滬產(chǎn)亞臨界600MW機組高壓主汽門(mén)閥座裂紋的分析及閥座更換處理

　　通過(guò)對廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司亞臨界600 MW5號機組1號高壓主汽門(mén)閥座裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,認為是其焊接后熱處理工藝不良導致缺陷形成。針對這個(gè)問(wèn)題,提出現場(chǎng)更換高壓主汽門(mén)閥座的處理措施,并從方案選擇、風(fēng)險評估、工期影響、處理技巧及工藝步驟等方面進(jìn)行探討。成功更換并試驗合格證實(shí)了現場(chǎng)處理高溫高壓運行部件的可行性。

　　廣東國華粵電臺山發(fā)電有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)臺山電廠(chǎng))5×600MW燃煤機組配置的汽輪機是上海汽輪機有限公司引進(jìn)美國西屋公司技術(shù)生產(chǎn)的亞臨界、一次中間再熱、四缸四排氣、單軸、凝汽式、N600-16.7/537/537型汽輪機。該機型高壓進(jìn)汽閥門(mén)，為一個(gè)高壓主汽門(mén)和兩個(gè)高壓調節汽門(mén)所構成的組件，主汽門(mén)為臥式布置，調節汽閥為立式布置。

　　高壓主汽門(mén)和調節汽閥，在高壓進(jìn)汽處提供了雙重保護。主汽門(mén)在停機或緊急事件時(shí)阻斷進(jìn)汽和在機組啟動(dòng)時(shí)用控制汽輪機升速的功能。主汽門(mén)靠液壓驅動(dòng)油動(dòng)機及杠桿開(kāi)啟，靠彈簧力迅速關(guān)閉。主汽門(mén)的主閥蝶為非平衡式，在主汽門(mén)控制切換至由調節汽門(mén)控制時(shí)，需關(guān)小后面的調節汽閥至一定程度，平衡壓差后，才能全開(kāi)主汽門(mén)。當鍋爐至汽輪機間的蒸汽管道需進(jìn)行水壓試驗時(shí)，主汽閥被當作截止閥使用。

圖1 主汽門(mén)閥座

　　國華臺電5號機組2006年11月投產(chǎn)，2008年1月31日停機，進(jìn)行安裝以來(lái)的首次檢查性大修。在解體檢查中發(fā)現1號高壓主汽門(mén)閥座密封線(xiàn)有一長(cháng)約30~的裂紋貫穿密封線(xiàn)，裂紋與密封線(xiàn)近乎垂直(見(jiàn)圖l)經(jīng)過(guò)檢查裂紋深度已經(jīng)穿透司太立硬質(zhì)合金層。主汽門(mén)閥座的材質(zhì)為12Cr2Mo，重量258Kg，閥口尺寸：Ф406.4±0.127mm，閥座最大直徑575mm，閥殼的材質(zhì)為ZG15Cr2Mol。

1、原因分析

　　高壓主汽門(mén)閥座基體材質(zhì)為12Cr2Mo，在閥座密封面上用Stellite J7111牌號焊條，氫弧焊，堆焊高度約為6-7mm，焊縫檢查合格后，分別采用車(chē)削及數控專(zhuān)用磨具磨制加工而成。加工后的steilite硬質(zhì)合金層厚度約為2~3mm。

　　眾所周知，stelite系列Co基合金，是著(zhù)名的高溫鉆基合金，具有優(yōu)良的高溫性能，優(yōu)異的熱強性，抗熱蝕性、耐磨性、韌性和抗冷熱疲勞性能及抗氧化能力。不同的stelite硬質(zhì)合金，雖然成分含量因牌號不同而差別較大，但含量區間約為：Cr為24.5～32.5%，W為3.5～11.5%，Co為50%～65%。正是因為其高合金含量，給焊接帶來(lái)極大的影響，實(shí)際焊接過(guò)程中，常出現硬質(zhì)合金層質(zhì)量不穩定，裂紋、氣孔甚至工件損壞;焊接的質(zhì)量直接取決于焊前的熱處理，焊中的焊接溫度控制及焊后的熱處理。如果其中任何一個(gè)環(huán)節控制不良，都有可能導致裂紋和氣孔的發(fā)生。

