某電廠汽輪機高調(diào)閥座合金裂紋分析與處理

林增雷, 管緒友

(淮南礦業(yè)集團(tuán)發(fā)電有限責(zé)任公司顧橋電廠, 安徽 淮南 232100)

0 引言

汽輪機的主蒸汽室閥座長期承受高溫汽流的沖刷、震動和閥桿頭部的撞擊等影響，容易在接觸密封面附件造成破壞，影響機組的安全運行，一般為了保證閥座的密封性，通常在接觸密封面堆焊一層硬質(zhì)合金以增加其耐磨性。堆焊層材料通常為鈷基耐熱合金[1]，在高溫下有相當(dāng)好的抗應(yīng)力松弛性能，堆焊后其焊道及近縫區(qū)會存在一定的拉伸殘余應(yīng)力[2]。工作中閥座與主蒸汽室之間實現(xiàn)過盈配合，閥座母材與堆焊層間線脹系數(shù)差異較大，其熔合線區(qū)域的應(yīng)力集中，同時閥座基材與堆焊層的硬度值相差較大，在長期異常工況運行條件下，會在熔合線附近形成微裂紋，隨著應(yīng)力的進(jìn)一步集中，最終導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴展，沿熔合線位置開裂。

隨著太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電裝機容量快速增加，天氣晴朗時，火電機組負(fù)荷特別低，經(jīng)常低于額定負(fù)荷的30%；陰天或者晚上時，太陽能不在發(fā)電，火電機組負(fù)荷快速拉升，形成火電廠機組負(fù)荷調(diào)整范圍越來越大的新常態(tài)，一次調(diào)頻動作更加快速，更加頻繁，使得汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)汽閥動作，蒸汽流量快速變化，調(diào)門的閥座與閥芯所受蒸汽沖刷的力交替變化，閥芯與閥座經(jīng)常接觸撞擊，容易在閥門密封面附近造成損壞，影響機組安全運行。

1 設(shè)備概況

1.1 設(shè)備簡述

某電廠#1、#2汽輪機是東方汽輪機廠N 330-16.67/538/538型，為亞臨界、一次中間再熱、雙缸雙排汽、凝汽式汽輪機。機組汽輪機高壓部分共有左右側(cè)2個高壓主汽閥，4個高壓調(diào)節(jié)汽閥，對應(yīng)4組噴嘴，4組噴嘴汽道數(shù)均為37只；中壓部分有左右2個中壓主汽閥，分別對應(yīng)2個中壓調(diào)節(jié)汽閥。高壓調(diào)節(jié)汽閥可實現(xiàn)順閥控制和單閥控制，機組在運行中可以進(jìn)行兩種方式的無擾切換。兩種控制方式對應(yīng)兩種不同的進(jìn)汽方式，其中順閥方式為噴嘴調(diào)節(jié)(部分進(jìn)汽)，單閥方式為節(jié)流調(diào)節(jié)(全周進(jìn)汽)，高壓部分4個調(diào)節(jié)汽閥根據(jù)控制系統(tǒng)的指令按相同的閥位開啟，對應(yīng)4組噴嘴同時進(jìn)汽。為減小啟動過程中的熱沖擊，機組啟動時采用單閥方式，避免汽缸及轉(zhuǎn)子應(yīng)力過大，保證機組安全順利啟動，在達(dá)到目標(biāo)負(fù)荷且溫度場趨于穩(wěn)定后可以切換到順閥方式，保證較好的經(jīng)濟性。

1.2 現(xiàn)象描述

#2機組停機檢修，在進(jìn)行高壓調(diào)節(jié)汽閥十字頭改造的過程中發(fā)現(xiàn)#1高壓調(diào)節(jié)汽閥閥座內(nèi)圈(密封接觸面為一堆焊層)堆焊層存在開裂現(xiàn)象，且有一小塊堆焊層脫落。經(jīng)PT檢查，開裂口附近堆焊層還存在一些裂紋，如圖1所示。

圖1 #1高壓調(diào)節(jié)汽閥閥座密封接觸面

2 原因分析

2.1 制造缺陷

司太立合金在堆焊過程中溫度控制欠佳，形成應(yīng)力集中[3]；另外，在高壓調(diào)節(jié)汽閥組裝時，采用液氮冷卻裝配工藝，閥座收縮量大，閥座母材與司太立堆焊層間線脹系數(shù)差異較大，加大了堆焊層應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致裂紋進(jìn)一步擴展開裂。

