E級燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組主汽調(diào)節(jié)閥裂紋修復(fù)分析

佛山市福能發(fā)電有限公司 沈季雄 鄧雪軍 李銘潼

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在國內(nèi)較多運(yùn)行于調(diào)峰模式，疲勞缺陷易發(fā)、多發(fā)，需要經(jīng)常維修。在主汽閥、調(diào)節(jié)閥等關(guān)鍵設(shè)備上，疲勞缺陷一般以疲勞裂紋形式出現(xiàn)在閥座密封面及其附近位置，每次計(jì)劃檢修都會(huì)對此做出必要的檢查和維修，迄今已積累了豐富經(jīng)驗(yàn)和成熟技術(shù)，機(jī)器人自動(dòng)焊接技術(shù)也有探索并成功應(yīng)用[1-4]。E級聯(lián)合循環(huán)機(jī)組是較早引進(jìn)國內(nèi)用于調(diào)峰的機(jī)組，主汽調(diào)節(jié)閥的疲勞裂紋及其修復(fù)主要集中在閥座密封面處，閥體底部蒸汽分流處的缺陷較少見，目前未見同類機(jī)組的修復(fù)實(shí)踐，本文介紹該處疲勞裂紋的一次不成功修復(fù)實(shí)踐及其經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

1 設(shè)備概況

某電廠9E聯(lián)合循環(huán)機(jī)組以調(diào)峰方式運(yùn)行，年均運(yùn)行2500h左右，啟停150余次。每臺(tái)機(jī)組配套1臺(tái)哈爾濱汽輪機(jī)廠有限公司的N60-5.6/0.56/527/255型汽輪機(jī)，雙壓、單軸、單缸、沖動(dòng)、凝汽式，入口蒸汽參數(shù)為527℃，5.6MPa。每臺(tái)汽輪機(jī)配套1臺(tái)主汽調(diào)節(jié)閥，外觀如圖1所示，左側(cè)為主汽閥，右側(cè)為調(diào)節(jié)閥，兩閥的閥殼鑄為一體，閥殼材質(zhì)為ZG20CrMoV。主汽調(diào)節(jié)閥安裝于汽輪機(jī)頭部軸中心線上，主汽閥為臥式布置，調(diào)節(jié)閥為立式布置。閥體水平方向上鑄有四個(gè)支腳，靠此支撐在剛性座架上，整個(gè)閥門受熱膨脹時(shí)以其中一個(gè)腳為死點(diǎn)，其余三個(gè)腳可在平面內(nèi)滑動(dòng)。

圖1 主汽調(diào)節(jié)閥外觀

調(diào)節(jié)閥閥體剖面示意圖如圖2所示，是調(diào)峰機(jī)組上不常見的異形、緊湊結(jié)構(gòu)。其中，閥體設(shè)計(jì)厚度為60mm；閥蓋配合面處內(nèi)徑為φ440mm；與閥座配合處內(nèi)徑為φ356mm，裝配好閥座后該處內(nèi)徑縮小為φ220mm；蒸汽分流處位于閥體內(nèi)壁襠部頂點(diǎn)，從閥蓋配合面至該處的高度約為1225mm。

圖2 主汽調(diào)節(jié)閥之調(diào)節(jié)閥閥體剖面示意圖

2 裂紋缺陷及修復(fù)方案

機(jī)組第二次大修例行檢查時(shí)，在主汽調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)閥內(nèi)壁蒸汽分流處首次發(fā)現(xiàn)肉眼可見的疲勞裂紋，長度約300mm，深度未知，如圖3所示。閥體外表面對應(yīng)區(qū)域滲透探傷未見裂紋缺陷，如圖4所示。截至發(fā)現(xiàn)缺陷時(shí)，機(jī)組已累計(jì)運(yùn)行34000h左右、1700余次啟停。同期檢查相同工況、相近運(yùn)行時(shí)長的另一臺(tái)機(jī)組，同樣位置沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖3 調(diào)節(jié)閥內(nèi)壁蒸汽分流處裂紋