　　國華臺電5號機組l號高壓主汽門(mén)正是因為焊后的熱處理工藝不良和在機組變負荷運行及啟停過(guò)程中的交變熱應力沖擊，在殘余應力釋放的主導下，微小缺陷形成并迅速擴展為長(cháng)達30mm的線(xiàn)性裂紋。

2、方案確定

　　為了保證機組報電網(wǎng)備用后的安全穩定運行，防范高壓主汽門(mén)門(mén)座裂紋沿凡爾線(xiàn)周向擴展而出現硬質(zhì)合金層脫落，引起主汽門(mén)關(guān)閉不嚴，甚至引發(fā)機組超速的惡性事件發(fā)生，在與制造廠(chǎng)的充分溝通下，決定利用大修的機會(huì )徹底處理裂紋。根據現場(chǎng)施工條件和難度、處理工藝的成熟度、機組的安全運行的可靠性要求、大修工期的限制，制定了如下三種方案。

2.1、三種方案

　　方案一、割除高壓聯(lián)合汽門(mén)的所有連接管道，將高壓主汽閥運輸回上海汽輪機有限公司，由上海汽輪機有限公司按照新出廠(chǎng)標準進(jìn)行加工，由制造廠(chǎng)保證加工誤差，通過(guò)加工精度的控制，保證汽門(mén)嚴密性。

　　方案二、對目前的門(mén)座裂紋進(jìn)行打磨、補焊、熱處理、金屬檢驗后，再用制作好的研磨專(zhuān)門(mén)胎具對高壓主汽門(mén)門(mén)芯與門(mén)座研磨。

　　方案三、打磨高壓主汽閥閥座與閥殼的密封焊，制作專(zhuān)用工具拆除舊閥座，將舊閥座更換為新閥座，并借用車(chē)床加工及數控專(zhuān)用磨床精度保證，現場(chǎng)對高壓主汽閥的閥座進(jìn)行手工研磨，保證汽門(mén)的嚴密性。

2.2、方案選擇

　　表1為三種方案經(jīng)濟及風(fēng)險分析表。

表1 三種方案經(jīng)濟及風(fēng)險分析

　　注：*代表風(fēng)險程度，*代表低，**代表中，***代表高，*****代表極高。裝配風(fēng)險：主要指閥座與殼體裝配、閥芯與閥座地對研、殼體與蒸汽管道連接中的返工風(fēng)險。

　　方案一、充分利用了廠(chǎng)家技術(shù)資源和專(zhuān)用車(chē)床與磨床的便利性，節省了加工裝配時(shí)間，減小了裝配風(fēng)險。但是預計費用運輸保險費16萬(wàn)元，備件門(mén)座15.6萬(wàn)元，裝配人工費及焊接和熱處理費3萬(wàn)元(其他費用因在質(zhì)保期內，暫不進(jìn)行計算)，現場(chǎng)因高壓聯(lián)合汽門(mén)的返廠(chǎng)而發(fā)生的主汽門(mén)進(jìn)汽管和GVI、GV3導汽管接口管的割除與回裝而發(fā)生的費用10萬(wàn)元，總體費用將達到44.6萬(wàn)元。除價(jià)格畸高之外，還存在加工質(zhì)量不可內控，工期達16天之久，運輸風(fēng)險大等影響大修工期的不利因素。