2.2 調(diào)門突然關(guān)閉的影響

2月20日凌晨04：54，#2機組負(fù)荷195 MW，時間04：56：56一次調(diào)頻動作，#3高壓調(diào)節(jié)汽閥由12%降為0%，#1、#2高壓調(diào)節(jié)汽閥維持在原開度48%；時間04：57：16，負(fù)荷持續(xù)下降至148 MW(最低負(fù)荷)，此時主汽壓力12.028 MPa，閥位開度80%，#1、#2高壓調(diào)節(jié)汽閥維持全開，#3調(diào)門開至23%。#1軸承左側(cè)溫度由81 ℃開始上升，#2軸承左側(cè)溫度由92 ℃開始上升。時間04：57：30，負(fù)荷恢復(fù)至185 MW，#1、#2調(diào)門全開，#3調(diào)門開度52%，主汽壓力11.4 MPa，閥位90.8%。

#3高壓調(diào)節(jié)汽閥突然關(guān)閉，使得該高壓調(diào)節(jié)汽閥的閥芯與閥座進(jìn)行了撞擊，可能會使閥座的密封面受到損傷。

2.3 負(fù)荷波動大

近期機組負(fù)荷波動較大，一次調(diào)頻動作頻繁，由于機組為順序閥運行，低負(fù)荷時，#3、#4高壓調(diào)節(jié)汽閥開度較小，一次調(diào)頻動作幅度較大時，#3、#4高壓調(diào)節(jié)汽閥經(jīng)常性開啟、關(guān)閉，使得閥芯與閥座經(jīng)常接觸撞擊，撞擊次數(shù)過多后，造成閥座密封面損傷。

2.4 閥門線性試驗的影響

機組啟動前，對汽輪機高、中壓調(diào)節(jié)汽閥進(jìn)行全開、全關(guān)試驗，閥門有一個全程的開閉過程，會使閥芯與閥座受到較大的沖擊力，可能會造成閥座密封面損傷。

2.5 閥座裂紋分析

2.5.1 金相檢驗

在開裂閥座接觸密封面上(即裂紋附近)取樣進(jìn)行金相檢驗，取試樣鑲嵌打磨拋光，腐蝕后置于Carl Zeiss Axio Observer倒置型研究級倒置式金相顯微鏡下觀察其狀態(tài)。相關(guān)金相組織見圖2所示。

從圖2中可以看出，該裂紋沿閥座基材與堆焊層熔合線位置開裂，堆焊層中還存在有一些微裂紋，堆焊層金相組織為樹枝狀晶，奧氏體組織，基材組織為回火馬氏體組織。

(a)12.5× (b)50×

(c)100× (d)200×

(e)200×

2.5.2 硬度檢驗

采用布氏硬度計在金相試樣表面進(jìn)行硬度試驗。試驗條件：負(fù)荷187.5 kgf、鋼球直徑2.5 mm、負(fù)荷保持時間15 s，每組試樣測試三次，試樣結(jié)果取其平均值，試驗結(jié)果見表1。

妊娠期糖尿病是產(chǎn)科常見且常見的疾病。它具有復(fù)雜的發(fā)病機制，可能與遺傳因素，胰島素抵抗等有關(guān)。有多尿癥，多食癥和煩渴癥的癥狀，它不僅危害患者的健康，而且是導(dǎo)致圍產(chǎn)期死亡的重要因素[2]。目前，妊娠期糖尿病發(fā)病率每一年均在增加，對母嬰健康產(chǎn)生危害，增加了產(chǎn)婦分娩的風(fēng)險。各種并發(fā)癥的發(fā)生率已引起各國醫(yī)療機構(gòu)的關(guān)注。在這個階段，許多妊娠期糖尿病患者不了解這種疾病的基本情況和護(hù)理要點。產(chǎn)婦自己無法調(diào)整自己的情緒，心理負(fù)擔(dān)過重，也無法獨立監(jiān)測自己的血糖。

表1 試樣的硬度檢測結(jié)果

從表中可以看出，該閥座基材的硬度值為214.84 HBW，堆焊層的硬度值為458.38 HBW。

2.6 分析

該閥座基材為回火馬氏體組織，堆焊層為樹枝狀晶，奧氏體組織；閥座基材的硬度值為214.84 HBW，堆焊層的硬度值為458.38 HBW。閥座基材與堆焊層的金相組織和硬度值未見異常，沿閥座基材與堆焊層焊縫熔合線位置處發(fā)生開裂。

