核電汽輪機(jī)末三級靜葉隔板過程監(jiān)造要點與案例

米良

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200030）

1 概述

隨著國家對碳中和與碳達(dá)峰時間表的提出，以及常規(guī)能源的有限性以及環(huán)境問題的日益突出，以核能、風(fēng)能、光伏等為代表的環(huán)保和可再生為特質(zhì)的能源越來越得到各國的重視，而核能在作為一種安全、綠色、穩(wěn)定的能源在上述能源中具備大規(guī)模開發(fā)、建設(shè)的先天優(yōu)勢。同時，基于切爾諾貝利、福島等核事故所帶來的慘痛教訓(xùn)，核電站的安全和質(zhì)量要求也不斷提升，針對核電站設(shè)備制造階段質(zhì)量的管控顯得尤為重要。監(jiān)理工程師對設(shè)備制造所開展的質(zhì)量把控，一方面是對設(shè)備本身的質(zhì)量負(fù)責(zé)，另一方面也是通過提出問題和要求，鍛煉、培育合格、優(yōu)秀的核電設(shè)備制造商，使其技術(shù)能力、管理質(zhì)量等方面不斷得到提升。本文從某核電低壓汽輪機(jī)末三級靜葉監(jiān)造角度出發(fā)，主要介紹了對該設(shè)備過程監(jiān)造中的關(guān)鍵控制點，同時輔以實際案例予以說明。

2 設(shè)備簡介

某核電低壓汽輪機(jī)單缸動靜葉左右各十級，其中低1-7 級靜葉為鍛造扁鋼制造的加工型靜葉片，8-10 級（末三級）為鑄造型葉片，通過內(nèi)、外環(huán)焊接而成，也稱特殊靜葉。靜葉隔板的內(nèi)外環(huán)為碳鋼鑄件并設(shè)有汽封槽、疏水槽，由于該部位與蒸汽、疏水長期接觸，為保證密封性和防腐蝕性，采用熔化極活性氣體保護(hù)焊在該部位分三次堆焊不銹鋼，每層厚度約為10mm。

在末三級靜葉隔板的實際制造過程中，主要的工藝流程如圖1 所示。

圖1 末三級靜葉制造的工藝流程

在實際監(jiān)造過程中，普遍選取的過程控制點主要包含原材料驗收（含化學(xué)成分分析、熱處理、力學(xué)性能試驗、滲透檢測）、葉片尺寸檢查、葉型檢查、焊接檢查、尺寸檢查、清潔和防異物檢查等幾個方面。下文將針對以上各主要控制點進(jìn)行逐一介紹和分析。

3 過程控制點分析

3.1 原材料驗收

原材料驗收一般采用文件檢查/見證的形式開展，主要是針對靜葉、內(nèi)外環(huán)以及焊材等原材料的質(zhì)量證明書/合格證明書中標(biāo)識的相關(guān)數(shù)據(jù)（如，牌號、規(guī)格、化學(xué)分析、機(jī)械性能、供貨商等）的符合性進(jìn)行核查，核查重點應(yīng)包括：

（1）牌號、規(guī)格、化學(xué)分析、機(jī)械性能等相關(guān)參數(shù)是否符合有關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品設(shè)計規(guī)格書的要求。

（2）制造廠提供的質(zhì)量證明書/合格證明書與原材料實物是否對應(yīng)一致。

（3）制造廠提供的質(zhì)量證明書/合格證明書與原材料及焊材入廠復(fù)檢記錄是否一致。

（4）文件的真實性，如所提供的原材料質(zhì)量證明書/合格證明書是否加蓋原材料生產(chǎn)廠家或供貨商或原材料使用方的質(zhì)檢專用印章。

（5）原材料供貨商是否與采購合同約定的供貨商一致。

文件方面的檢查與設(shè)備本體檢查同樣重要，如果在原材料質(zhì)量檢查階段遺漏問題進(jìn)入設(shè)備制造的下一階段，往往會造成整臺設(shè)備的最終報廢或帶病運行，對項目進(jìn)度和安全質(zhì)量造成不可預(yù)估的風(fēng)險。因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)上述一個或幾個方面存在問題時，應(yīng)對文件作進(jìn)一步檢查驗證，必要時可對原材料實體的檢驗進(jìn)行現(xiàn)場見證，結(jié)合進(jìn)一步驗證情況，確定照用或報廢的處理方案。

