某電廠高壓調(diào)門(mén)閥體失效原因分析與修復(fù)

陳海鑫，姚祥宏，陳亮

1.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司 浙江寧波 315200

2.蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

1 序言

浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責(zé)任公司4#機(jī)組汽輪機(jī)為215MW N215-12.75-535/535型超高壓、中間再熱、單軸三缸三排汽、水冷抽汽凝汽式汽輪機(jī)，由北京重型電機(jī)有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)制造。汽輪機(jī)進(jìn)氣溫度為535℃，于1986年投產(chǎn)運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行超過(guò)22萬(wàn)h。

在第9次A級(jí)檢修中發(fā)現(xiàn)主汽調(diào)門(mén)（乙側(cè)）閥體上出現(xiàn)裂紋（長(zhǎng)約400mm、深約85mm），挖取尖端和中間部位（見(jiàn)圖1）進(jìn)行理化檢驗(yàn)，分別編號(hào)為94、95。閥體材質(zhì)為ZG15Cr1Mo1V，裂紋處閥體壁厚約90mm。使用型號(hào)Thermo Niton XL3t 980合金成分儀對(duì)來(lái)樣進(jìn)行半定量定性光譜分析，參照GB/T 5613—2014《鑄鋼牌號(hào)表示方法》，試樣Cr、Mo、V含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 取樣位置

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀檢測(cè)

對(duì)試樣進(jìn)行宏觀檢測(cè)，如圖2所示。94號(hào)樣中間部位裂紋中段充滿(mǎn)氧化物，表面有兩條裂紋，匯合于2截面處；95號(hào)樣截?cái)嗪笞髠?cè)沿裂紋斷開(kāi)，斷口表面有較厚的氧化皮，呈紅褐色，氧化時(shí)間較長(zhǎng)。

圖2 裂紋宏觀形貌

浸蝕后宏觀形貌如圖3所示。試樣1裂紋兩側(cè)組織有明顯差異，試樣2表面與內(nèi)部組織有明顯差異。裂紋均垂直于表面，試樣2裂紋寬約1mm，開(kāi)口較試樣1、3截面大，表明此處裂紋從中間往兩側(cè)擴(kuò)展開(kāi)裂。

圖3 浸蝕后形貌

2.2 金相檢測(cè)

對(duì)上述3個(gè)試樣進(jìn)行顯微觀察，如圖4所示。試樣1典型的鑄造組織，晶粒粗大，金相組織為鐵素體+粒狀貝氏體+彌散碳化物，如圖4a所示；部分晶粒細(xì)小，組織為粒狀貝氏體，似焊縫組織，如圖4b所示；表面裂紋被氧化物填充滿(mǎn)，裂紋中間有二次裂紋，如圖4c所示；裂紋尖端分叉斷開(kāi)，尖端似沿晶開(kāi)裂，如圖4d所示。

圖4 微觀組織觀察

對(duì)試樣2橫截面進(jìn)行顯微觀察，距表面約4mm位置晶粒變細(xì)，金相組織為鐵素體+粒狀貝氏體，似焊接熱影響區(qū)組織，如圖5所示。對(duì)試樣3橫截面進(jìn)行顯微觀察，距表面約5mm位置晶粒變細(xì)，金相組織為鐵素體+粒狀貝氏體，似焊接熱影響區(qū)組織，如圖6所示。

圖5 似焊接熱影響區(qū)組織

圖6 似焊接熱影響區(qū)組織

2.3 顯微硬度檢測(cè)

根據(jù)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求，ZG15Cr1MoV材質(zhì)硬度要求為140～220HBW（140～220HV）。未挖取試樣前在閥體表面進(jìn)行硬度檢查，存在明顯偏差，最高為218HBW，最低為173HBW，但均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

對(duì)試樣2、試樣3截面進(jìn)行顯微硬度檢測(cè)，位置區(qū)域如圖7所示，硬度結(jié)果見(jiàn)表1。試樣2的①、②位置近表面顯微硬度高于標(biāo)準(zhǔn)要求，其余區(qū)域置均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，③位置近表面硬度也接近標(biāo)準(zhǔn)最高限。試樣3的①、②位置硬度值均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 顯微硬度試驗(yàn)位置

表1 硬度結(jié)果 （HBW）

2.4 掃描電鏡觀察

對(duì)試樣1、試樣2、試樣3進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)母材上有較多夾雜類(lèi)孔洞，里面遺留產(chǎn)物經(jīng)能譜檢測(cè)為硫化物，屬鑄造常見(jiàn)缺陷（見(jiàn)圖8），但未發(fā)現(xiàn)缺陷有擴(kuò)展現(xiàn)象。

圖8 鑄造缺陷

2.5 失效原因分析

從閥體裂紋表面看，中間開(kāi)口較兩側(cè)寬，橫截面方向，中間開(kāi)口較兩側(cè)更寬，裂紋從中間位置向兩側(cè)擴(kuò)展。硬度檢測(cè)發(fā)現(xiàn)中間部位硬度值較兩側(cè)高，中間位置現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有焊縫組織，推斷該位置為補(bǔ)焊區(qū)域[1，2]。

