650 MW核電汽輪機(jī)高壓缸外缸貫穿性裂紋處理

劉 偉，張興田，趙冬冬，黃少華

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興 314000)

0 引言

某核電廠4臺(tái)650 MW核電汽輪機(jī)系國(guó)產(chǎn)的HN650-6.41型核電凝汽式汽輪機(jī)，單軸四缸六排汽，包括1臺(tái)高壓缸和3臺(tái)低壓缸，帶中間2臺(tái)汽水分離再熱器。高壓缸為雙層結(jié)構(gòu)，由高壓外缸和高壓內(nèi)缸組成，均為合金鋼鑄件，材料選用抗腐蝕性能較強(qiáng)的ZG15Cr2Mo1，可以保證壽命期內(nèi)不需補(bǔ)焊。

高壓缸通流為雙分流對(duì)稱分布，高壓轉(zhuǎn)子安裝有正反各7級(jí)葉片，相應(yīng)的靜葉則由正反各3個(gè)隔板套組成。其中1級(jí)隔板套安裝于高壓內(nèi)缸上，2，3級(jí)隔板套安裝于高壓外缸上。高壓缸閥前的新蒸汽參數(shù)為：壓力6.41 MPa、溫度279.9 ℃、濕度5 %。通過(guò)高壓轉(zhuǎn)子做功后的排汽參數(shù)為：壓力1.03 MPa、溫度181.4 ℃、濕度12.7 %。高壓內(nèi)缸和隔板套的結(jié)構(gòu)布置使高壓外缸劃分為3段不同的承壓區(qū)域，如圖1所示。

1 缺陷介紹

1.1 缺陷產(chǎn)生

該核電廠4號(hào)機(jī)組于2012年1月投入商業(yè)運(yùn)行，之后于2013年和2014年年初分別進(jìn)行了2次換料大修。2014年4月初，4號(hào)機(jī)組在某次小修再次啟動(dòng)后，首次發(fā)現(xiàn)高壓缸底部保溫層滴水。

2014-06-28，4號(hào)機(jī)組執(zhí)行汽輪機(jī)調(diào)門試驗(yàn)(試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組降至50 %額定功率運(yùn)行)，試驗(yàn)結(jié)束后機(jī)組升功率過(guò)程中，高壓缸底部漏水量有增大趨勢(shì)，并且排汽口的保溫層也明顯滲出水跡，懷疑漏水來(lái)自該處法蘭漏汽。

2014-09-07，4號(hào)機(jī)組再次進(jìn)行調(diào)門試驗(yàn)，9月9日試驗(yàn)結(jié)束后提升功率，9月10日凌晨發(fā)現(xiàn)高壓缸調(diào)端靠左側(cè)(從汽輪機(jī)往發(fā)電機(jī)看)的保溫層出現(xiàn)直徑約1 cm的小孔并噴出蒸汽。9月11日，拆開漏汽部位保溫層后發(fā)現(xiàn)，高壓外缸上缸體出現(xiàn)長(zhǎng)約90 mm的貫穿性裂紋，裂紋沿豎直方向經(jīng)2處轉(zhuǎn)折，蒸汽通過(guò)裂紋持續(xù)噴出。根據(jù)圖1的高壓外缸承壓分布，裂紋區(qū)域蒸汽壓力1.03 MPa、溫度181.4 ℃、濕度12.7 %，該部位的缸壁設(shè)計(jì)厚度為80 mm。

圖1 高壓外缸承壓分布

1.2 缺陷分析

鑒于機(jī)組正在滿功率運(yùn)行，無(wú)法進(jìn)入缸內(nèi)檢查，根據(jù)缺陷產(chǎn)生的部位和裂紋形式，分析認(rèn)為產(chǎn)生缸體裂紋的原因可能有以下2點(diǎn)。

(1) 高壓外缸體內(nèi)部鑄造缺陷萌生并逐漸擴(kuò)展成貫穿性裂紋。4號(hào)機(jī)組首次大修期間(2013年1—3月)，對(duì)高壓外缸上缸內(nèi)壁進(jìn)行目視檢查，發(fā)現(xiàn)缸體內(nèi)表面存在夾雜、砂眼、肉瘤、缺肉等共30處缺陷。對(duì)缺陷進(jìn)行打磨補(bǔ)焊處理，經(jīng)滲透檢測(cè)(penetration testing，PT)檢查合格；但目視和PT均為表面檢查，不能檢出高壓外缸缸體的內(nèi)部缺陷，例如常見的縮松、裂紋、夾渣、夾砂、鑄造應(yīng)力等缺陷。

(2) 高壓外缸支撐桿與外缸壁的焊縫部位產(chǎn)生裂紋。為增強(qiáng)高壓外缸缸體強(qiáng)度，高壓外缸內(nèi)部2端各裝有6根支撐桿，每端左右2側(cè)各對(duì)稱布置3根。支撐桿與高壓外缸同材質(zhì)，均為ZG15Cr2Mo1，長(zhǎng)980 mm，直徑90 mm。