圖4 調(diào)節(jié)閥外壁對應(yīng)區(qū)域滲透探傷

從閥門的結(jié)構(gòu)上看，由于缺陷所在位置的閥體結(jié)構(gòu)異形，目前無法使用自動(dòng)化焊接設(shè)備來修復(fù)，只能靠人工焊接。從閥門的材質(zhì)來看，閥體ZG20CrMoV的焊接性能較差，對熱處理冷卻速度敏感，而缺陷處異形結(jié)構(gòu)使熱處理精確控制困難，現(xiàn)場修復(fù)只能通過“冷焊”方式來實(shí)現(xiàn)，即通過焊材本身的特性、控制層間溫度、合理布置焊接順序、焊后錘擊等手段控制焊接變形，完成修復(fù)。考慮以上兩個(gè)因素，并參考多種修復(fù)實(shí)踐[5-6]，本閥門的裂紋修復(fù)擬采取如下方案。

2.1 裂紋去除和坡口準(zhǔn)備

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，采用旋轉(zhuǎn)銼最小量去除缺陷。首先，采用旋轉(zhuǎn)銼沿裂紋擴(kuò)展方向，逐漸尋找裂紋的端頭，直到找到所有裂紋處的端頭為止。尋找到裂紋端頭后，從裂紋端頭處逐漸向裂紋中間區(qū)域打磨去肉使裂紋長度逐漸變短，直至裂紋全部清除為止，最后修磨坡口至便于焊接。整個(gè)打磨消缺過程中，隨時(shí)采用滲透探傷方式跟蹤裂紋情況，如發(fā)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展，及時(shí)采用Φ5-Φ8合金鉆頭打止裂孔，防止裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。消缺完成后，采用滲透探傷方法檢查待焊接區(qū)域，確保裂紋去除干凈。同時(shí)，將坡口附近50mm周圍區(qū)域打磨露出金屬光澤。坡口形狀不可有急劇變化。

2.2 焊前清理

先用鋼絲刷清除坡口內(nèi)部及附近油污與銹跡，再用白綢布或棉布蘸酒精或丙酮清潔焊補(bǔ)區(qū)及周圍區(qū)域至少200mm范圍，去除油、脂等雜物。清潔范圍應(yīng)足夠大，避免焊接時(shí)有污染物流進(jìn)焊縫，影響焊接質(zhì)量。

2.3 焊前預(yù)熱

焊接敷焊層前進(jìn)行，不焊接敷焊層則不預(yù)熱。焊補(bǔ)預(yù)熱150～200℃，氧乙炔火焰均勻加熱。采用紅外測溫儀或接觸式測溫儀測量待焊坡口內(nèi)表面及坡口面滿足預(yù)熱溫度要求后，方可施焊。

2.4 補(bǔ)焊

根基現(xiàn)場的實(shí)際消缺深度來確定是否進(jìn)行敷焊，裂紋深度在10mm以下不需執(zhí)行2.4.1，從2.4.2開始，若超過10mm，則要考慮2.4.1，若深度達(dá)到20mm左右則要先進(jìn)行敷焊，即必須從2.4.1開始執(zhí)行。

2.4.1 敷焊層焊接

采用沿整個(gè)坡口表面敷焊，敷焊層厚度3～5mm。為控制焊接變形及減少熱輸入量和熱影響區(qū)，焊接時(shí)在保證熔接良好情況下盡量采用小電流焊接。敷焊時(shí)采用連續(xù)焊，后焊道壓先焊道1/3左右。收弧時(shí)應(yīng)將弧坑填滿，每焊一道都應(yīng)仔細(xì)清理熔渣，檢查焊道，不應(yīng)有裂紋、未熔合、夾渣等缺陷，如有上述缺陷，應(yīng)清除后重新焊接，保證層間溫度不小于150℃。敷焊層焊完后用保溫石棉覆蓋保溫緩冷，冷卻至60℃以下進(jìn)行正式焊接。焊接過程中要求利用耐火材料對精加工表面進(jìn)行保護(hù)，防止焊接飛濺對工件的損傷。焊條使用前按使用說明書進(jìn)行烘干，使用時(shí)存放在保溫桶內(nèi)隨用隨取。

