600MW超臨界高壓旁路閥內(nèi)漏原因及處理方案

東莞市華鑫激光科技有限公司 羅雄光 晉俊超 廣東能源茂名熱電廠有限公司 陳其忠

1 設(shè)備及缺陷概況

某電廠#7機(jī)組系東汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的600MW 超臨界壓力汽輪機(jī)組，型號(hào)CC600/523 － 24.2/4.2/1.0/566/566，是典型的超臨界、一次中間再熱、沖動(dòng)式、單軸、三缸四排汽、雙抽汽凝汽式汽輪機(jī)。其主蒸汽高壓旁路閥為德國(guó)博普公司產(chǎn)品，型號(hào)為DCE4.140.300/700。2020年機(jī)組調(diào)峰停運(yùn)期間發(fā)現(xiàn)高壓旁路閥無法緊密閉合，內(nèi)漏蒸汽泄露且泄漏量較大。停機(jī)拆解發(fā)現(xiàn)：閥座密封面臺(tái)階平面處有大面積連續(xù)的金屬崩裂，約占臺(tái)階平面圓周的40%；緊鄰缺陷處，閥座和閥芯密封面出現(xiàn)較大面積的沖蝕凹坑，深約2～5mm；與閥芯配合的流量套筒局部有連續(xù)金屬崩裂，約占圓周25%，嚴(yán)重影響機(jī)組的運(yùn)行安全和熱效率。

高壓旁路閥是汽輪機(jī)組旁路系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備，機(jī)組啟動(dòng)期間或事故時(shí)，鍋爐流過來的蒸汽不能被汽輪機(jī)所接收時(shí)需要開啟該閥門。尤其是開機(jī)過程中往往出現(xiàn)未飽和蒸汽長(zhǎng)時(shí)間沖刷，對(duì)閥門的損傷特別大。在機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)期間，高壓旁路閥必須保證緊密關(guān)斷以避免蒸汽泄露造成能量的損失。

圖1 （a）閥座密封面（b）閥芯密封面（c）閥芯流量套筒

2 閥座裂紋原因分析

經(jīng)電廠和維修單位多方討論，了解到此高壓旁路閥前期經(jīng)維修過，認(rèn)為此次高壓旁路閥內(nèi)漏由以下因素引起：維修廠家在對(duì)閥座、閥芯密封面損壞部分進(jìn)行補(bǔ)焊時(shí)焊接材料硬度不夠或焊后內(nèi)應(yīng)力過大，長(zhǎng)時(shí)間高溫高壓環(huán)境下服役出現(xiàn)變形，致使閥座、閥芯與閥芯流量套筒間的形位公差超標(biāo)，運(yùn)動(dòng)受阻，產(chǎn)生微裂紋；閥芯流量套筒和閥座平面產(chǎn)生微裂紋后，經(jīng)高溫蒸汽湍流引起的長(zhǎng)期高頻率機(jī)械振動(dòng)，致使金屬疲勞斷裂；閥門關(guān)閉過程中，閥芯對(duì)閥座施加很大的沖擊力，在沖擊力作用下Stellite合金產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著Stellite 合金及其與母材結(jié)合處不斷擴(kuò)展，形成崩裂；閥芯與閥座緊密閉合運(yùn)動(dòng)達(dá)到“機(jī)械零位”時(shí)，與閥芯緊密配合的流量套筒與閥座正面碰撞，過大的沖擊力致使閥座產(chǎn)生裂紋。

3 處理方案

由于高壓旁路閥采用德國(guó)原裝進(jìn)口閥門，返廠維修困難，電廠內(nèi)無備件且備件備貨時(shí)間長(zhǎng)。綜合分析以下因素：此項(xiàng)目要求48小時(shí)完工，時(shí)間緊迫、不容出現(xiàn)異常；待維修閥座與閥體經(jīng)焊接為一體，閥口內(nèi)徑約200mm，閥座距閥口深約500mm，空間狹小，拆卸回廠維修工藝復(fù)雜且工期較長(zhǎng)，難以滿足電廠要求；閥座母材為馬氏體耐熱鋼，焊接性能差，密封面焊材是鈷基Stellite6合金，硬度高，開裂風(fēng)險(xiǎn)大，現(xiàn)場(chǎng)焊接條件艱苦，施工難度大；狹小空間內(nèi)，常規(guī)機(jī)械加工方法難以施展。綜合權(quán)衡利弊后決定采取在線預(yù)熱、分段焊接、去應(yīng)力熱處理→在線精鏜→超聲波沖擊強(qiáng)化振動(dòng)去應(yīng)力→手工精研的方案。

3.1 焊接工藝的選擇

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)光譜分析檢測(cè)，高壓旁路閥閥芯閥座母材材質(zhì)美標(biāo)馬氏體型耐熱鋼F91鍛件硬度高、焊接性能差、開裂風(fēng)險(xiǎn)高。考慮到補(bǔ)焊處為閥門的密封面，因此要求堆焊的材料具有良好的耐熱、耐腐蝕、耐磨損性能，且能在650℃左右保持不變。因此選用適合于高溫高壓閥門密封面用的肯納司太立原廠鈷基合金Stellite6焊絲，其堆焊層硬度為37～43HRC，為增強(qiáng)其抗沖擊性能，以塑韌性極好的ERNiCrMo-3鎳鉻鉬-3焊材打底?？紤]到原金屬崩裂位置，臺(tái)階平面邊緣需要塑韌性極好的耐熱、耐腐蝕材料，選用ERNiCrMo-3鎳鉻鉬-3焊材。其中閥芯和流量套筒可拆卸維修，難點(diǎn)在于閥座的在線補(bǔ)焊，閥座所處空間狹小，缸口內(nèi)徑約200mm，閥座距離缸口約500mm，焊接環(huán)境惡劣。

