專利名稱：給洗輪機部件敷加抗蝕表面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及為汽輪機碳鋼部件提供抗蝕表面的方法，更具體地說，涉及在壓力容器部件上敷以冶金接合的抗蝕合金而不致引起不可接受的變形的協(xié)同焊接變量。
如在核電站中所用的，汽輪機的某些部分采用由ASME P-1號碳鋼制成的壓力容器部件。這種材料不很抗蝕，但滿足選定的其它技術(shù)要求。在汽輪機運行時，穿過汽輪機的汽流通路常常出現(xiàn)諸如高速湍流狀態(tài)之類的不可預(yù)見的熱力-水流特性。而這會造成對這些碳鋼部件的侵蝕一腐蝕影響。長期的這種侵蝕-腐蝕作用會降低壓力容器部件的壁厚并形成粗糙表面。粗糙表面反過來會加劇侵蝕-腐蝕作用的影響并進(jìn)一步增大汽流通路內(nèi)的湍流。
為了把汽輪機中的侵蝕-腐蝕損壞減至最小，有必要加上對侵蝕一腐蝕過程有抗性的表面。由于粉未冶金方法制成的表面只是機械接合的并且會造成被腐蝕和被剝離的碎片落入汽輪機中，最好用冶金接合的保護(hù)合金。
典型情況下，敷加冶金接合表面靠的是采用各種焊料的常規(guī)電弧焊方法。但是，常規(guī)的焊接方法會在基體金屬內(nèi)導(dǎo)致收縮應(yīng)力。過多的熱輸入和溫度梯度，而這些常常會造成壓力容器部件不可接受的變形。這種變形使得無法形成所要求的對汽輪機運行而言是必要的金屬與金屬之間的蒸汽密封性能。因而，通常需要附加的打磨，切削和/或臨時的密封材料。
因此，需要有一種為汽輪機碳鋼部件加上抗蝕表面的方法。它應(yīng)基本上滿足所有選定的技術(shù)要求，而應(yīng)用時又不會造成基體金屬的明顯變形。還需要為壓力容器部件加上冶金接合的抗蝕表面，能夠經(jīng)受侵蝕一腐蝕作用的惡劣氣氛。再就是需要有一種敷面操作方法。能夠?qū)嵉貞?yīng)用而不用復(fù)雜的定位設(shè)備。
本發(fā)明提供了帶有抗蝕表面的汽輪機碳鋼部件和制作這些部件的方法。本發(fā)明的方法可制成有一可經(jīng)受壓力蒸汽的第一表面的汽輪機碳鋼部件。在該表面上焊有含有重量百分比至少為12%的鉻的鋼材的第一焊料。焊料以每分鐘大約24～52英寸、61-132厘米的高焊接速度焊在汽輪機部件表面，標(biāo)稱第一焊道厚度小于大約0.1英寸、0.25厘米。
為此，本發(fā)明提出了一種協(xié)同焊接變量和合金的新組合，能夠制成所需的冶金接合的抗蝕表面，而不會有顯著的基體金屬變形。此處介紹的焊接工藝包括半自動管狀焊絲電弧焊工藝(FCAW)，也被ASME稱作氣體保護(hù)金屬電極電弧焊(GMAW)，這使之可以焊接很長的連續(xù)焊縫，由于減少了有關(guān)的焊接加熱循環(huán)次數(shù)也就減小了變形。本發(fā)明特別選用了為快速焊接而設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)管狀焊絲來達(dá)到較高的移動速度以減小熱量輸入。尤其是采用一種奧氏體面心立方結(jié)構(gòu)的高鉻焊絲，可形成具有高抗蝕性和足夠的抗屈強度的很有延展性的焊蠶或焊料。
本發(fā)明更具體的內(nèi)容包括采用高速向下立式焊位來獲得可隨基體金屬本身變形的較薄而牢固的焊蠶形狀。因而可使蒸汽機外殼變形減至最小。
因而，本發(fā)明的一個目的就是提供一種將抗蝕表面冶金接合到汽輪機碳鋼部件上而不引起顯著變形的方法。
本發(fā)明的另一個目的是制成可顯著免除缺陷并適應(yīng)底層碳鋼基體金屬膨脹和收縮的焊接的抗蝕表面。
考慮到這些和其它目的，隨著這里所進(jìn)行的說明本領(lǐng)域技術(shù)人員將明顯看出，本發(fā)明實質(zhì)上具有如下所述的和更具體地在如所附權(quán)利要求中限定的部件和方法的新結(jié)構(gòu)、組合、布局。