　　方案二、不需要置換備件，節省了閥座與殼體組裝的時(shí)間，但是現場(chǎng)挖補焊，因汽門(mén)殼體近30mm厚，熱處理工藝要求高，一般門(mén)座12CrZMo材質(zhì)去應力退火溫度680～720度，閥殼材質(zhì)ZG15CrZMol去應力退火680～720度，而且高壓主汽門(mén)殼體結構復雜，殼體內部無(wú)法用伴熱帶進(jìn)行加熱，同時(shí)如此重達10T的門(mén)體均勻加熱到70多度是非常困難的。加之stelite硬質(zhì)合金亞弧焊需要嚴格的焊前熱處理，焊后熱處理也分別需要四個(gè)階段的逐漸退火;熱處理工藝如若控制不當，非常容易導致硬質(zhì)合金層開(kāi)裂甚至母材裂紋擴展，導致報廢。此外steilite硬質(zhì)合金堆焊后，需要專(zhuān)用車(chē)床進(jìn)行加工，手工處理是很難達到要求的精度的。尤其是閥芯閥座的對研需要專(zhuān)業(yè)廠(chǎng)家制作專(zhuān)用胎具，此外對研的工作量也非常大，風(fēng)險是相當的不可控。

　　方案三、需要置換備件，需要制作專(zhuān)用的裝拆工具，需要簡(jiǎn)單的熱處理設備，需要保證備件的尺寸加工滿(mǎn)足要求，其高壓主汽門(mén)的門(mén)座與閥芯的嚴密接觸依靠備件加工的精度和手工研磨來(lái)保證。優(yōu)勢是節約工期。

　　綜合上述三個(gè)方案，在大修工期的限制下，優(yōu)先選擇第三方案。

3、方案實(shí)施前的準備

　　為了保證高壓主汽門(mén)門(mén)座的拆卸、復裝、熱處理、焊接、研磨工作的正常安全順利進(jìn)行，應做好詳盡的準備，防范施工風(fēng)險，提高處理效率。

　　首先防范異物落入高壓主汽門(mén)進(jìn)汽管及1、3導汽管的風(fēng)險。用直徑為70mm，厚度為3mm的不銹鋼園板堵塞主蒸汽進(jìn)汽口，用亞弧焊點(diǎn)焊固定四點(diǎn)，在其上鋪上一層膠皮及保溫，然后在四周塞實(shí)保溫，最后在保溫上鋪上一層防火毯，防止閥座回裝密封焊及主汽門(mén)對研時(shí)產(chǎn)生金屬屑、藥皮、焊渣及飛濺物和工具落入管道，GVI與GV3閥口用蓋板封住，防止工具落入。

　　其次做好專(zhuān)用工具，提高工作效率。專(zhuān)用工具設計方面要考慮拆裝兩用，多功能化設計;因高壓主汽門(mén)閥座達257Kg，設計方面要考慮起吊過(guò)程中的平衡和調節;因門(mén)座和殼體采用的是過(guò)盈配合，專(zhuān)用工具還要考慮到與門(mén)座基準面的垂直度，防止拆裝時(shí)因不對中而卡死;因高溫部件長(cháng)期運行可能產(chǎn)生氧化皮，專(zhuān)用工具還必須有足夠的強度，應有足夠的厚度，同時(shí)應盡量的輕便，便于裝配;為了保證舊閥座還能繼續返修使用，拆裝過(guò)程不得損壞工件;考慮到工期，所有專(zhuān)用工具的設計，均應盡量就地取材，充分減小加工量。專(zhuān)用工具主要包括起對閥座固定對中閥導向壓板1塊、拉拔閥座用的錐套、采用060的圓棒料制作成的拉桿及配重桿、M52的螺母、用18#槽鋼背靠背制作的受力支架(18#槽鋼兩條、20~厚中間帶孔鐵板6個(gè)，焊接組合而成)。具體工具制作圖如下：

3.1、固定導向壓板與錐套，見(jiàn)圖2

圖2 固定導向壓板與錐套

　　其中錐套的錐度一定要作準，其將與閥座的擴散段貼合，它將直接影響錐套與導向固定壓板的對中。固定導向壓板，直徑為450mm處將與閥座的最小內徑處貼合。防止組裝時(shí)裝偏，影響對中。

