某1000 MW火力發(fā)電廠軸封母管焊縫脫落分析與改進(jìn)措施

陳鵬鵬

（江西大唐國際撫州發(fā)電有限責(zé)任公司，江西 撫州 344000）

0 前言

某1000 MW火力發(fā)電廠汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)在運(yùn)行過程頻繁出現(xiàn)軸封母管焊縫脫落等問題，該電廠通過歷次檢修收集軸封系統(tǒng)運(yùn)行及缺陷處理等相關(guān)資料，并組織分析其頻發(fā)軸封母管焊縫脫落問題的原因，最終通過文中所述方法使問題得到有效解決。對電廠解決同類問題有著一定的借鑒和指導(dǎo)意義；同時(shí)對于類似情況的基建、改造項(xiàng)目，在投入使用前也可以參照對比分析，查找是否存在問題，提前采取措施防止類似問題發(fā)生。

1 軸封系統(tǒng)介紹

該電廠軸封系統(tǒng)運(yùn)行圖如圖1所示，汽輪機(jī)的軸封系統(tǒng)采用自密封系統(tǒng)，并有防止汽輪機(jī)進(jìn)水而損壞汽輪機(jī)的措施，該軸封汽源由輔汽、冷再、主蒸汽提供供汽。軸封系統(tǒng)由壓力調(diào)節(jié)裝置、蒸汽密封分流閥及軸封加熱器等設(shè)備及相應(yīng)的閥門、管路系統(tǒng)構(gòu)成。在機(jī)組負(fù)荷從20%到100%額定負(fù)荷之間時(shí)，蒸汽從高壓缸的軸封供到總管，從這流到低壓缸的軸封，在機(jī)組降負(fù)荷或者啟動時(shí)，到高壓缸出口部分的蒸汽壓力低于大氣壓時(shí)，有輔汽供到高壓缸和低壓缸的軸封。軸封系統(tǒng)的主要功能是向汽輪機(jī)、給水泵小汽輪機(jī)的軸封和主汽閥、調(diào)節(jié)閥的閥桿汽封供送密封蒸汽。高中壓前、后端汽封采用高低齒“尖齒”汽封，汽封片采用低硬度鐵素體材質(zhì)鑲片，低壓汽封采用光軸尖齒結(jié)構(gòu)的銅汽封，汽封環(huán)背襯彈簧可退讓。

圖1 軸封系統(tǒng)運(yùn)行圖

軸封系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，由高中壓缸軸端漏氣至軸封供氣母管。為滿足低壓缸軸封供氣溫度要求，軸封供氣母管設(shè)置一臺噴水減溫器，通過溫度調(diào)節(jié)控制噴水量，從而實(shí)現(xiàn)減溫后蒸汽滿足低壓缸軸封供氣的低壓軸封系統(tǒng)。減溫水系統(tǒng)取自凝結(jié)水母管，為了降低廠用電率，增加廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行時(shí)，長期使用變頻凝結(jié)水泵，減溫水壓力為1.3～3.0 MPa；定期工作時(shí)，短期使用工頻凝結(jié)水泵，減溫水最高壓力達(dá)到3.7 MPa。在所有運(yùn)行工況下，溫度調(diào)節(jié)站均自動維持低壓汽封腔室處溫度在121～200℃范圍。

如圖2所示，該電廠軸封母管噴水減溫處焊縫經(jīng)常發(fā)生脫落缺陷，經(jīng)過處理后過段時(shí)間仍然出現(xiàn)上述問題，乃至擴(kuò)大到多處焊縫區(qū)域。對噴水減溫器進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在噴水過程中水量過大，且噴水不均勻，導(dǎo)致低壓軸封母管段管底存水，上管道與下管道溫差較大。

圖2 軸封母管噴水減溫處焊縫圖

2 低壓軸封母管焊縫脫落問題原因分析

該軸封系統(tǒng)在正常運(yùn)行中，運(yùn)行方式如下：

1）機(jī)組啟動及低負(fù)荷階段，軸封供汽由高壓輔助蒸汽提供，維持軸封供汽母管壓力在30 kPa。

2）當(dāng)冷再蒸汽壓力、溫度滿足軸封供汽要求，蒸汽過熱度不低于14℃、蒸汽溫度與調(diào)端高壓缸端壁溫差不超過85℃時(shí)，由冷再供軸封并維持軸封供汽母管壓力在35 kPa。

3）當(dāng)高、中壓缸軸封漏汽及主汽門、調(diào)門的門桿漏汽能滿足軸封自密封時(shí)，由軸封溢流調(diào)節(jié)門維持軸封供汽母管壓力在45 kPa。

4）低壓軸封供汽減溫水調(diào)節(jié)門的溫度設(shè)定值為180℃。

但低壓軸封母管焊縫脫落卻重復(fù)發(fā)生，其原因主要是焊接后材質(zhì)不能牢固的焊接在原來的焊縫上，導(dǎo)致泄漏。同時(shí)監(jiān)測低壓軸封母管運(yùn)行時(shí)溫度和壓力，主要由三方面造成：（1）噴水減溫器噴頭損壞；（2）運(yùn)行時(shí)溫度調(diào)節(jié)不到位；（3）焊接工藝不達(dá)標(biāo)。