本發(fā)明可為汽輪機碳鋼部件加上抗蝕表面。這些部件有一可暴露于加壓蒸汽的表面。該表面焊有含成份的重量百分比至少為12%的鉻的鋼的焊料，它是以每分鐘大約24-52英寸、61-132厘米的速度沉積該表面上的，標(biāo)稱第一焊料厚度小于大約0.1英寸、0.25厘米。
本發(fā)明還包括一種將抗蝕表面焊在汽輪機碳鋼部件上的方法，其中的步驟有制成含有重量百分比小于大約0.35%的碳并且其上面有一第一表面的汽輪機碳鋼部件。用管狀焊絲電弧焊將奧式體不銹鋼在第一表面上焊成厚度小于大約0.1英寸、0.25厘米的第一焊料，這一管狀焊絲電弧步驟采用每分鐘大約48-52英寸，122-132厘米的焊接速度，用大約160-180安培的直流電，取向下立式焊位。
本發(fā)明還關(guān)系到一種汽輪機系統(tǒng)，其中包括基本上無變形的汽輪機碳鋼部件。它有一用以提供對加壓蒸汽的抗蝕性能的焊上的表面，該焊上的表面有一成份中有重量百分比至少約12%的鉻的不銹鋼，最好是奧式體不銹鋼如E309L型的小于大約0.15英寸、0.38厘米的雙層焊道焊料。
本發(fā)明可有效地應(yīng)用于為汽輪機部件敷加抗蝕表面，為延緩或阻止基體金屬的進(jìn)一步侵蝕而進(jìn)行的基本金屬的修復(fù)，以及給高壓容器加上涂層等等。此發(fā)明證明能用于各種形狀的結(jié)構(gòu)，包括平板焊道等。
在本發(fā)明優(yōu)選的多數(shù)焊接工藝中，在焊接之前汽輪機碳鋼部件經(jīng)過清洗。最好用砂盤磨光，拋光和其它金屬表面處理工藝來去除積垢、氧化物、銹斑和其它表面污跡。繼這些工藝之一后，最好用一種不含雜質(zhì)主要由汽油構(gòu)成的清洗劑(如用礦物酒精之后再用甲醇等)來擦拭表面。所有殘余的機油、油脂、油漆痕跡或其它膜層都應(yīng)用清潔、干燥、不掉毛的棉布擦掉。
本發(fā)明的焊接步驟最好用管狀焊絲電弧焊方法來完成。盡管其次還可采用氣體保護(hù)鎢電極電弧焊、氣體保護(hù)金屬電極電弧焊和等離子焊接工藝。管狀焊絲電弧焊工藝使得有可能焊出很長的連續(xù)焊縫，采用這種工藝可通過減少焊接加熱循環(huán)次數(shù)來減小變形。這種焊接方法的最理想目標(biāo)是在已經(jīng)經(jīng)受或?qū)⒁?jīng)受蒸汽侵蝕/腐蝕破壞的汽輪機碳鋼如含有重量百分比小于0.35的碳的P-1型碳鋼部件表面覆上抗蝕焊接金屬。
所介紹的方法采用專門研制的快速覆蓋的FCAW焊料，采用130-220安培的直流。最好是145-180安培24-28伏特的反接直流，這樣可減小焊接熱應(yīng)力和變形。減小變形的性能可依靠以高移動速度焊出的薄的焊縫。對單層焊道小于大約0.1英寸、0.25厘米、最好約為0.06英寸、0.15厘米，對雙層焊道小大約0.15英寸，0.38厘米，最好約為0.12英寸、0.30厘米。進(jìn)入基體金屬的熱輸入要低。并且只要有可能就向下立焊。當(dāng)取不同于向下立焊的位置焊接時，最好也要以高移動速度進(jìn)行焊接。在需要焊上大量合金的情況下，如葉片環(huán)坡口或管道連接。應(yīng)調(diào)整移動速度和焊絲直徑以采用多層焊道坡口焊方法。
參看下面的例子可對此發(fā)明有更深的了解，其中提供了每種焊接方法和接縫的焊接參數(shù)的大致最優(yōu)范圍。
例1垂直向下敷面接縫焊接結(jié)構(gòu)平板焊道襯底ASME P-1型基體金屬ASME P-1、SA515 GR.65、SA216 GR.WCB型焊接方法FCAW，窄焊道，單層厚度大約0.06英寸、0.15厘米，2層的多層焊道厚度0.12英寸、0.30厘米或更大，焊接移動速度大約48-52英寸，122-132厘米/分鐘，每個焊道覆蓋前一焊道大約30-50%。
位置垂直向下，焊槍向后，與移動方向相反，大約20°。
焊料AWS A 5.22類E309 LT-1型，直徑0.045英寸，0.11厘米。
保護(hù)氣體，75%氬/25%二氧化碳(±10%)，每小時35-45立方英尺，990-1273立方分米。