3.2 葉片檢查

靜葉片在汽輪機(jī)運行過程中起著集流導(dǎo)流蒸汽，靜葉片的制造質(zhì)量往往會對通流面積、蒸汽方向等方面造成影響，進(jìn)而影響到機(jī)組出力和安全運行，因此葉片檢查一般包含了葉型檢查和尺寸檢查兩個方面。

葉型檢查主要是通過選取多個截面，測量各截面的最大厚度和出氣邊厚度是否在圖紙要求的公差范圍內(nèi)。葉型檢查一般是使用葉型檢查模具對靜葉片不同部位進(jìn)行卡合，然后使用塞尺測量模具與葉片間隙，以此來判斷靜葉片與標(biāo)準(zhǔn)葉型的偏離程度是否在圖紙要求的公差范圍內(nèi)。不論是葉型檢查還是葉片尺寸檢查，在檢查過程中應(yīng)重點關(guān)注的事項包括：

（1）測量人員是否具備制造廠相應(yīng)授權(quán)。

（2）檢查所用千分尺、葉型檢查模型是否在檢定有效期內(nèi)。

（3）測量前應(yīng)使用千分尺檢查塞尺厚度是否準(zhǔn)確，塞尺、葉型檢查模型是否存在生銹、破損等情況。

（4）葉片尺寸和葉型是否在圖紙要求的公差范圍內(nèi)。

由于葉片數(shù)量較多，監(jiān)造人員在進(jìn)行葉片尺寸和葉型檢查時，往往結(jié)合實際葉片數(shù)量確定合適的比例采用抽檢的形式進(jìn)行，同時對制造廠出具的全檢記錄進(jìn)行文件檢查。

3.3 焊接檢查

3.3.1 檢查分析

靜葉片拂配與內(nèi)外環(huán)焊接完成后，一般采用滲透檢驗（PT）的形式對焊接質(zhì)量進(jìn)行檢查，檢查過程中應(yīng)關(guān)注的事項包括：

（1）探傷人員是否具備相應(yīng)的滲透探傷資質(zhì)。

（2）滲透液、顯像劑、清洗劑是否為同一廠家生產(chǎn)，且在有效期內(nèi)；可通過要求制造廠使用探傷劑做試塊，看試塊上缺陷是否顯示清晰來判斷液劑的有效性。

（3）探傷面是否存在無鐵銹、氧化皮、焊接飛濺、鐵屑、毛刺以及各種防護(hù)層，一般要求表面粗糙度Ra≤25um。

（4）施加的（可選用噴涂、刷涂、澆涂）滲透劑是否完全覆蓋被檢工件表面，并在整個滲透時間內(nèi)保持潤濕狀態(tài)。

（5）滲透劑溫度和工件表面溫度是否在5℃-50℃范圍內(nèi)，在此溫度范圍內(nèi)滲透劑持續(xù)時間一般不應(yīng)小于10min。在噴涂顯像劑時被檢面溫度不應(yīng)高于50℃，現(xiàn)象時間通常為5-10min。

（6）檢查缺陷情況時，表面照度是否大于1000LX；為辨認(rèn)細(xì)小顯示時，觀察時可輔以5-10 倍放大鏡。

在滲透檢查過程中，要務(wù)必保證探傷范圍覆蓋所有焊接位置，在實際操作過程中往往對較大處，明顯處焊接位置（如靜葉片內(nèi)外焊接位置）的檢查較為重視，局部凹槽（如汽封槽堆焊面）等位置往往關(guān)注度不夠，容易造成設(shè)備質(zhì)量控制不嚴(yán)格，留下質(zhì)量隱患。