焊接參數(shù)如下：焊接材料選用ENiCrFe-1，規(guī)格Φ3.2，電流為80～110A。

2.4.2 填充焊接

敷焊后，在工件溫度低于60℃時(shí)施焊，為控制焊接變形及減少熱輸入量和熱影響區(qū)，焊接時(shí)在保證熔接良好情況下盡量采用小電流焊接。整個(gè)焊接過程中道間溫度≤60℃，為進(jìn)一步減少應(yīng)力和變形，應(yīng)采用多層多道的焊接方法，焊條不擺動(dòng)，施焊時(shí)層與層之間應(yīng)橫縱向交替壓道焊接，焊道采用分段退焊的方法，后焊道壓先焊道1/3左右，收弧時(shí)應(yīng)將弧坑填滿。每焊接一層后立即采用錘擊方法減少應(yīng)力，錘時(shí)應(yīng)先錘擊焊道中部，后擊兩側(cè)，并要緊湊整齊，避免重復(fù)。每焊一層都應(yīng)仔細(xì)清理熔渣，檢查焊道，不應(yīng)有裂紋、未熔合、夾渣等缺陷，如有上述缺陷，應(yīng)清除后重新焊接。

焊接參數(shù)如下：焊接材料選用ENiCrFe-1，規(guī)格φ3.2或φ4.0；電流為80～110A（φ3.2焊條），120-160A（φ4.0焊條）。

2.5 清磨

焊后打磨焊縫及周圍區(qū)域，去除熔渣、焊瘤、飛濺物，并使焊縫向本體圓滑過渡。

2.6 完工檢查

焊后對焊縫進(jìn)行射線探傷，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為NB/T47013等級II；焊縫表面進(jìn)行滲透探傷，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為NB/T47013等級Ⅰ。

3 實(shí)施結(jié)果

對于該缺陷，沒有同類機(jī)組的修復(fù)經(jīng)驗(yàn)可供參考，上述修復(fù)方案雖然是針對閥門結(jié)構(gòu)和閥體材質(zhì)實(shí)際提出的，并與設(shè)備廠家多次溝通完善，但在實(shí)際執(zhí)行中還是遇到了困難。

首先，閥體內(nèi)部的狹窄、細(xì)長結(jié)構(gòu)導(dǎo)致人工操作困難。如圖2所示，從閥口至裂紋處深達(dá)1225mm，中間要經(jīng)過閥座，閥座內(nèi)徑只有φ220mm（由于拆除帶有破壞性，閥座一般不取出，即使拆除閥座，該處內(nèi)徑也只有φ356mm），操作人員只能通過這樣緊湊空間去挖補(bǔ)，對技能和體力要求很高。例如裂紋挖除時(shí)，旋轉(zhuǎn)銼就只能綁在延長桿上操作，容易磨偏，還很耗時(shí)；焊接修復(fù)時(shí)，焊工只能在閥內(nèi)狹小空間操作，要求自身身材瘦小、體力較好、手臂較長、盲焊技能熟練，同時(shí)滿足這些條件實(shí)際很難，結(jié)果可想而知。

挖除裂紋時(shí)，當(dāng)挖到10mm左右深度，缺陷還沒有完全消除，考慮到現(xiàn)場的操作難度，決定不再繼續(xù)深挖，補(bǔ)焊直接從2.4.2往下執(zhí)行。因?yàn)槔^續(xù)深挖，要考慮敷焊層焊接，執(zhí)行2.4.1，操作難度會(huì)進(jìn)一步增大，修復(fù)質(zhì)量更難保證；而且，最終挖補(bǔ)深度過大可能在現(xiàn)場無法維修。

整個(gè)挖補(bǔ)階段耗時(shí)近一周，足見操作之困難，說明現(xiàn)役主汽調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)需要針對調(diào)峰工況適當(dāng)改進(jìn)，方便人工維修乃至機(jī)器人維修。調(diào)峰機(jī)組的疲勞缺陷難以避免，經(jīng)常維修是必需的，調(diào)節(jié)閥應(yīng)針對性地改變內(nèi)部狹窄、細(xì)長的結(jié)構(gòu)，方便人工維修；改變蒸汽分流處的異形結(jié)構(gòu)，以方便使用機(jī)器人維修，提高效率和質(zhì)量。