預(yù)熱60°F.15.6℃(最低)，135°F、57.2℃(最高，焊道處)電流+極性DCRP，電極為正。
安培數(shù)160-180伏特數(shù)24-28
例Ⅱ仰面位置敷面焊接結(jié)構(gòu)平板焊縫襯底ASME P-1型基體金屬ASME SA515 GR.65型、P-1型。
焊接方法FCAW，窄焊道，單層厚大約0.06英寸、0.15厘米，多層焊道厚大約0.12英寸、0.30厘米，如需要可更大，焊接移動速度大約25-35英寸、63.5-88.9厘米/分鐘，每個焊道覆蓋前一焊道大約30-50%。
位置仰面，焊槍向后，沿移動方向，大約20°。
焊絲AWS A 5.22類E309LT-1型，直徑0.045英寸、0.11厘米。
預(yù)熱60°F、15.6℃(最低)，300°F、148.9℃(最高，焊道處)電流+極性DCRP，電極為正安培數(shù)145～155伏特數(shù)26-28例Ⅲ水平位置敷面焊接結(jié)構(gòu)平板焊縫襯底ASME P-1型基體金屬ASME P-1型、SA515 GR、65型、SA216GR、WCB型。
焊接方法FCAW，窄焊道，單層厚大約0.06英寸、0.15厘米，2層的多層焊道厚大約0.12英寸、0.30厘米。如需要可更大，焊接移動速度大約25-35英寸、63.5-88.9厘米/分鐘，每個焊道覆蓋前一焊道大約30-50%。
位置水平。焊槍向后，沿移動方向，大約20°。
焊絲AWS A5.22類E309LT-1型，直徑0.045英寸、0.11厘米。
保護(hù)氣體75%氬/25%二氧化碳(±10%)，每小時35-45立方英尺，990-1273立方分米。
電流+極性DCRP，電極為正。
安培數(shù)145-155伏特數(shù)26-28例1V地面位置敷面焊接結(jié)構(gòu)平板焊縫襯底ASME P-1型基體金屬ASME P-1型、SA515 GR、65型、SA216GR，WCB型。
焊接方法FCAW，窄焊道，單層厚大約0.06英寸、0.15厘米，2層的多層焊道厚大約0.12英寸、0.30厘米。如需要可更大，焊接移動速度大約25-35英寸、63.5-88.9厘米/分鐘，每個焊道覆蓋前一焊道大約30-50%。
位置地面位置，焊槍向后，沿移動方向，大約20°。
焊絲AWS A5.22類E309LT-1型。直徑0.045英寸、0.11厘米。
保護(hù)氣體75%氬/25%二氧化碳(±10%)。每小時35-45立方英尺，990-1273立方分米。
電流+極性DCRP，電極為正。
安培數(shù)145-155伏特數(shù)26-28還建議采用間斷焊接方法來減小熱輸入并控制變形。一種優(yōu)選的方法是焊出相鄰的不多于2條的焊道，而后向左或向右移動大約6英寸、15.24厘米并再焊出不多于兩條的新的焊道，來回焊接直到完全遍及所需區(qū)域。
繼焊接之后，應(yīng)通過用去垢錘敲擊或其它機械方法去除焊渣和藥皮，而后用鋼絲刷清理去除氧化物、浮皮，銹斑和焊接煙跡。用于這一目的鋼絲刷最好有清潔而無污染的不銹鋼絲。
用上面介紹的方法焊上的抗蝕焊接金屬敷面不僅僅是可強化表面的也不僅僅是耐腐蝕的焊接貼面。據(jù)信它可以其更好的機械性能包括更高的抗蝕性來取代基體金屬。優(yōu)選合金E309L的技術(shù)性能，特性及相對抗蝕性能遠(yuǎn)超過碳鋼的，因而它是優(yōu)選合金。