3.3.2 案例分析

以某核電機(jī)組末三級靜葉滲透檢查發(fā)現(xiàn)問題為例，在對其汽封槽堆焊面檢查過程中發(fā)現(xiàn)存在多處大于5mm 的圓形缺陷，最大可達(dá)13mm×10mm,具體位置及情況詳見圖2。

圖2 缺陷位置圖

依照廠內(nèi)驗收標(biāo)注，滲透探傷后以下缺陷不可接受：a.裂紋、線性缺陷顯示；b.5mm 以上圓形缺陷；c.4 個以上相連圓形缺陷，間距小于1.5mm。

由于已發(fā)現(xiàn)缺陷已經(jīng)超出廠內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)可接受范圍，因此各方針對缺陷從對機(jī)組性能影響、強(qiáng)度分析、長期穩(wěn)定性分析、缺陷模擬等方面進(jìn)行了評估。

在性能影響方面，通過對實際運行情況分析發(fā)現(xiàn)，安裝汽封塊后，在機(jī)組運行過程中考慮蒸汽壓力及蒸汽流向，汽封槽座面（seat surface）為主要受力點和密封面，若保證汽封槽座面的密封性良好，則漏氣量不會增加，相應(yīng)的，機(jī)組性能及經(jīng)濟(jì)性就不會受到影響。因此，為保證座面位置的密封性，該位置出現(xiàn)的相關(guān)缺陷后續(xù)需進(jìn)行修補(bǔ)處理，避免因漏氣量增大影響機(jī)組性能。

在強(qiáng)度分析方面，結(jié)合機(jī)組運行過程中的工況，末三級蒸汽溫度在40-80℃之間，蒸汽壓力小于0.1Mpa，由此在運行過程中蒸汽對汽封塊產(chǎn)生的持續(xù)性軸向推力小于0.1Mpa，汽封塊對汽封槽產(chǎn)生的壓力相對較小。

通過有限元計算分別對末三級隔板汽封槽進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，運行條件下，汽封槽受力位置主要集中在受力面方向（圖3），第8-10 級隔板汽封槽處所受最大應(yīng)力值分別為3.9Mpa、2.9Mpa、3.5Mpa，在將最大承受應(yīng)力σmax 與材料屈服強(qiáng)度σys 比值計算可以得出汽封槽所受應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度（圖4），因此在連續(xù)推力作用下，汽封槽的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可以滿足要求。

圖3 第十級靜葉隔板汽封槽應(yīng)力分布圖

圖4 末三級隔板汽封槽最大承受應(yīng)力與材料屈服強(qiáng)度比值計算

在長期穩(wěn)定性分析方面，對于缺陷來說，依照破壞力學(xué)理論，應(yīng)力強(qiáng)度因子反映了缺陷頂端附近區(qū)域個點應(yīng)力的強(qiáng)弱程度，在對缺陷的長期穩(wěn)定性分析過程中，通過計算缺陷位置的應(yīng)力強(qiáng)度因子ΔK，并與相應(yīng)的臨界強(qiáng)度因子ΔKth 進(jìn)行對比，可以評判三種情況下缺陷是否存在進(jìn)一步擴(kuò)大的可能，若ΔK＜ΔKth，則相關(guān)缺陷不會擴(kuò)展，若ΔK≥ΔKth,則相關(guān)缺陷會出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)展，其中缺陷處應(yīng)力強(qiáng)度因子計算公式如下：

