高精度曲面加工研磨技術(shù)和微弧精密焊接技術(shù)在電廠閥門內(nèi)漏治理上的應(yīng)用

楊 進(jìn)

(北京國際電氣工程有限責(zé)任公司，北京 100036)

1 閥門內(nèi)漏的危害

大型閥門 (如自動主汽門、調(diào)速汽門、高低壓旁路門等)作為汽輪機(jī)的重要設(shè)備，一旦嚴(yán)密性不合格，將無法保證對汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的有效控制，容易發(fā)生跳機(jī)事故，給汽輪機(jī)造成毀滅性損壞［1］，因此，其可靠性、嚴(yán)密性將直接影響到汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

小型閥門 (如疏水閥)流動背壓很低，處于臨界狀態(tài)［2］，單位面積流量大，蒸汽等包含的大量可用能量被循環(huán)水帶走，造成單位面積內(nèi)漏量大，同時大量蒸汽漏入凝汽器，影響了凝汽器真空，降低了機(jī)組效率。

2 閥門內(nèi)漏治理的趨勢

國家出臺了針對高能耗企業(yè)的節(jié)能政策，五大電力集團(tuán)相繼提出“節(jié)能降耗，促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展”的口號。電力企業(yè)的工作重點也集中到節(jié)能和提高效率方面，各個電廠在例次檢修中均把“降低熱力系統(tǒng)閥門內(nèi)漏，提高真空嚴(yán)密性”作為重點，治理閥門內(nèi)漏、保證閥門嚴(yán)密性成為“節(jié)能、降耗”的關(guān)鍵［3］。

隨著汽輪機(jī)技術(shù)的不斷提高和超臨界機(jī)組、超超臨界機(jī)組的投入運(yùn)行，電廠閥門的工作溫度、工作壓力也隨之提高，閥門關(guān)鍵部件的耐高溫、耐沖蝕、耐磨損、耐氧化、高溫耐沖擊等性能必須得到保證，否則會造成閥門重要部位的密封面出現(xiàn)溝痕、點缺陷、裂紋等 (沖刷、磨損、高溫變形導(dǎo)致)，致使密封效果差、閥門內(nèi)漏［4］。閥門密封面材質(zhì)多采用Ni基合金、Co基合金 (Stellite合金)等合金材料，一旦出現(xiàn)沖蝕、磨損、氧化等現(xiàn)象，修復(fù)成為必要且重要的工作。因此，閥門內(nèi)漏修復(fù)技術(shù)成為一門結(jié)合“新材料科學(xué)”、“精密加工技術(shù)”、“精密焊接技術(shù)”的綜合性技術(shù)。

3 閥門內(nèi)漏治理的措施

目前各個電廠針對閥門密封面缺陷的修復(fù)，主要采取“對研”的解決方法?！皩ρ小奔撮y芯與閥座密封面的相互研磨，對于解決閘板閥等平面密封閥門的缺陷是個行之有效的方法，但是對于采用曲面密封方式的閥門 (閥芯密封面為球形，閥座為雙曲面)，“對研”會在閥門密封面上造成環(huán)形凹坑、“臺階”，雖然有所謂的“密封線”，但根本達(dá)不到機(jī)組要求的密封效果，實際上是在損壞閥門的型面，給閥門造成更大的損傷。

對于小型閥門，可將其從管道上切割下來，返廠在數(shù)控機(jī)床上加工，加工出曲面后進(jìn)行精密研磨。對于大型閥門，例如主汽門、調(diào)速汽門，鑄造在閥體上，無法進(jìn)行拆卸，就需要現(xiàn)場對閥座和閥芯密封面進(jìn)行高精度曲面加工，以恢復(fù)閥門密封面的技術(shù)參數(shù)，保證實現(xiàn)其正常功能。

如果閥門密封面損傷嚴(yán)重，出現(xiàn)大于1 mm深度的溝痕、壓痕、拉傷等線狀、點狀缺陷，若采用曲面機(jī)械加工的方法，不僅工作量大，還會導(dǎo)致合金層變薄、密封面使用壽命縮短;若采用電焊或氬弧焊接修補(bǔ)損傷部位，可能引起溫度無法控制、焊材脫落、閥門焊接應(yīng)力小及現(xiàn)場操作困難等一系列問題，若密封面材料為Stellite合金，則現(xiàn)場焊接極難保證完成。應(yīng)用微弧焊精密焊接技術(shù)，可完全解決以上焊接問題。

結(jié)合高精度曲面加工技術(shù)和微弧精密焊接技術(shù)可修復(fù)大部分電廠閥門密封面的缺陷，達(dá)到治理閥門內(nèi)漏的目的。

4 閥門內(nèi)漏治理的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高精度曲面加工技術(shù)