3.2、為拉桿與配重桿，見(jiàn)圖3

圖3 拉桿與配重桿

　　非螺紋段直接利用原始棒料、減小加工量。其他M52螺母可以使用標準螺母。最后做好備件與舊閥座、閥殼內孔的尺寸復核，并與圖紙進(jìn)行對比，根據技術(shù)要求確定加工量。在整個(gè)過(guò)程中，需要保證測量的精度，直接為后續的備件加工創(chuàng )造條件。

4、實(shí)施技術(shù)步驟

4.1、拆舊閥座

　　(l)做好防異物進(jìn)入的措施后，打磨閥座與閥殼密封焊縫，打磨去所有焊肉，并進(jìn)行修整，為復裝焊接做準備。

　　(2)將制作好的錐套(重約15Kg)平放，直徑小的一端朝上，水平送入閥座擴散段，旋轉90度立放，從GVI門(mén)蓋法蘭孔用銅棒敲擊錐套與閥座的擴散段貼實(shí)，此時(shí)仍然需要防止錐套傾倒。

　　(3)將拉桿與固定導向壓板及螺母組裝好，用行車(chē)小心的組合件調水平后穿入錐套孔，前后用M52螺母將錐套、壓板與閥座固定后。

　　(4)測量閥座端面段到主汽門(mén)法蘭面的距離，上下左右四點(diǎn)，并記錄好測量位置，以此作為判斷閥座是否裝到位的定位參考。

　　(5)將制作好的槽鋼組合件，套在已經(jīng)固定在閥座上的拉桿上，組合件兩端穿過(guò)汽門(mén)法蘭結合面上的大螺栓，緊固拉桿上的螺母，槽鋼組合件與汽門(mén)法蘭結合面間左右各放一個(gè)roT左右的千斤頂，略微頂動(dòng)千斤頂，讓組合件及拉桿受力。

　　(6)在閥座對應的殼體段用氧一乙炔焰進(jìn)行加熱，氧一乙炔焰應對稱(chēng)加熱，最好準備6～8把烤把，做到迅速均勻加熱。經(jīng)常性的用紅外溫度儀測量閥座及內殼體的溫度。為了防止主汽門(mén)局部過(guò)熱變形，內壁最高溫度不得超過(guò)30度。

　　(7)待閥座溫度達到70度時(shí)，試對千斤頂進(jìn)行加力，檢查是否可以頂動(dòng)。以后每上升5度試驗一次，直至能拔動(dòng)閥座，一旦能拔動(dòng)，立即停止加熱。同時(shí)裝上配重桿，插好銷(xiāo)子，裝好配重，將整個(gè)閥座全部頂出，并調平后，將閥座連同槽鋼組合件吊出。

　　(8)迅速用保溫將門(mén)體加熱段及門(mén)座內孔敷好，防止人員燙傷和冷卻速度過(guò)快導致門(mén)體變形。

4.2、核對尺寸加工備件

　　(1)適當修刮氧化層，然后按照圖紙測量門(mén)座內孔相關(guān)尺寸，測量舊閥座的對應尺寸，摸清原裝配情況。

　　(2)測量新閥座的相關(guān)尺寸，并與閥座的對應尺寸，確定加工量。加工的過(guò)程中，一定要關(guān)注加工水平和加工設備的精度，備件車(chē)削采用1.5米立車(chē)。車(chē)削過(guò)程中，應經(jīng)常性的不斷測量。因工件非常大而且要求非常高，所以為了避免測量誤差，需要選擇一個(gè)熟練的技術(shù)人員進(jìn)行專(zhuān)人、專(zhuān)尺測量，見(jiàn)表2。

　　表2 新舊備件的尺寸對比及確定的最終尺寸

　　(3)利用閥芯與閥座的球面配合，在檢修場(chǎng)地閥芯閥桿組件與備品閥座進(jìn)行接觸檢查，驗證數控加工精度。組合情況應是閥芯閥座接觸良好，凡爾線(xiàn)清晰，僅在局部有斷點(diǎn)或不清晰。