從上面內(nèi)容可以看出。此發(fā)明提供了為汽輪機碳鋼部件加上抗蝕表面的新方法，可減小變形并避免機械加工或臨時密封處理。盡管各種實施例已得以描述，這是為了說明之用，并不限制此發(fā)明。對于熟悉本行業(yè)的人顯而易見的各種改動都在所附權(quán)利要求說明的此項發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種為其上有一第一表面的汽輪機碳鋼部件提供抗蝕表面的方法；其特征在于含有重量百分比至少為12的鉻的第一鋼質(zhì)焊料以每分鐘61-132厘米(24-52英寸)的焊接速度焊在所述第一表面上，所述焊料具有小于0.25厘米(0.1英寸)的標(biāo)稱第一焊道厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述焊接步驟包括管狀焊絲電弧焊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于所述管狀焊絲電弧焊步驟是用130-220安培直流電來進(jìn)行的。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于所述管狀焊絲電弧焊工藝使用145-180安培的反接直流電。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述方法，其特征在于所述管狀焊絲電弧焊步驟采用24-28伏特電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述方法，其特征在于所述管狀焊絲電弧焊步驟來用具有大約0.11厘米(0.045英寸)的外徑的電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其特征在于所述焊料具有大約0.15厘米(0.06英寸)的標(biāo)稱第一焊道厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于第二焊料置于所述第一焊料的一部分之上，達(dá)到大約0.30厘米(0.12英寸)的總厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述方法，其特征在于所述第二焊料焊在所述第一焊料表面積的大約30-50%上。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其特征在于沿與焊接移動方向相反的方向并從所述表面翹起大約20°地使用焊槍。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述方法，其特征在于焊上的一對焊道距第二對焊道大約15.2厘米(6英寸)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其特征在于所述鋼材由奧氏體不銹鋼制成。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其特征在于采用含有氬和二氧化碳的保護(hù)氣體。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于采用每分鐘122-132厘米(48-52英寸)的焊接速度、160-180安培，取向下立焊行進(jìn)方式。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于取仰面位置時采用每分鐘63.5-88.9厘米(25-30英寸)的焊接速度，145-155安培。
16.根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于取地面位置時采用每分鐘63.5-88.9厘米(25-30英寸)的焊接速度，145-155安培。
全文摘要
此發(fā)明提出為汽輪機碳鋼部件提供抗蝕表面的方法，這些方法包括以每分鐘24-52英寸的焊接速度將含有重量百分比至少為12的鉻的鋼質(zhì)焊料焊在汽輪機碳鋼部件上，標(biāo)稱第一焊道厚度小于大約0.1英寸。介紹了用于垂直向下、仰面、水平和地面敷面位置的優(yōu)選管狀焊絲電弧焊(FCAW)方法。
文檔編號F01D25/00GK1049701SQ9010671
公開日1991年3月6日 申請日期1990年8月6日 優(yōu)先權(quán)日1989年8月7日
發(fā)明者詹姆斯·C·杜米爾, 薩木爾·D·雷諾爾茲 申請人:西屋電氣公司