閥座在線補(bǔ)焊前，將補(bǔ)焊表面的凹坑和尖角等缺陷做焊前處理，再將不光滑處打磨圓滑并對(duì)補(bǔ)焊處進(jìn)行光譜分析，確認(rèn)裸露原母材后進(jìn)行PT 著色探傷檢測(cè)。補(bǔ)焊前用氧乙炔火焰槍對(duì)補(bǔ)焊處進(jìn)行圓周面預(yù)熱到200℃，先用ERNiCrMo-3焊閥座臺(tái)階平面、再用Stellite6焊接閥座密封面。分段焊接，每段焊接長(zhǎng)度約30mm 左右，減少熱輸入，層間溫度控制在230℃以下，焊接過程中對(duì)焊縫進(jìn)行錘擊，焊后立即用氧乙炔火焰槍圓周加熱，用紅外測(cè)溫槍測(cè)溫，溫度在270℃左右保持30min。填充保溫棉，做去應(yīng)力回火處理。待冷至室溫后，去除焊接高點(diǎn)，PT 著色檢查焊接質(zhì)量，無氣孔、夾渣、微裂紋等焊接缺陷。

3.2 機(jī)械加工

根據(jù)機(jī)械原理該閥門關(guān)閉時(shí)有三處定位：閥桿與閥桿密封組件、閥芯與流量套筒以及閥芯與閥座。因此機(jī)械加工精度要求高，不僅要求尺寸精度，同時(shí)閥桿、閥芯和閥座密封面必須要有非常好的同軸度，否則會(huì)影響閥門關(guān)閉的嚴(yán)密性。利用閥芯及閥芯流量套筒可拆卸維修的特點(diǎn)，焊前預(yù)留基準(zhǔn)位（另一端），焊后經(jīng)車削后高精密磨床進(jìn)行磨削，再經(jīng)研磨拋光。鑒于閥座機(jī)加工局限于現(xiàn)場(chǎng)，以閥座內(nèi)孔為基準(zhǔn)安裝鏜孔機(jī)進(jìn)行在線鏜削加工，預(yù)留單邊0.20mm 磨削余量，PT 著色檢查焊接質(zhì)量，無氣孔、夾渣、微裂紋等焊接缺陷。

超聲波沖擊強(qiáng)化振動(dòng)應(yīng)力。介于本案例裂紋沿原補(bǔ)焊位置開裂，本次維修方案創(chuàng)新性的引進(jìn)超聲波沖擊強(qiáng)化振動(dòng)應(yīng)力消除工藝，降低焊接件的拉應(yīng)力和變形并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，有效的抑制微裂紋的萌生，提高焊接部位的抗疲勞強(qiáng)度。

閥座在線研磨。根據(jù)閥座尺寸和線型角度等制作專業(yè)的研磨工裝；以閥座內(nèi)孔為基準(zhǔn)，安裝專業(yè)研磨工裝對(duì)閥座密封面和臺(tái)階平面進(jìn)行粗磨，磨削至單邊剩余尺寸0.1mm；逐級(jí)更換細(xì)砂帶，對(duì)密封面和臺(tái)階平面進(jìn)行精密研磨；密封面精密研磨處理后光潔度達(dá)到Ra0.6，用紅丹粉測(cè)試，壓線連續(xù)無斷線；以閥座內(nèi)孔為基準(zhǔn)安裝閥芯、閥芯流量套筒等，用紅丹壓線測(cè)試閥芯與閥座接觸情況，以閥芯為基準(zhǔn)，高級(jí)鉗工精研閥座至紅單壓線連續(xù)，無斷線。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收及閥門回裝

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收：堆焊處PT 著色、超聲波探傷檢查無任何氣孔、夾渣、漏焊、微裂紋等缺陷；閥座密封型面與原型面相同，垂直度≤0.03mm，同軸度≤0.02mm，表面粗糙度為0.6μm；閥座、閥芯密封面紅丹粉著色檢查，密封線連續(xù)均勻，100%連續(xù)接觸；閥座補(bǔ)焊處硬度不小于330HV。

閥門回裝：清洗干凈各部件，組裝閥芯組件。安裝密封圈、閥蓋等，保證閥門開閉順暢無卡澀。

圖2 經(jīng)維修后的閥座及閥芯組件

通過幾次對(duì)600MW 機(jī)組高壓旁路閥內(nèi)漏的應(yīng)急處理，獲得以下經(jīng)驗(yàn)：此類閥門不僅具有閥門類的開閉功能，同時(shí)也起高壓蒸汽降溫減壓的作用，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組件間配合精密，對(duì)閥芯和閥座的變形量要求嚴(yán)格；修復(fù)閥芯、閥座時(shí)一定要確定合適的焊接材料，且焊接時(shí)進(jìn)行必要的預(yù)熱及焊后去應(yīng)力熱處理，制定防止閥芯、閥座變形的措施；創(chuàng)新性的引進(jìn)超聲波沖擊強(qiáng)化振動(dòng)應(yīng)力消除工藝，降低焊接件的拉應(yīng)力和變形并產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，提高焊接件的抗疲勞強(qiáng)度；閥芯與閥座間接觸面壁薄，屬于薄弱又核心的部件，建議原廠設(shè)計(jì)人員引起重視。