試樣2橫截面裂紋近表面處顯微硬度值高于標(biāo)準(zhǔn)要求，該區(qū)域存在補(bǔ)焊，與金相檢測(cè)結(jié)果吻合。金相組織老化評(píng)級(jí)為3～4級(jí)，裂紋尖端顯示裂紋穿晶擴(kuò)展。掃描電鏡檢查發(fā)現(xiàn)，鑄件存在較多夾雜孔洞。

綜上所述，可確定裂紋存在時(shí)間較長(zhǎng)，裂紋在應(yīng)力作用下從中間向兩側(cè)、從外往內(nèi)擴(kuò)展。由于表面補(bǔ)焊處造成開(kāi)裂，裂紋在應(yīng)力作用下緩慢擴(kuò)展的可能性較大。閥體存在夾雜類(lèi)孔洞、疏松、縮孔、等鑄造缺陷，但周?chē)窗l(fā)現(xiàn)擴(kuò)展跡象，與裂紋形成無(wú)直接關(guān)系[3]。

3 焊接修復(fù)

3.1 裂紋清除

在裂紋兩端及中間打多個(gè)止裂孔，采用砂輪和旋轉(zhuǎn)銼磨除裂紋（見(jiàn)圖9）[4]；當(dāng)裂紋區(qū)域逐漸縮小時(shí)，采用滲透檢測(cè)對(duì)裂紋位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位；裂紋缺陷全部打磨清除，滲透檢測(cè)確認(rèn)，如圖10所示。

圖9 止裂孔

圖10 滲透檢測(cè)

3.2 預(yù)熱與氬弧焊

1）采用遠(yuǎn)紅外加熱方式對(duì)待修復(fù)區(qū)域進(jìn)行打底焊的焊前預(yù)熱。使用測(cè)溫槍檢測(cè)待焊坡口溫度應(yīng)≤150℃。

2）溫度達(dá)到要求后，用ERNiCr-3，φ2.4mm焊絲進(jìn)行氬弧焊打底，打底層為2層，將整個(gè)補(bǔ)焊區(qū)域坡口四周和底部焊接層隔離焊接。打底層厚度3～4mm，要求連續(xù)施焊，焊道排列整齊，焊道之間要求1/3的覆蓋量，打底層與坡口邊緣基材圓滑過(guò)渡。

3）打底焊結(jié)束后等待冷卻至室溫，先對(duì)焊層表面進(jìn)行宏觀檢查，隨后對(duì)打底層表面打磨，進(jìn)行滲透檢測(cè)，確認(rèn)無(wú)缺陷后，再進(jìn)行填充焊。

3.3 填充焊

1）待打底層和基體金屬冷至室溫后，采用φ3.2mm，ENiCrFe-3焊條進(jìn)行多層多道填充焊，斷續(xù)進(jìn)行，每道焊接要等焊縫冷至50℃以下（手摸不燙）再焊，如圖11所示。

圖11 填充焊

2）填充焊應(yīng)使起弧、熄弧區(qū)交錯(cuò)分布，避免集中在同一部位，同時(shí)要求避免在坡口兩端和不圓滑的拐角處起弧和熄??；焊接時(shí)使用小電流、快速焊、窄焊道、焊條不作橫向擺動(dòng)，盡量減小熱輸入。焊接時(shí)采用短弧、收弧時(shí)填滿(mǎn)弧坑，不要將電弧移至基材上熄弧。采用逆向分段或跳躍焊道焊接，使應(yīng)力分布合理[5]。

3）期間斷續(xù)進(jìn)行補(bǔ)焊，不要集中在一處連續(xù)補(bǔ)焊；除去打底層和蓋面層外，其余每個(gè)焊道焊接完成后在紅熱狀態(tài)下立即進(jìn)行錘擊來(lái)釋放應(yīng)力，如圖12所示[6]。

圖12 錘擊釋放應(yīng)力

3.4 檢驗(yàn)

1）在填充焊過(guò)程中，為避免在層間出現(xiàn)裂紋、夾渣、氣孔等缺陷，采用宏觀檢測(cè)、滲透檢測(cè)的方法來(lái)防止缺陷或清除缺陷[7]。

2）焊后檢驗(yàn)。待修復(fù)區(qū)域完全冷卻至室溫，進(jìn)行宏觀檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行表面打磨工作，使得焊縫與母材圓滑過(guò)渡。對(duì)修復(fù)區(qū)域進(jìn)行滲透檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，符合技術(shù)要求，如圖13所示。

圖13 焊后滲透檢測(cè)

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)理化檢驗(yàn)和裂紋產(chǎn)生的原因分析，發(fā)現(xiàn)是由于原補(bǔ)焊位置開(kāi)裂導(dǎo)致閥體的失效，通過(guò)對(duì)主汽調(diào)門(mén)（乙側(cè)）閥體裂紋成功修復(fù)，消除了電廠設(shè)備的重大隱患，進(jìn)一步提高了設(shè)備的安全性。更換一臺(tái)高壓調(diào)閥需要花費(fèi)幾十萬(wàn)元，此次修復(fù)高壓調(diào)閥給電廠帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)以后處理閥體類(lèi)似缺陷積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。