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摘 要：本文通过分析13-4类型不锈钢材质力学性能、硬度变化，化学成分等，经过大量实验研究，定义了此种材质转轮的最优修复焊材。
关键词：水轮发电机;转轮
一、背景
国内外水轮机发电机进过几十年的发展，机组性能有了飞跃的发展，随着发展，转轮的制造材料也经历了历史的变迁，由原16-5材质变为现在的13-4不锈钢材料，电站检修时需要根据缺陷性质及转轮材质选择不同的焊接材料，不当的焊材选用会造成加剧转轮损坏，降低使用寿命，进而影响影响安全运行及效率。
（一）转轮材质分类
转轮通常根据不同的使用水域、水质要求，选择使用马氏体不锈钢或双相不锈钢钢。常见材质有00Cr13Ni5Mo， 00Cr13Ni4Mo， CA6nM， 00Cr13Ni4Mo， 00Cr16Ni5Mo， GX4CrNi13-4，A743CA6NM不同的Cr Ni含量影響转轮的耐腐蚀性。
（二）实验方案设定
a.初步拟定3种补焊修复工艺，在ASTM A743CA6NM母材表面进行堆焊.实验如下3种方式：
GTAW+ER410NiMo，试块编号为GT-2018-077;
GTAW+ER316L，试块编号为GT-2018-078;
SMAW+G367M，试块编号为SM-2018-079
b.以上3种堆焊工艺，分别堆焊1层、2层、3层;
c.分别测试以上3个试块，堆焊1-3层堆焊层的残余应力、表面硬度、化学成分.
（三）实验过程
1. 每个试块分别堆焊1-3层，堆焊层示意图，图1所示，试块堆焊3层区域厚度约为5-6mm，堆焊2层区域厚度约为2-3mm，堆焊1层区域厚度约为2mm。
2.试块残余应力测试
利用钻孔应变法测试3个试块的焊后的应力水平，以评估不同的修复方案残余应力的大小，示意图如下图2所示
分别测量了3个试块1-3层焊后80h、136h、232h的残余应力，测试结果如下图3所示;
对测试结果按照如下原则进行分析：
（1）主应力方向：对于多个测点来说，若最大主应力方向θ数值各异，没有相关性，则可以忽略主应力的方向;若多个测点主应力方向偏向一致，则说明存在应力集中;
（2）残余应力测试值：残余应力测试值中，“—”值表示压应力，不会诱发表面裂纹，只记录值，不进行分析;“+”表示拉应力，数值较大时，会成为表面裂纹的诱因。残余应力测试值不大于被测材料抗拉强度Rm最小值的1/3，个别点允许最大上浮15%。
分析以上3个试块应力测试结果，3个试块多个测点主应力方向θ数值各异，没有相关性，可忽略主应力的方向。
残余应力测试结果显示，以上3种修复方案产生残余应力低于1/3母材的抗拉强度，残余应力水平均较低，满足要求。
3.堆焊层化学成分测试
利用手持式化学元素测试仪（如下图4）分别测试3个试块1-3层表面主要元素的化学成分。
以上测试结果显示，采用氩弧堆焊ER410NiMo，堆焊层化学成分与母材最接近。
4.堆焊层表面硬度测试
分别测试3个堆焊试块1-3层表面韦氏硬度HV10，测试结果如下图所示。氩弧堆焊ER316L表面硬度为170-180HV10，显著低于母材;焊条堆焊G367M单层堆焊区域，因母材的稀释作用，硬度与母材相近，但堆焊2层以上区域硬度约180-190HV10， 显著低于母材;以上两种堆焊方案，形成的堆焊层表面硬度均显著低于母材的硬度，不适用转轮修复。
选用氩弧堆焊ER410NiMo堆焊各层表面硬度测试结果显示，堆焊各层的硬度值约为320HV10，略高于母材的硬度，但与母材表面硬度最接近。
通过对堆焊层的残余应力、化学成分及表面硬度进行综合评估，氩弧堆焊ER410NiMo为13-4类型母材的最佳修复方案。
本方案继续试验了氩弧堆焊ER410NiMo的堆焊层，1-3层不同厚度的表面硬度，测试结果如下图所示。
测试结果显示，相同堆焊层厚度，直接堆焊至该厚度堆焊层的表面硬度高于铲磨至该厚度的堆焊层。氩弧堆焊ER410NiMo，3层堆焊区域厚度约5mm，铲磨至2-3mm后，表面硬度270-285HV10，与母材的硬度（260-290 HV10）基本相符。
根据上述测试结果，表面较浅部位修复且想获得与原母材接近的性能要求，ER410NiMo为最优选择。
二、结论
综合评估上述实验结果，氩弧堆焊ER410NiMo获得的修复层化学成分及硬度与13-4类型最相近，且残余应力水平低、满足要求，为修复13-4类型转轮的最佳材料，采用堆焊多层后再铲磨至要求修复层厚度，修复区域硬度与母材硬度匹配。
但转轮修复时需综合考虑裂纹风险，变形风险;因此需要在风险与性质之间找到一个平衡点。河流水质较好，表面微缺陷推荐选用316L焊材修复;较大的裂纹类缺陷或大面积补焊推荐选用G367M修复以规避裂纹风险。
参考文献：
[1] 焊接手册
[2] 不锈钢焊接及焊接材料实用手册.