4.3、閥座與殼體裝配

　　(1)將加工好的備件、錐套、固定導向壓板、螺母及配重桿裝配好，裝配負重后，用行車(chē)吊起調平，為正式裝入作準備。

　　(2)再次測量門(mén)座內孔B面的尺寸，確認與閥座的過(guò)盈量在0～0.05mm的范圍內。

　　(3)用事先準備好的熱處理設備將汽門(mén)殼體加熱到不超過(guò)300度或使得閥座內孔與備件在B面有0.20mm及以上的間隙。實(shí)際內壁溫度加熱到60度，外壁溫度到250度時(shí)，膨脹量已經(jīng)滿(mǎn)足。

　　(4)用行車(chē)將組合體一同穿入門(mén)座內孔，并復核門(mén)座端面到門(mén)蓋法蘭平面的4點(diǎn)距離，確認門(mén)座已經(jīng)裝配到位。拆下配重塊及配重桿，裝上新制作的槽鋼(不宜過(guò)后，強度適中，可以選擇18號單槽鋼，并將槽鋼的里面割除一些)，同時(shí)利用汽門(mén)門(mén)蓋大螺栓上的螺母將槽鋼壓向拉桿上的M52的螺母，用扳手逆時(shí)針扳動(dòng)螺母使得固定導向壓板將閥座緊緊地壓在殼體上。目的在于防止因材質(zhì)的不一致，導致收縮率不一致，而出現未裝配到位的情形：其次在于利用槽鋼的變形來(lái)補償閥座的熱影響，避免壓傷閥座。

　　(5)在殼體表面及內孔處敷好保溫，空冷至室溫。

4.4、密封焊與閥芯閥座的對研

　　(l)閥座與殼體的密封焊，應采用A307焊條Ф2.5mm，焊前應用氧一乙炔焰加熱表面至20度左右進(jìn)行電焊焊接，然后捶擊退火。

　　(2)逐層逐道焊接，焊接電流60～80A，每焊一層均需要進(jìn)行預熱。密封焊高度不得低于母材8mm。

　　(3)焊接過(guò)程中，為了防止焊花飛濺擊傷或附著(zhù)在凡爾線(xiàn)上，應對硬質(zhì)合金層進(jìn)行保護。

　　(4)焊接完畢后，用氧一乙炔焰火焰加熱至250度，然后在保溫材料下冷卻至室溫。最后復核定為尺寸，對密封焊進(jìn)行滲透探傷。合格后，就具備閥芯與閥座的對研工作條件。

　　(5)閥芯與閥座的對研，因有數控加工的保證，一般初次組裝后，接觸尚可。故僅對閥座進(jìn)行修整即可。根據紅丹粉的檢查情況，用新油石逐漸磨去高點(diǎn)直至紅丹粉接觸良好，凡爾線(xiàn)寬度0.76～1.52mm寬度即可。

5、檢修效果

　　2008年3月16日，機組水壓試驗合格，試驗壓力17.SMPa，持續時(shí)間30分鐘，在升壓及降壓過(guò)程中，高壓導汽管排汽檢查門(mén)無(wú)水滴溢出，系統壓降為0.45MPa/min;2008年3月21日，機組嚴密性試驗，試驗主蒸汽壓力9.2MPa，轉速無(wú)飛升，下降無(wú)異常，主汽門(mén)其他試驗正常。

6、結語(yǔ)

　　這次高壓主汽門(mén)閥座的更換，不僅是在亞臨界60OMW機組領(lǐng)域創(chuàng )造的第一個(gè)現場(chǎng)成功更換的案例，而且更重要的是為其它同類(lèi)型的機組在遇到相似問(wèn)題方面從方案的選擇、風(fēng)險的評估、工期的影響、處理的技巧及工藝步驟方面提供了寶貴的借鑒資料，還證實(shí)了現場(chǎng)處理的高溫高壓運行部件現場(chǎng)處理的可行性。