支撐桿在外缸體完成翻砂鑄造后再進(jìn)行裝配。首先對(duì)擬安裝支撐桿的外缸壁加工Φ90.5的通孔，然后將支撐桿裝入通孔，內(nèi)端通過(guò)螺紋與外缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相連接，外端與外缸體外壁齊平并焊接，支撐桿布置如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)裂紋定位，裂紋可能位于高壓缸調(diào)端海側(cè)的第2根支撐桿與外缸壁焊縫處。

圖2 支撐桿布置

1.3 安全評(píng)價(jià)

按照計(jì)劃，4號(hào)機(jī)組將于2015年1月進(jìn)行換料大修，距離發(fā)現(xiàn)裂紋還有近4個(gè)月的時(shí)間。對(duì)于高壓缸是否能在接下來(lái)的4個(gè)月時(shí)間內(nèi)安全運(yùn)行，經(jīng)過(guò)多方討論，形成以下意見。

(1) 對(duì)于金屬構(gòu)件，主要有漸進(jìn)性變形(載荷超過(guò)Rp0.2——規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度)、過(guò)度變形(載荷達(dá)到某一極限導(dǎo)致的變形無(wú)限制增大)、塑性失穩(wěn)(壁厚減薄所致)、疲勞(漸進(jìn)性開裂)和快速斷裂(脆斷)等5種失效模式。高壓外缸材質(zhì)為低合金珠光體耐熱鋼(ZG15Cr2Mo1)，室溫Rp0.2不小于275 MPa，高壓外缸缺陷部位工作在塑性溫區(qū)(1.03 MPa，181.4 ℃工況下ZG15Cr2Mo1脆性轉(zhuǎn)變溫度為38.7 ℃)，在缸體裂紋處工作條件下的失效模式為疲勞(漸進(jìn)性開裂)，即疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的疲勞累計(jì)損傷過(guò)程，發(fā)生脆性開裂及瞬間失穩(wěn)的可能性較小。

(2) 根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展理論和工程經(jīng)驗(yàn)，疲勞裂紋主要在交變應(yīng)力(溫度循環(huán)和應(yīng)力循環(huán)所致)作用下擴(kuò)展。在交變的拉、壓應(yīng)力作用下，裂紋相應(yīng)經(jīng)歷銳化、鈍化過(guò)程，每交變1次，裂紋深度增加1個(gè)Δα。運(yùn)行穩(wěn)定載荷(常數(shù)值應(yīng)力)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響有限。裂紋縫隙的漏汽(蒸汽流)也可能對(duì)現(xiàn)有裂紋尖端起到一定的鈍化作用。在運(yùn)行參數(shù)相對(duì)較低的情況下，交變應(yīng)力的幅值較小。因此，判斷不會(huì)發(fā)生快速斷裂。

(3) 根據(jù)高壓外缸缸體結(jié)構(gòu)及裂紋位置(壁厚均勻且無(wú)配合密封面)，即使缸體裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，也不會(huì)造成無(wú)法修復(fù)的情況發(fā)生。

1.4 監(jiān)督運(yùn)行

根據(jù)以上意見，4號(hào)機(jī)組高壓缸進(jìn)入監(jiān)督運(yùn)行狀態(tài)，繼續(xù)維持滿功率運(yùn)行，同時(shí)采取以下操作。

(1) 為進(jìn)一步限制溫度循環(huán)和壓力循環(huán)所致的交變應(yīng)力的幅值，4號(hào)機(jī)組不參與節(jié)日期間電網(wǎng)升降負(fù)荷調(diào)峰，退出一次調(diào)頻。

(2) 鑒于調(diào)門狀態(tài)良好，為減小交變應(yīng)力幅值較大的疲勞循環(huán)次數(shù)，在距離停機(jī)大修的近4個(gè)月內(nèi)不再安排調(diào)門試驗(yàn)。

(3) 主控操作員加強(qiáng)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)視，重點(diǎn)監(jiān)督軸承振動(dòng)、缸體差脹、軸承金屬溫度等運(yùn)行參數(shù)是否出現(xiàn)異常變化。

(4) 為防止高壓缸裂紋漏汽突然增大，蒸汽漏入汽輪機(jī)前軸承箱而導(dǎo)致潤(rùn)滑油乳化，將汽輪機(jī)潤(rùn)滑油主油箱負(fù)壓在控制范圍內(nèi)由-700 Pa調(diào)低至-430 Pa，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)潤(rùn)滑油油質(zhì)化驗(yàn)的頻率。

