某汽輪機(jī)鑄鐵隔板螺栓孔開(kāi)裂修復(fù)案例研究

戴奕慧

（廣東粵電云河發(fā)電有限公司，廣東 云浮 527328）

某廠4號(hào)機(jī)組為上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的135MW汽輪機(jī)，機(jī)組型號(hào)為機(jī)組型號(hào)：N135-13.24/535/535型，產(chǎn)品編號(hào)為H151，本汽輪機(jī)組為超高壓、中間再熱、雙排汽單軸布置的沖動(dòng)凝汽式機(jī)組，低壓缸為徑向擴(kuò)壓雙排汽的結(jié)構(gòu)，低壓轉(zhuǎn)子為雙流共12級(jí)，左右各6級(jí)。低壓隔板全部是變截面葉型，采用鑄造隔板，隔板與內(nèi)缸之間用Z型懸掛銷的中分面支承方式。2004年6月機(jī)組首次大修揭缸后發(fā)現(xiàn)低壓第30級(jí)上隔板（右旋末級(jí)）中分面螺栓孔開(kāi)裂，當(dāng)時(shí)對(duì)開(kāi)裂位置直接補(bǔ)焊處理后裝復(fù)。2009年2月機(jī)組第二次大修揭缸后發(fā)現(xiàn)除了該級(jí)隔板原補(bǔ)焊的螺栓孔再次開(kāi)裂外，低壓缸第24級(jí)上隔板（左旋末級(jí)）中分面螺栓孔壁也出現(xiàn)了開(kāi)裂。

產(chǎn)生斷裂的兩隔板皆為低壓缸上隔板：一處斷裂位于第24級(jí)（左旋第6級(jí)）隔板的中分面螺栓孔位置，與中分面基本呈45°，斷口表面有一層黑色氧化物，斷口為粗晶狀，另一處斷裂位于第30級(jí)（右旋第6級(jí)）隔板的定位孔薄壁處，屬于前次補(bǔ)焊部位的陳舊性斷裂。兩處斷裂處均為隔板提供定位，若不修復(fù)將直接危害汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

1 隔板螺孔開(kāi)裂原因分析

1.1 隔板材料金相分析。

查圖得知，斷裂的隔板材質(zhì)為灰口鑄鐵HT250?；铱阼T鐵定義為：碳大部分或全部以自由狀態(tài)的片狀石墨形式存在于鑄鐵，其斷口呈暗灰色?；铱阼T鐵的化學(xué)成分一般為：C=2.5%～4.0%，Si=1.0%～2.55%，Mn=0.6%～1.3%，S＜1.5%，P＜0.30%。根據(jù)石墨化程度的不同，灰口鑄鐵可出現(xiàn)三種不同的組織，即鐵素體灰口鑄鐵、鐵素體-珠光體灰口鑄鐵及珠光體灰口鑄鐵。這三種組織是由片狀石墨分析布在不同的基體上形成的。相對(duì)于鋼的基體而言，石墨的強(qiáng)度幾乎為零。由于石墨的存在，灰口鑄鐵的抗拉強(qiáng)度和塑性大大低于鋼，但卻具有良好的鑄造性、切削加工性、耐磨性、消震性、減磨性及低的缺口敏感性。隔板首先應(yīng)滿足供需雙方合同約定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；另一方面，灰鑄鐵件技術(shù)要求不應(yīng)低于強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，如GB9439-1988《灰鑄鐵件》和GB7216-1987《灰鑄鐵金相》。

表1 灰鑄鐵金相檢查結(jié)果匯總

為此，對(duì)隔板開(kāi)裂位置取樣進(jìn)行金相分析，實(shí)驗(yàn)采用“左旋第6級(jí)”隔板的斷裂塊。該試塊外圍長(zhǎng)約200mm，呈棱錐型。用未浸蝕試樣檢查石墨形態(tài)，用浸蝕的試樣檢查金屬基體。備好金相試樣后，觀察試樣石墨形態(tài)，放大倍數(shù)為100倍。石墨為典型的片狀形態(tài)，分布均勻。在可見(jiàn)視場(chǎng)里，基本無(wú)其它形態(tài)的石墨。按GB 7216-1987評(píng)定石墨長(zhǎng)度結(jié)果：石長(zhǎng)75，長(zhǎng)度分級(jí)為2級(jí)；即在100倍的視場(chǎng)里，石墨長(zhǎng)約50～100mm。