其次，閥體內(nèi)部發(fā)現(xiàn)大量鑄造缺陷與裂紋交織，繼續(xù)維修無價(jià)值。在按調(diào)整過的方案修復(fù)完工后，詳細(xì)檢查了缺陷修復(fù)區(qū)域。針對焊縫的表面滲透探傷未見缺陷，針對焊縫的射線探傷依據(jù)NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無損檢測第2部分：射線檢測》進(jìn)行，布片如圖5所示，發(fā)現(xiàn)了如下缺陷：

圖5 主汽調(diào)節(jié)閥之調(diào)節(jié)閥射線探傷布片位置示意圖

一是底部長度方向上，主裂紋貫穿底部，裂紋最寬處顯影約2mm。主裂紋附近可觀察到諸如夾渣、氣孔等鑄造缺陷，以及這些缺陷附近的大量裂紋，缺陷區(qū)域?qū)挾燃s30mm左右，長度與主裂紋長度相近；二是主裂紋端部B側(cè)（近主汽閥側(cè)）附近觀察到與主裂紋方向相同，且相互近似平行的多條裂紋區(qū)域，最長裂紋約40mm，裂紋區(qū)域?qū)挾燃s60mm；三是主裂紋端部A側(cè)附近觀察到大量鑄造缺陷，并且缺陷之間裂紋貫通連接。

原來計(jì)劃根據(jù)本次檢查結(jié)果來優(yōu)化修復(fù)方案，重新安排檢修窗口徹底處理這個(gè)缺陷。但是從射線探傷結(jié)果看，閥門不但有較多疲勞裂紋缺陷，還有大量鑄造缺陷；缺陷分布范圍廣，危險(xiǎn)程度高，如主裂紋長、張口寬、主裂紋周圍分布大量小裂紋、裂紋區(qū)域存在鑄造缺陷、鑄造缺陷之間已有裂紋連接等。在這樣復(fù)雜的狀態(tài)下繼續(xù)維修，閥體需要大面積的清除和挖補(bǔ)，現(xiàn)場修復(fù)的技術(shù)和技能要求都很高，而且修復(fù)時(shí)間長，費(fèi)用高，已經(jīng)不具備修復(fù)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

針對閥門硬度的檢查結(jié)果見表1，檢查點(diǎn)均布于焊縫周圍及閥體其他位置?？梢钥闯鲩y體硬度已接近于材料值下限，而ZG20CrMoV正常硬度處于140～201HB。工況相同、運(yùn)行時(shí)間接近的另一臺(tái)機(jī)組閥門沒有類似情況，硬度偏低與鑄造缺陷有關(guān)。

表1 主汽調(diào)節(jié)閥之調(diào)節(jié)閥硬度檢測結(jié)果（單位：HB）

從射線探傷和硬度檢測結(jié)果綜合來看，閥門繼續(xù)維修無價(jià)值，繼續(xù)運(yùn)行也存在較大風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡早更換。新閥門應(yīng)改進(jìn)材質(zhì)，選用比ZG20CrMoV鑄造性能好的材料，避免因鑄造缺陷造成提前報(bào)廢。

4 結(jié)論

現(xiàn)役主汽調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部細(xì)長、狹窄結(jié)構(gòu)，使得現(xiàn)場完全修復(fù)蒸汽分流處的裂紋缺陷較為困難；閥體內(nèi)部的大量鑄造缺陷，導(dǎo)致閥門繼續(xù)維修無價(jià)值，需提前報(bào)廢。為適應(yīng)調(diào)峰機(jī)組頻繁維修的需要，現(xiàn)役主汽調(diào)節(jié)閥在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上要適當(dāng)改進(jìn)，結(jié)構(gòu)上要方便人工乃至機(jī)器人操作，材質(zhì)上要選用比ZG20CrMoV鑄造性能好的材料。