(5) 設(shè)計(jì)專用工裝將泄漏蒸汽引導(dǎo)至帶液位顯示的集水槽內(nèi)，通過(guò)觀察積水量變化來(lái)判斷裂紋發(fā)展趨勢(shì)。使用3 mm厚的不銹鋼板制作導(dǎo)流工裝和帶排水閥的集水槽，要求導(dǎo)流工裝的配合面規(guī)整，安裝導(dǎo)流工裝時(shí)使其盡量與外缸壁貼合，并使用鋼絲對(duì)導(dǎo)流工裝進(jìn)行綁定;確認(rèn)牢靠后覆蓋保溫層，再次用鋼絲將保溫層進(jìn)行固定，最后涂抹石膏層。導(dǎo)流工裝示意如圖3所示。導(dǎo)流工裝安裝后，高壓缸漏汽基本都被收集至集水槽內(nèi)，由專人每天將排水閥關(guān)閉1 h，監(jiān)測(cè)收集到的漏水量，測(cè)量導(dǎo)流工裝的溫度，完成后再打開排水閥;根據(jù)漏水量和溫度等數(shù)據(jù)掌握裂紋發(fā)展趨勢(shì)。

圖3 導(dǎo)流工裝示意

通過(guò)近4個(gè)月對(duì)高壓缸漏水量的連續(xù)監(jiān)測(cè)，直至大修停機(jī)前，高壓缸漏水量穩(wěn)定在34 L/h左右，高壓缸裂紋也沒有明顯擴(kuò)展。

2 處理方案準(zhǔn)備與仿真分析

2.1 處理方案準(zhǔn)備

處理方案主要按照停機(jī)檢查裂紋、機(jī)械打磨裂紋、焊接修復(fù)裂紋和焊后無(wú)損檢查的順序進(jìn)行。首先采用機(jī)械方法(角磨機(jī)打磨等方法)打磨裂紋，邊打磨邊觀察(采用滲透探傷檢查缺陷)，直至裂紋缺陷全部消除。然后根據(jù)DL/T 753—2001《汽輪機(jī)鑄鋼件補(bǔ)焊技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求，采用機(jī)械打磨方式制備U型坡口。焊材選用ENiCrFe-3焊條(Φ2.5)、ERNiCr-3(Φ1.6)，經(jīng)過(guò)350 ℃，2 h烘干。焊前采用火焰預(yù)熱，坡口及其周圍150 mm范圍內(nèi)溫度必須在100—150 ℃。焊接方法為手工氬弧焊打底。手工電弧焊填充，焊接工藝參數(shù)如表1所示。焊后檢查采用機(jī)械打磨方式，對(duì)焊接修復(fù)后的焊縫進(jìn)行表面打磨，去除焊縫余高，利用液體滲透檢驗(yàn)方法對(duì)修復(fù)后的焊縫及其周圍母材進(jìn)行檢驗(yàn)。若發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，應(yīng)及時(shí)打磨去除缺陷，重新焊接，直至全部合格。

2.2 有限元仿真

為分析焊接修復(fù)工作對(duì)高壓缸缸體產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力分布，采用有限元建模和熱源加載方法進(jìn)行仿真計(jì)算。溫度場(chǎng)分析及位移場(chǎng)分析采用直接耦合的方法進(jìn)行，缸體單元采用熱力耦合單元。在焊縫位置及孔的位置單元尺寸較小，約1—2 mm，其他位置為20—50 mm，節(jié)點(diǎn)規(guī)模約10萬(wàn)個(gè)，高壓外缸有限元模型如圖4所示。

圖4 高壓外缸有限元模型

焊接時(shí)殼體內(nèi)的溫度場(chǎng)非常不均勻，焊道內(nèi)的壓縮塑性變形必然導(dǎo)致殼體在焊完后出現(xiàn)殘余變形。焊后殘余相對(duì)位移

其中：ux，uy，uz分別為 X(軸向)、Y(豎直)、Z(橫向)方向的位移。為降低焊接變形，采用分段焊、控制層間溫度的方法，模擬了焊道長(zhǎng)度為70 mm情況下，打底焊+填充焊的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)。由于分段焊焊道短，總的熱輸入累積效果小，因此將產(chǎn)生較小的位移和變形，這種控制變形的方法廣泛地應(yīng)用于焊接變形控制技術(shù)。分段焊后的相對(duì)位移顯示是在焊接區(qū)的位移值較高，最大位移值為0.26 mm

除焊縫以外，焊接修復(fù)產(chǎn)生的最大位移在汽缸外軸封處；而位移最易造成漏汽的是軸封處缸體中分面的豎直方向變形，因?yàn)榇颂幾冃芜^(guò)大將直接導(dǎo)致缸體中分面間隙過(guò)大而漏汽。通過(guò)有限元仿真計(jì)算出缸體中分面的豎直方向變形量，最大位移為0.12 mm，可以通過(guò)調(diào)整螺栓預(yù)緊力消除此間隙。