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門和主汽門密封面在運(yùn)行時，由于受高溫高壓汽流的沖擊磨損、氣蝕及工作時汽流中雜質(zhì)的損傷而造成漏氣，同時密封面由于長期在高溫高壓狀態(tài)下工作。受材料高溫蠕變和高溫持久強(qiáng)度的影響，球面出現(xiàn)曲線變形、壓坑等，從而導(dǎo)致密封線斷線或密封線變寬 (整體寬度達(dá)8 mm以上)，不能滿足嚴(yán)密性要求，此時可通過高精度曲面加工技術(shù)進(jìn)行修復(fù)［5］。

4.1.1 調(diào)節(jié)汽門和主汽門密封面技術(shù)參數(shù)

a． 閥座密封面一般設(shè)計為雙曲面，曲面方程為

式中，t、θ為參變量。

b． 閥芯密封面一般設(shè)計為球面，球面方程為

式中，β、θ為參變量［6］。

4.1.2 技術(shù)說明

a． 根據(jù)上述原理，測繪需修復(fù)的主汽門、調(diào)速汽門閥座、閥芯密封面的各項參數(shù)及型面。

b． 結(jié)合數(shù)控計算機(jī)仿型技術(shù)，對測繪的閥座和閥芯密封面參數(shù)進(jìn)行數(shù)控加工，制造研磨胎具，其端面跳動應(yīng)不大于0.02 mm。

c． 根據(jù)所測主汽門、調(diào)速汽門閥座參數(shù)，制造電動研磨機(jī)，其同軸度不大于0.02 mm。d． 制造法蘭口定位盤，其精度為0.02 mm。e． 現(xiàn)場安裝調(diào)試研磨機(jī)、法蘭口定位盤、研磨胎具，保證各項參數(shù)正常。

f． 配合使用各種砂紙進(jìn)行研磨加工。

g． 加工完畢后，閥芯、閥座尺寸精度達(dá)到0.03μm，表面粗糙度達(dá)到0.8μm。

h． 現(xiàn)場紅丹粉著色檢查，密封線100%連續(xù)接觸。

4.1.3 典型案例

a． 華能伊敏電廠為2臺前蘇聯(lián)50萬kW機(jī)組，由于主汽門、調(diào)速汽門密封面氧化皮過厚，閥門尺寸較大 (最大尺寸約700 mm)而很難處理，導(dǎo)致機(jī)組長期嚴(yán)密性不合格。于2006～2008年利用3次大修機(jī)會，對2臺機(jī)組的閥座、閥芯密封面進(jìn)行高精度曲面加工后 (單臺機(jī)組修復(fù)工期約為15 d)，啟機(jī)試驗發(fā)現(xiàn)機(jī)組嚴(yán)密性全部達(dá)標(biāo)。

b． 大唐盤山電廠為8臺東方汽輪機(jī)有限責(zé)任公司30萬kW機(jī)組，主汽門、調(diào)速汽門密封面氧化皮層厚度達(dá)到2 mm，且分為2～3層，嚴(yán)重影響機(jī)組嚴(yán)密性。于2006～2008年利用3次機(jī)組大修機(jī)會對5號、6號、7號機(jī)組全部高壓主汽、中壓主汽、調(diào)速汽門進(jìn)行密封面高精度曲面加工修復(fù)后，嚴(yán)密性試驗全部達(dá)標(biāo)。

圖1中閥座、閥芯密封面表面粗糙度達(dá)到0.8 μm，經(jīng)現(xiàn)場紅丹粉著色檢查，密封線100%連續(xù)接觸，壓線寬度小于3 mm。

高精度曲面加工技術(shù)將大型數(shù)控加工技術(shù)轉(zhuǎn)化成小型的現(xiàn)場精密加工技術(shù)，應(yīng)用于電廠閥門修復(fù)，解決了原來需要將大型件切割下來運(yùn)至原制造廠、在大型設(shè)備上檢修加工的難題，檢修工期縮短、加工成本降低，使大型件的快速檢修成為可能，達(dá)到電廠運(yùn)行的要求。

圖1 高壓調(diào)速汽門閥座、閥芯密封線壓線情況

4.2 微弧精密焊接技術(shù)

4.2.1 微弧精密焊接的工作原理

微弧精密焊接將電源儲存的高能電子在幾μm內(nèi)向工件放電，瞬時電流密度達(dá)到1×106A/cm2，并轉(zhuǎn)換為熱能和其它形式的能量，將電極材料冶金結(jié)合到工件表面，使其性能得到顯著強(qiáng)化，實現(xiàn)了表面幾何構(gòu)型的復(fù)原修復(fù)。其高能冷焊過程是基于氣態(tài)環(huán)境里的電蝕現(xiàn)象和陽極材質(zhì)在脈沖放電時向陰極轉(zhuǎn)移的理論實現(xiàn)的。工作示意圖見圖2