閥碟與閥座通過司太立堆焊層接觸，運行時負(fù)荷波動大，高壓調(diào)節(jié)汽閥頻繁開啟和關(guān)閉，閥芯對閥座有很大的沖擊力，在沖擊載荷的作用下，高硬度區(qū)域產(chǎn)生裂紋，在應(yīng)力的誘導(dǎo)下，裂紋沿著司太立合金和基材結(jié)合處不斷擴散，形成大裂紋。

3 處理過程

3.1 準(zhǔn)備工作

1)解體需更換的高壓調(diào)節(jié)汽閥，取出閥芯件，并制作封堵物對高壓主汽閥底部管道進(jìn)行封堵。

2)拆除高壓調(diào)節(jié)汽閥外部保溫，暴露閥座對應(yīng)外部區(qū)域。

3)在高壓調(diào)節(jié)汽閥閥殼外部搭建腳手架及木板、滿足人員站立需求。

3.2 高壓主汽調(diào)閥閥座更換

1)打磨去除高壓主汽調(diào)閥座斂縫部分。

2)將新底板的20 mm坡口朝上，并與閥座拆卸工具連桿組合后安裝到位。

3)連桿頂部用手拉葫蘆拉緊、千斤頂受力后，使用手保焊將底板與閥座整圈堆焊固定。焊材選用J507焊條，焊前表面清理并預(yù)熱至200～250 ℃，焊接電流80～160 A。

3.3 閥座拆卸

2)對閥殼外部的閥座過盈安裝，對應(yīng)區(qū)域進(jìn)行均勻火焰加熱，加熱時應(yīng)互相配合、不斷移動加熱位置，不可將火焰長時間停留于一點。

3)加熱過程中應(yīng)注意干冰消耗情況，并及時添加。

4)待測溫槍監(jiān)測閥殼外壁溫度均勻加熱至200 ℃以上后，同步操作兩千斤頂，頂起工裝頂板，每頂起一段距離后，拉緊葫蘆，旋松下螺母，泄壓千斤頂，旋緊上螺母，再同步頂起兩千斤頂，直至閥座脫出閥殼內(nèi)孔。

5)吊出閥座、封堵下部管口。

3.4 數(shù)據(jù)測量

1)使用內(nèi)徑千分尺或加長搖表，測量閥殼內(nèi)的閥座安裝孔直徑尺寸。

2)如內(nèi)孔存在較多氧化皮，影響測量精度，應(yīng)進(jìn)行打磨處理；同時檢查閥殼內(nèi)孔是否存在貫穿性劃痕等缺陷。

3)測量時應(yīng)沿垂直方向至少測量A、B兩個區(qū)域的直徑數(shù)據(jù)，每個區(qū)域至少測量4個方位，從而保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

3.5 新閥座安裝

1)清理新閥座，檢查閥座外徑尺寸，應(yīng)與閥殼內(nèi)孔滿足(0.16～24 mm)安裝過盈量要求。

2)對閥座接觸帶進(jìn)行PT探傷檢查，無裂紋顯示。

3)干冰熏冷閥座、火焰加熱閥殼至少60 min后，使用閥座吊裝工具將新閥座安裝到位。

4 預(yù)防措施

1)運行中，控制負(fù)荷的波動幅度，提前通過滑壓偏置，控制#3、#4高壓調(diào)節(jié)汽閥的開度，盡量降低閥門的關(guān)閉次數(shù)。

2)機組停運后，盡量減少高壓主汽閥及高壓調(diào)節(jié)汽閥的全行程開閉次數(shù)。

3)負(fù)荷低于30%BMCR時，及時將汽輪機由順序閥切為單閥運行，防止高、中壓調(diào)節(jié)汽閥頻繁開關(guān)。

4)定期進(jìn)行汽輪機高、中壓主汽閥和高、中壓調(diào)節(jié)汽閥嚴(yán)密性試驗，檢查閥門的嚴(yán)密性，試驗不合格時，對閥門進(jìn)行解體檢查。

5)機組大修時，對高中壓主汽閥和高、中壓調(diào)節(jié)汽閥進(jìn)行解體檢查，及時處理閥芯、閥座的缺陷，避免缺陷擴大，影響機組安全運行。

5 結(jié)語

該汽輪機高壓調(diào)節(jié)汽閥閥座堆焊層開裂是由于其熔合線區(qū)域應(yīng)力集中，在長期負(fù)荷波動較大的工況運行條件下發(fā)生的。在采取文中所述的預(yù)防措施后，沒有出現(xiàn)閥座密封面裂紋、脫落等類似現(xiàn)象。為今后同類型機組汽輪機高壓調(diào)節(jié)汽閥閥座密封面堆焊層裂紋缺陷的預(yù)防和治理提供了經(jīng)驗和借鑒。