）表面，若出现裂纹、气孔、咬边、凹陷等缺陷，应完全清除缺陷重新进行补焊修复处理。
锤击消除应力
每补焊修复完一段30 mm~60 mm长的焊层（道），可采用球形不锈钢制榔头在焊缝金属处于热态时快速锤击消除应力，锤击时应先锤击焊道中部，后锤击焊道两侧，锤痕应紧凑整齐，避免重复。第一层焊缝不宜锤击。
条文释义：
1）修复要点：工艺方面取焊评或工艺试验的最小直径焊材为宜，现场采用的线能量参数，应选取WPS规定的电流、电压及焊接速度的下限值。采用多层多道焊，焊层厚度应不大于焊接材料直径。
2）背面冲氩：焊接修复时采用辅助装置或工具在坡口背面进行充分的充氩气保护。可以采用皮管、网罩等后拖氩气保护接头，防止焊缝金属氧化和烧焦。
3）焊接设备：推荐使用具有脉冲和衰减熄弧功能的焊接设备，已达到对引弧及熄弧区焊接质量的提高。在不具备该类焊接设备时，可以采用电流手工调节的方式进行。
4）消应力锤击：焊缝金属处于热态时快速锤击消除应力，适用于焊条电弧焊可能存在较大拘束、焊缝金属厚度大的补焊区域。
后热及焊后热处理
补焊修复完成后，应及时将叶片补焊区用保温材料包覆缓冷，待焊缝温度冷却至100℃以下时立即进行焊后热处理；应做热处理的若不能及时焊后热处理，
可采用电加热或火焰加热法对补焊接头进行后热。并满足以下要求：
a）后热的保温温度为350℃~450℃，恒温时间为5min ~10min，加热范围为补焊接头两侧80mm~100mm；
b）选用电加热方法加热时，布置加热器前应将焊件表面的焊瘤、焊渣、飞溅清理干净，使加热器与焊件表面紧密贴合，必要时，应制作专用的夹具；
c）温度检测可采用接触式表面温度仪或非接触式红外温度仪，也可采用热电偶监测。
条文释义：
后热处理的前提：应做热处理的若不能及时焊后热处理时、焊评或模拟焊接试验验证不需热处理时采用。推荐火焰加热及电加热两种方式，但两者均需严格监控后热处理温度及保温时间。温度检测优先推荐接触式热电偶测量方式，非接触式红外温度仪测量精度受叶片表面光洁度、亮度等因素影响较大。
焊后热处理
焊后热处理方法
a)加热方法宜选用电加热法，如柔性陶瓷电阻加热、远红外加热或感应加热； b)特殊情况下也可选用火焰加热。
焊后热处理的要求
a)采用同质焊接材料补焊修复的叶片应进行焊后热处理，采用冷焊工艺并使用镍基等奥氏体异质焊接材料补焊修复的叶片可免做焊后热处理；
b)焊后热处理加热范围为补焊区两侧50mm~80mm范围，保温宽度为从补焊修复区焊缝边缘算起，每侧应比加热器的安装宽度增加不少于100mm；
c)焊后热处理测温热电偶热端应紧贴焊缝中心，加热器不得直接接触热电偶。采用火焰加热时宜采用非接触式激光或远红外测温仪进行温度监测；
焊后热处理升降温速度宜控制在65℃~150℃/h范围内。降温时300℃以下可不控温，100℃以下可拆除加热器和保温装置；
d)焊后热处理保温温度选择应控制在叶片材料Ac1线以下30℃~50℃，同时不高于叶片原材料调质时的回火温度；
e)焊后热处理保温时间可按照叶片有效厚度电加热3 min/ mm～5min/ mm、火焰加热1 min/ mm计算，且不少于0.5h。
条文释义：
热处理的前提：对应于焊接方法选择------热焊------需要热处理----优先选用电加热热处理方式（热处理温度叶片材料Ac1线以下30℃~50℃，由于处理温度较高，火焰加热虽能达到该温度但较长时间的保温及均匀性很难保障）。
火焰加热热处理的特殊情况适用于补焊面积较小，叶片及附件较薄区域的修复情况。
焊接修复质量检验
外观目视检测
叶片热处理后打磨焊缝与母材平齐，用肉眼或5倍放大镜或借助反射镜等辅助方式进行外观检测，检测结果满足下列要求方为合格：
a) 补焊修复接头表面应无裂纹、未熔合、咬边、气孔等缺陷；
b) 叶片表面变形在以焊缝为中心点的200 mm长度内不大于0.5mm； c) 补焊修复接头表面粗糙度应达到原叶片质量表面要求且小于3.2μm； d) 外观检测不合格的补焊修复接头，不得进行其他无损检测。
条文释义：
外观检验可在焊缝打磨后进行，正背面焊缝质量通过目视及借助辅助设备进行间接观察，补焊区表面光洁度达到不低于原始叶片的技术要求。
磁粉或渗透检测
叶片补焊修复接头应按照JB/T9628或JB/T9218进行100%磁粉或渗透检测，合格标准见表1。
磁粉或渗透检测合格标准
缺陷的种类
（长宽比≥3）
（长宽比≤3）
缺陷的状态 任何形状 任何形状 单个缺陷 缺陷距离 每Ф6.4mm任意区域的 缺陷个数 范围及标准 A区 不允许 不允许 不允许 ≥3.2mm 不允许 1～2 ≤1.0mm 1)B区 2)
三亿文库包含各类专业文献、各类资格考试、中学教育、幼儿教育、小学教育、高等教育、专业论文、应用写作文书、外语学习资料、009-王淦刚--核电厂汽轮机叶片焊接修复技术规程73等内容。　
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