對(duì)完成石墨形態(tài)觀察試樣浸蝕，500倍光鏡下觀察基體組織，基體形貌為單一的片狀珠光體組織，碳化物和鐵素體均成片狀，在片狀石墨形成的有限區(qū)域內(nèi)有序排列，近似平行。在不同區(qū)域內(nèi)，珠光體片位向成無(wú)序狀。在500倍視場(chǎng)里，珠光體片間距＜1mm，呈細(xì)片狀。在更高倍數(shù)下觀察石墨與珠光體基體結(jié)合部位，未見(jiàn)微裂紋等缺陷。

500 倍光鏡下觀察金相試樣，碳化物數(shù)量很少，僅在少數(shù)區(qū)域出現(xiàn)，針片狀，分布數(shù)量為1級(jí)。所觀察的金相試樣，磷共晶數(shù)量很少。綜上所述，金相檢查結(jié)果如表1所示。

按GB 9439-1988，測(cè)得試樣布氏硬度值在176～184間。為此得知，該兩塊隔板鑄件金相組織處于正常狀態(tài)，化學(xué)成分、硬度、金相等技術(shù)條件滿足要求。排除了隔板制造時(shí)材料夾雜的可能。

1.2 結(jié)構(gòu)原因分析

第30級(jí)隔板的定位耳板斷裂屬于結(jié)構(gòu)不合理（設(shè)計(jì)缺陷或者工藝執(zhí)行不力）；第24級(jí)隔板的斷裂面與中分面呈45°角，可能是外側(cè)角的“R”型處首先形成裂紋，工作介質(zhì)隨隔板的振動(dòng)不斷深入并導(dǎo)致裂紋尖端擴(kuò)展，導(dǎo)致隔板最終斷裂。

兩灰鑄鐵隔板都處于低壓缸第6級(jí)，在運(yùn)行51000小時(shí)前就發(fā)生了定位孔位置的斷裂失效，都遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)壽命。這表明該隔板在設(shè)計(jì)或制造方面是有缺陷的。

2 直接焊接短期內(nèi)再次失效。

2004 年低壓第30級(jí)上隔板開(kāi)裂位置直接補(bǔ)焊處理后裝復(fù)。當(dāng)時(shí)焊接時(shí)，采用手工焊條電弧焊，焊接材料采用Φ2.5的J507（E5015），經(jīng) 250℃-300℃烘干，恒溫1小時(shí)，焊接作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用焊條保溫桶，焊條隨用隨取。焊接前將工件預(yù)熱到150℃，焊接時(shí)采用小電流、弱規(guī)范雙面對(duì)稱焊，焊接過(guò)程保持工件不燙手（不高于70℃），溫度過(guò)高時(shí)采用間斷焊接。為減少焊接熱應(yīng)力，，焊接過(guò)程中采用逐道錘擊增加焊道塑性變形，降低殘余應(yīng)力；補(bǔ)焊結(jié)束后將焊縫及其周圍100mm范圍內(nèi)打磨光，以消除應(yīng)力集中的可能性。

雖然采用以上工藝焊接，但焊完后著色檢查，焊縫熱影響區(qū)仍有一些小裂，將裂紋打磨掉后裝復(fù)使用。2009年2月機(jī)組第二次大修揭缸后發(fā)現(xiàn)該級(jí)隔板原補(bǔ)焊的螺栓孔再次開(kāi)裂，開(kāi)裂位置沿補(bǔ)焊焊縫。這表明，鑄鐵焊接性能極差，對(duì)冷卻速度敏感性大，對(duì)完全斷裂的灰鑄鐵隔板通過(guò)補(bǔ)焊修復(fù)幾乎是不可能的。目前，國(guó)內(nèi)鮮有對(duì)完全斷裂的灰鑄鐵隔板成功補(bǔ)焊范例的報(bào)道。