其中：ΔK：應(yīng)力強(qiáng)度因子；

a：缺陷深度；

c：缺陷長度；

σ：應(yīng)力值。

通過計算對比可以發(fā)現(xiàn)，末三級隔板汽封槽處應(yīng)力強(qiáng)度因子遠(yuǎn)小于臨界強(qiáng)度因子（圖5），因此在持續(xù)壓力作用條件下，三種缺陷均不會出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)展的可能。若假定應(yīng)力強(qiáng)度因子等于臨界強(qiáng)度因子，即ΔK=ΔKth。在此情況下求得末三級靜葉汽封槽堆焊面缺陷大小需至少在160mm 以上，通過對比可知，目前發(fā)現(xiàn)的缺陷大小均大大小于該數(shù)值，通過這種方式，進(jìn)一步印證了在持續(xù)壓力作用下，現(xiàn)有缺陷不會出現(xiàn)進(jìn)一步擴(kuò)大的可能。

圖5 末三級隔板應(yīng)力強(qiáng)度因子與臨界強(qiáng)度因子比值

通過以上分析4 方面分析情況及評估結(jié)論，最終確定該問題的處理依照以下原則開展：

（1）對汽封槽表面重新目視檢查及PT 檢測，確定不銹鋼堆焊面缺陷大小位置。

（2）鑒于汽封槽的非受力面及非密封面處缺陷對機(jī)組性能及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不會造成影響，對于處在汽封槽非密封區(qū)域及非受力區(qū)域的缺陷不作處理，對于處在汽封槽密封區(qū)域及受力區(qū)域的缺陷依照廠內(nèi)工藝及標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行修補(bǔ)處理（圖6）。

圖6 修補(bǔ)位置示意圖

（3）鑒于汽封槽受力面及密封面處缺陷預(yù)計會增加漏氣量并對機(jī)組性能造成影響。

3.4 尺寸檢查

末三級隔板最終需與汽輪機(jī)低壓內(nèi)缸進(jìn)行裝配和安裝，因此隔板加工后尺寸是否在圖紙約定的公差范圍內(nèi)直接影響后續(xù)的裝配與到廠安裝工作，在實際檢查過程中，應(yīng)重點關(guān)注：

（1）葉片節(jié)距、喉部尺寸是否在圖紙要求的公差范圍內(nèi)。（2）定位螺栓位置尺寸是否符合圖紙要求。

（3）是否需對隔板進(jìn)行修磨調(diào)整，如需應(yīng)在調(diào)整完成后再次測量。

3.5 清潔度、防異物檢查

3.5.1 檢查分析

在相關(guān)加工制造工序基本完成后，還應(yīng)對末三級靜葉的本體開展清潔度與防異物檢查，檢查過程中應(yīng)重點關(guān)注：

（1）中分面、螺栓定位面是否存在拉毛、凹坑的缺陷。（2）內(nèi)部是否存在異物、銹蝕等情況。

（3）所有中分面螺栓均已取下，螺栓是否有咬死情況。（4）對于需長期存儲的，是否做好防銹保護(hù)措施。

3.5.2 案例分析

某核電項目末三級靜葉隔板在發(fā)貨前檢查中發(fā)現(xiàn)，靜葉隔板中分面定位銷及銷孔等位置存在拉毛的情況，主要原因為制造廠在總裝過程中多次拆合缸，保護(hù)措施不足造成。后對發(fā)現(xiàn)的拉毛情況及時要求制造廠去除高點并將相關(guān)內(nèi)容在監(jiān)造工作報告中進(jìn)行記錄。

4 結(jié)論

末三級靜葉隔板作為汽輪機(jī)內(nèi)部重要部件之一，對保證汽輪機(jī)的出力和安全運行起著至關(guān)重要的作用。除了在制造過程中，需要監(jiān)理工程師以認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，扎實過硬的技術(shù)能力，嚴(yán)格開展設(shè)備監(jiān)造工作，及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題和隱患以外，還需要通過多種手段及評估方法，在充分考慮各種因素的條件下科學(xué)、全面地對問題進(jìn)行分析，與制造廠共同制定出最佳處理方案，保證設(shè)備到場后的安全穩(wěn)定運行。