4.2.2 微弧精密焊接在閥門修復(fù)上的優(yōu)越性

a． 焊接層與閥體母材結(jié)合力強(qiáng)。在冷焊過程中，接觸區(qū)域被電極瞬間加熱至12 000～25 000℃，因而形成良好的冶金結(jié)合，焊接層與母材間致密、結(jié)合力極強(qiáng)、無脫落。

b． 常溫焊補(bǔ)時閥體不發(fā)生變形。由于整個操作過程均為窄脈寬、大頻率，閥體幾乎無熱量的輸入，因而不會產(chǎn)生過熱燒傷和變形，焊補(bǔ)附近金相組織不改變，無應(yīng)力集中現(xiàn)象。焊接閥門無需進(jìn)行熱處理，焊接根據(jù)閥門的使用性能要求來選擇焊條，如Ni基合金或Stellite合金。焊接過程不會產(chǎn)生熱應(yīng)力，閥門修復(fù)完后不必進(jìn)行淬火或回火處理。

c． 焊接層可有較大范圍的變化。焊接過程有氬氣保護(hù)，沉積層可根據(jù)工件使用要求在面積和厚度上進(jìn)行控制。

d． 優(yōu)越的再焊性。可對閥門密封面損傷部位多次焊接，以保證閥門的使用性能。若閥門密封面修復(fù)使用一段時間后又出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，可進(jìn)行再修復(fù)。修復(fù)后的密封面由于表面硬度增強(qiáng)，使用壽命延長。

e． 焊接層可進(jìn)行機(jī)械加工。閥門密封面焊接完后，可根據(jù)要求進(jìn)行車削、磨削、研磨、拋光等，以達(dá)到要求的尺寸和表面光潔度。

f． 可長時間連續(xù)工作，焊接速度快、工作效率高，可到現(xiàn)場工地進(jìn)行在線原位焊接。

4.2.3 微弧精密焊接在閥門修復(fù)上待解決的問題

圖2 微弧焊接工作示意圖

微弧焊接屬于精密焊接，每次焊接量小于0.01 mm，對于較小缺陷的焊補(bǔ)具有突出優(yōu)勢，對于較大缺陷的焊補(bǔ)，雖然其修補(bǔ)后的效果相同，但耗費(fèi)較多人力和時間。在檢修工期較短的情況下，需安排好現(xiàn)場施工時間。

4.2.4 典型案例

a． 江蘇華能淮陰電廠于2005年低壓旁路閥閥座出現(xiàn)裂紋，密封面材質(zhì)為Stellite合金，無法進(jìn)行氬弧焊或電焊，后使用微弧精密焊接技術(shù)將裂紋修補(bǔ)，現(xiàn)場研磨密封面修復(fù)成功 (見圖3)。

圖3 低壓旁路閥修復(fù)前后圖像

b． 山西大唐國際陽城電廠于2005年5號機(jī)組1號中壓調(diào)速汽門閥座密封面下方出現(xiàn)約12 mm×90 mm×1.8 mm的沖刷區(qū)，材質(zhì)為Stellite合金，現(xiàn)場無法進(jìn)行氬弧焊接或電焊，Siemens德國專家建議使用镋削設(shè)備修復(fù)密封面，中方考慮到斯太力合金層減薄會造成閥門的使用壽命縮短和安全問題，故采用微弧精密焊接技術(shù)修補(bǔ)密封面缺陷，使用高精度曲面加工技術(shù)修復(fù)密封面型面的技術(shù)方案，工期12 d，至今未出現(xiàn)任何問題 (見圖4)。

微弧精密焊接技術(shù)能夠保證基體閥門不發(fā)熱、密封面不變形、不咬邊、修復(fù)區(qū)無殘余應(yīng)力、無裂紋、冶金結(jié)合強(qiáng)度高，尤其適合發(fā)電設(shè)備重要部件磨損、裂紋等缺陷的修復(fù)，降低了研磨工作強(qiáng)度，提高了閥門的使用壽命，大幅度降低了成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為電廠節(jié)省了大量的資金。

表1 各大電廠檢修情況

圖4 修復(fù)過程圖像

5 應(yīng)用

目前，高精度曲面加工、微弧焊精密焊接2項技術(shù)已在各大電力公司得到高度重視和大力推廣，并應(yīng)用在眾多內(nèi)國外機(jī)組和閥門中，正在逐步形成一個高精度、快速的閥門檢修新技術(shù)。

各大電廠檢修情況見表1。

6 結(jié)束語

高精度曲面加工技術(shù)和微弧精密焊接技術(shù)相結(jié)合可解決主汽門、調(diào)速汽門等大部分電廠大型閥門內(nèi)漏的修復(fù)工作。修復(fù)后閥門的材料性能、尺寸精度可達(dá)到甚至超過原閥門的等級，提高了閥門的使用性能，延長了閥門的使用壽命。隨著技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，甚至可擴(kuò)展到軸類、泵類、缸體類的修復(fù)，可解決電廠內(nèi)沉積多年的技術(shù)難題?！伴y門修復(fù)”已從簡單的機(jī)械加工上升到“精密加工”、“精密焊接”、“材料科學(xué)”相結(jié)合的一個新的技術(shù)層面。

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