3 過(guò)渡板修復(fù)方案

圖1 第30級(jí)隔板螺孔斷口磨平對(duì)研后

由于上海汽輪機(jī)廠該隔板沒(méi)有庫(kù)存，供貨期需3個(gè)月，只能采用現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的方法解決?？紤]直接焊接不可靠，若采用焊接性能良好的碳鋼加工出螺孔形狀再與隔板焊接，由于易種材料焊接更容易出現(xiàn)裂紋。通過(guò)對(duì)比研究，我們采用了過(guò)渡板修復(fù)的方案。

圖2 第30級(jí)隔板螺孔過(guò)渡板焊接固定后

圖3 第30級(jí)隔板螺孔修復(fù)后

第一步，將隔板螺栓孔斷裂位置打磨出一平面，先用小平板進(jìn)行研磨，力求達(dá)到物理平面，（見(jiàn)圖1）。用厚12mm的碳鋼板制作出一個(gè)過(guò)渡板，并將過(guò)渡板與螺孔平面對(duì)研至合格。對(duì)研的目的在于增加過(guò)渡板與隔板聯(lián)接的磨擦力，提高聯(lián)接強(qiáng)度。

第二步，在平面適當(dāng)位置加工6個(gè)M14螺孔，將M14螺栓（8.8級(jí)）擰入，將過(guò)渡板與螺栓焊接固定在隔板上，并打磨光滑。見(jiàn)圖2。

第三步，用#20鋼材料加工出一螺孔連接塊，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)裝定位后焊接在過(guò)渡板上，完成隔板修復(fù)工作，見(jiàn)圖3。

4 強(qiáng)度計(jì)算

此修復(fù)方案的聯(lián)接強(qiáng)度最低處為過(guò)渡板與隔板的聯(lián)接強(qiáng)度，該聯(lián)接通過(guò)6個(gè)M14的螺栓（8.8級(jí)）進(jìn)行聯(lián)接，認(rèn)為其為受軸向載荷的螺栓聯(lián)接，則此螺栓組抗拉承載力為每個(gè)螺栓的抗拉承載力之和。查單個(gè)M14×2螺栓應(yīng)力截面積為115平方毫米，6個(gè)螺栓總的應(yīng)力截面積為115×6=690（平方毫米）。汽輪機(jī)第24、30級(jí)隔板上下半聯(lián)接是用M33的內(nèi)六角螺釘進(jìn)行聯(lián)接，M33螺栓的應(yīng)力截面積為694平方毫米，兩者相當(dāng)，應(yīng)為能滿足強(qiáng)度要求。

該隔板修復(fù)后機(jī)組運(yùn)行正常。2010年及2011年均揭低壓缸檢查，修復(fù)的兩處螺孔均完好。

結(jié)語(yǔ)

灰鑄鐵HT250強(qiáng)度低、塑性差，對(duì)焊接冷卻速度十分敏感。汽機(jī)隔板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工時(shí)易出現(xiàn)應(yīng)力分布不均勻，補(bǔ)焊等修復(fù)措施無(wú)疑會(huì)加劇開(kāi)裂的傾向。預(yù)熱有利于灰鑄鐵修復(fù)，但會(huì)增加變形傾向。這些情況表明，對(duì)完全斷裂的灰鑄鐵隔板通過(guò)補(bǔ)焊修復(fù)幾乎是不可能的。而通過(guò)過(guò)渡板聯(lián)接修復(fù)方案較為巧妙，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體情況進(jìn)行具體分析，制定具體的修復(fù)方案。事實(shí)證明，過(guò)渡板修復(fù)是合適的。

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