作者简介：
王 娟（1986-09-），女，汉族，河北省石家庄人，研究生，工程师，研究方向：焊接。
陈淑芬（1987-06-），女，汉族，江西抚州人，研究生，工程师，研究方向：焊接。
李 晨（1981-02-），男，汉族，湖北荆州人，本科，工程师，研究方向： 焊接。
关键词：水轮发电机;转轮
一、背景
国内外水轮机发电机进过几十年的发展，机组性能有了飞跃的发展，随着发展，转轮的制造材料也经历了历史的变迁，由原16-5材质变为现在的13-4不锈钢材料，电站检修时需要根据缺陷性质及转轮材质选择不同的焊接材料，不当的焊材选用会造成加剧转轮损坏，降低使用寿命，进而影响影响安全运行及效率。
（一）转轮材质分类
转轮通常根据不同的使用水域、水质要求，选择使用马氏体不锈钢或双相不锈钢钢。常见材质有00Cr13Ni5Mo， 00Cr13Ni4Mo， CA6nM， 00Cr13Ni4Mo， 00Cr16Ni5Mo， GX4CrNi13-4，A743CA6NM不同的Cr Ni含量影響转轮的耐腐蚀性。
（二）实验方案设定
a.初步拟定3种补焊修复工艺，在ASTM A743CA6NM母材表面进行堆焊.实验如下3种方式：
GTAW+ER410NiMo，试块编号为GT-2018-077;
GTAW+ER316L，试块编号为GT-2018-078;
SMAW+G367M，试块编号为SM-2018-079
b.以上3种堆焊工艺，分别堆焊1层、2层、3层;
c.分别测试以上3个试块，堆焊1-3层堆焊层的残余应力、表面硬度、化学成分.
（三）实验过程
1. 每个试块分别堆焊1-3层，堆焊层示意图，图1所示，试块堆焊3层区域厚度约为5-6mm，堆焊2层区域厚度约为2-3mm，堆焊1层区域厚度约为2mm。
2.试块残余应力测试
利用钻孔应变法测试3个试块的焊后的应力水平，以评估不同的修复方案残余应力的大小，示意图如下图2所示
分别测量了3个试块1-3层焊后80h、136h、232h的残余应力，测试结果如下图3所示;
对测试结果按照如下原则进行分析：
（1）主应力方向：对于多个测点来说，若最大主应力方向θ数值各异，没有相关性，则可以忽略主应力的方向;若多个测点主应力方向偏向一致，则说明存在应力集中;
（2）残余应力测试值：残余应力测试值中，“—”值表示压应力，不会诱发表面裂纹，只记录值，不进行分析;“+”表示拉应力，数值较大时，会成为表面裂纹的诱因。残余应力测试值不大于被测材料抗拉强度Rm最小值的1/3，个别点允许最大上浮15%。
分析以上3个试块应力测试结果，3个试块多个测点主应力方向θ数值各异，没有相关性，可忽略主应力的方向。
残余应力测试结果显示，以上3种修复方案产生残余应力低于1/3母材的抗拉强度，残余应力水平均较低，满足要求。
3.堆焊层化学成分测试
利用手持式化学元素测试仪（如下图4）分别测试3个试块1-3层表面主要元素的化学成分。
以上测试结果显示，采用氩弧堆焊ER410NiMo，堆焊层化学成分与母材最接近。
4.堆焊层表面硬度测试
分别测试3个堆焊试块1-3层表面韦氏硬度HV10，测试结果如下图所示。氩弧堆焊ER316L表面硬度为170-180HV10，显著低于母材;焊条堆焊G367M单层堆焊区域，因母材的稀释作用，硬度与母材相近，但堆焊2层以上区域硬度约180-190HV10， 显著低于母材;以上两种堆焊方案，形成的堆焊层表面硬度均显著低于母材的硬度，不适用转轮修复。
选用氩弧堆焊ER410NiMo堆焊各层表面硬度测试结果显示，堆焊各层的硬度值约为320HV10，略高于母材的硬度，但与母材表面硬度最接近。
通过对堆焊层的残余应力、化学成分及表面硬度进行综合评估，氩弧堆焊ER410NiMo为13-4类型母材的最佳修复方案。
本方案继续试验了氩弧堆焊ER410NiMo的堆焊层，1-3层不同厚度的表面硬度，测试结果如下图所示。
测试结果显示，相同堆焊层厚度，直接堆焊至该厚度堆焊层的表面硬度高于铲磨至该厚度的堆焊层。氩弧堆焊ER410NiMo，3层堆焊区域厚度约5mm，铲磨至2-3mm后，表面硬度270-285HV10，与母材的硬度（260-290 HV10）基本相符。
根据上述测试结果，表面较浅部位修复且想获得与原母材接近的性能要求，ER410NiMo为最优选择。
二、结论
综合评估上述实验结果，氩弧堆焊ER410NiMo获得的修复层化学成分及硬度与13-4类型最相近，且残余应力水平低、满足要求，为修复13-4类型转轮的最佳材料，采用堆焊多层后再铲磨至要求修复层厚度，修复区域硬度与母材硬度匹配。
但转轮修复时需综合考虑裂纹风险，变形风险;因此需要在风险与性质之间找到一个平衡点。河流水质较好，表面微缺陷推荐选用316L焊材修复;较大的裂纹类缺陷或大面积补焊推荐选用G367M修复以规避裂纹风险。
参考文献：
[1] 焊接手册
[2] 不锈钢焊接及焊接材料实用手册.
作者简介：
王 娟（1986-09-），女，汉族，河北省石家庄人，研究生，工程师，研究方向：焊接。
陈淑芬（1987-06-），女，汉族，江西抚州人，研究生，工程师，研究方向：焊接。
李 晨（1981-02-），男，汉族，湖北荆州人，本科，工程师，研究方向： 焊接。