表1 焊接修復(fù)工藝參數(shù)

3 缺陷處理

4號(hào)機(jī)組于2015年1月初進(jìn)行換料大修，停機(jī)后確認(rèn)裂紋處于高壓缸支撐桿及支撐桿焊縫區(qū)域，判斷裂紋起源于缸體內(nèi)部支撐桿與缸體焊縫根部，并向外擴(kuò)展至支撐桿與缸體母材。高壓外缸吊出后開始對(duì)裂紋進(jìn)行打磨，打磨過(guò)程中發(fā)現(xiàn)裂紋已由縱向向橫向延伸，其中縱向最大打磨長(zhǎng)度約190 mm，最大寬度約65 mm，深度約50 mm，基本已位于支撐桿焊縫根部位置，但缸體部分仍有裂紋缺陷存在；橫向打磨長(zhǎng)度約165 mm，寬度約51 mm，深度約50 mm，也還有缺陷存在。裂紋打磨如圖5所示。

將高壓外缸吊回，檢查、記錄中分面間隙(未安裝中分面螺栓)，整圈中分面間隙全部記錄后將高壓缸再次吊出，對(duì)高壓缸其他支撐桿缸體外表面部位進(jìn)行金相檢查時(shí)意外發(fā)現(xiàn)，2根支撐桿所在區(qū)域的缸體外表面有缺陷存在，分別是調(diào)端海側(cè)第1根和電端海側(cè)第2根支撐桿。缺陷如圖6所示。從調(diào)端海側(cè)第1根開始編號(hào)，3根存在裂紋缺陷的支撐桿編號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)和8號(hào)。

圖5 裂紋打磨照片

新發(fā)現(xiàn)的缺陷導(dǎo)致高壓缸裂紋處理的工作量進(jìn)一步增大，為了確保在大修工期內(nèi)保質(zhì)保量完成裂紋處理工作，立即引入專業(yè)機(jī)械加工技術(shù)人員和設(shè)備。先在需修復(fù)的支撐桿外圍鎳基冷焊1塊帶中間孔的圓板，再將氣動(dòng)式鏜床固定于圓板上，對(duì)支持桿焊縫進(jìn)行機(jī)械挖除和打坡口。這樣大大縮短了工期，提高了修復(fù)質(zhì)量。

圖6 共模缺陷

1號(hào)、2號(hào)和8號(hào)支撐桿焊縫挖除和坡口修磨工作結(jié)束后，轉(zhuǎn)入焊接修復(fù)工序。焊接前，在高壓缸2端各架設(shè)3塊百分表，在修復(fù)區(qū)域的缸體近端密封面和遠(yuǎn)端密封面，各自對(duì)稱布置2只百分表監(jiān)測(cè)缸體縱向形變；在調(diào)端缸體側(cè)面選擇2處平整的立面，各自布置1只百分表監(jiān)測(cè)缸體橫向形變，檢查確認(rèn)百分表固定可靠讀數(shù)調(diào)零。焊接預(yù)熱達(dá)到焊接工藝要求的溫度后開始進(jìn)行焊接修復(fù)，氬弧焊打底后進(jìn)行手弧填充焊接，每隔約12 mm的層間進(jìn)行PT滲透檢測(cè)檢查，每隔1 h記錄1次百分表讀數(shù)，百分表讀數(shù)變化較大時(shí)停止焊接。

高壓缸所有支撐桿部位缺陷均焊接修復(fù)完成后(48 h后PT合格)，將高壓缸第2次扣回檢查中分面間隙。百分表監(jiān)測(cè)焊接完成后的缸體最大變形量為0.22 mm，分別為焊接修復(fù)處的近端縱向變形和調(diào)端的遠(yuǎn)端縱向變形。第2次扣回后的中分面間隙在電端陸側(cè)軸封處變大(由0.20 mm增加至0.25 mm)，在調(diào)端海側(cè)軸封處變小(由0.25 mm減小至0.10 mm)。最終焊接修復(fù)完成，如圖7所示。至此，4號(hào)機(jī)組高壓缸裂紋修復(fù)工作結(jié)束。

圖7 裂紋修復(fù)完成效果

4 結(jié)束語(yǔ)

4號(hào)機(jī)組高壓外缸貫穿性裂紋修復(fù)后至今，無(wú)論是缸體中分面還是支撐桿部位，再未出現(xiàn)任何漏汽問(wèn)題，證明裂紋處理的前期準(zhǔn)備和現(xiàn)場(chǎng)處理工作及時(shí)、有效。通過(guò)引入專業(yè)機(jī)械加工技術(shù)和設(shè)備對(duì)支撐桿焊縫進(jìn)行挖除和打坡口，大大縮短了工期，提高了修復(fù)質(zhì)量，為后續(xù)處理此類缺陷積累了經(jīng)驗(yàn)。