2.1 噴水減溫器噴頭損壞分析

噴水減溫器是向調(diào)溫水蒸氣直接噴入霧化冷卻水，使之蒸發(fā)為水蒸氣并與調(diào)溫水蒸氣良好混合以降低調(diào)溫水蒸氣溫度的裝置。

該廠低壓軸封母管噴水減溫器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，管道內(nèi)流動著過熱蒸汽，噴水減溫器如果能正常工作時(shí)，能將冷卻水變成霧化水蒸氣，加大與管道內(nèi)流通水蒸氣的接觸面積，從而更好更全面的減溫，而當(dāng)噴水減溫器噴頭損壞時(shí)，從噴水減溫器出口流出的水就直接是冷卻水，冷卻水與水蒸氣接觸，使得部分水蒸氣能達(dá)到降溫效果，而大部分蒸氣卻起不到冷卻效果，水溫過低直接液化成液態(tài)水，積聚在管道底部，水蒸氣在管道頂部流動，長期運(yùn)行過后，管道內(nèi)上下壓力差變大，管道熱應(yīng)力變大，容易塑性變形，造成焊縫脫落穿孔[1]。

圖3 噴水減溫器結(jié)構(gòu)圖

在機(jī)組運(yùn)行過程中，由于通過二級減溫器筒體（聯(lián)箱）的蒸汽溫度較高，達(dá)到434℃，當(dāng)減溫水沒有投入時(shí)，減溫水進(jìn)水管溫度與過熱蒸汽溫度相同，當(dāng)投入減溫水時(shí)，進(jìn)水管的管壁溫度接近減溫水的溫度，只有160℃，這樣，進(jìn)水管在溫差交變應(yīng)力的作用下，其焊口處易產(chǎn)生裂紋最終導(dǎo)致其斷裂。

2.2 運(yùn)行時(shí)溫度調(diào)節(jié)不到位分析

為了汽輪機(jī)本體部件的安全，對軸封供汽的溫度有一定要求。如果供汽溫度與汽輪機(jī)本體部件溫度（特別是轉(zhuǎn)子的金屬溫度）差別太大，將使汽輪機(jī)部件產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力將加劇汽輪機(jī)部件壽命損耗，同時(shí)造成汽輪機(jī)動、靜部分的相對膨脹失調(diào)，損壞汽封片和轉(zhuǎn)子軸頸，直接影響汽輪機(jī)機(jī)組的安全。一般來說，對于高、中壓缸軸封供汽溫度的合適范圍是150~260℃；低壓缸軸封的供汽溫度應(yīng)在150℃左右。

因此，軸封供汽母管向高、低壓端軸封供汽的管道上均設(shè)置噴水減溫器，在汽輪機(jī)運(yùn)行的各種工況下調(diào)節(jié)供汽溫度，將軸封供汽的溫度控制在合適范圍。減溫水來自主凝結(jié)水，由凝結(jié)水經(jīng)處理裝置后引出。

溫度調(diào)節(jié)僅僅只有噴水減溫器來調(diào)節(jié)，噴水減溫調(diào)節(jié)的溫度范圍大，精確性低，波動較大，受凝結(jié)水壓力和溫度的影響。該廠凝結(jié)水泵是變頻泵，低負(fù)荷時(shí)，凝結(jié)水流量和溫度均小于正常水平，故而噴水減溫不能達(dá)到很好的效果，反而使得軸封系統(tǒng)內(nèi)溫度和壓力更高，容易出現(xiàn)故障；在高負(fù)荷時(shí)，凝結(jié)水流量和溫度能滿足需求，噴水減溫能夠達(dá)到相應(yīng)的效果。

2.3 焊接工藝不達(dá)標(biāo)分析

焊縫采用電弧焊，電弧焊是目前最廣泛的焊接方法。在焊接焊縫過程中常常因?yàn)橥獠咳毕菁皟?nèi)部缺陷導(dǎo)致焊縫不合格，機(jī)組一旦運(yùn)行起來，軸封母管的焊縫立馬又出現(xiàn)問題。

外部缺陷指的是缺陷位于焊縫外表面，用肉眼或者低倍放大鏡就可以看得到；內(nèi)部缺陷指的是缺陷位于焊縫內(nèi)部，這類缺陷可以用無損探傷檢驗(yàn)或者是破壞性檢驗(yàn)方法來發(fā)現(xiàn)。

焊接缺陷容易造成應(yīng)力集中及脆斷。該廠低壓軸封母管焊縫缺陷主要是由以下幾個(gè)原因組成。

2.3.1 焊接形狀及尺寸不符合要求

在焊接的過程中，由于焊縫在底部，管壁材質(zhì)是碳鋼T11，管壁厚度8 mm，管徑329 mm，而焊縫材質(zhì)是不銹鋼材質(zhì)，焊接坡口角度極易不當(dāng)，造成焊縫高低不平，寬窄不均，波紋粗劣，焊縫質(zhì)量嚴(yán)重不合格，如圖4所示。

圖4 焊縫缺陷形狀

2.3.2 裂紋

如圖5所示，該廠在處理焊縫時(shí)，焊接材料是不銹鋼，鋼材強(qiáng)度很大。同時(shí)在不利焊接下，管道內(nèi)水未去除干凈，焊接熔池里溶解了水中的氫離子，焊縫金屬快速冷卻后，大部分氫快速過飽和溶解劑在焊縫金屬中，在焊接殘余應(yīng)力的作用下，氫逐漸向產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變集中的熱影響區(qū)擴(kuò)散，并在某些微區(qū)域集合。當(dāng)氫濃度達(dá)到某一臨界值時(shí)，變脆的金屬在微小的應(yīng)變下開裂。并使得開裂部位進(jìn)一步的擴(kuò)展，而且會形成宏觀裂紋。

圖5 冷裂紋形狀

3 低壓軸封母管焊縫脫落處理方法

綜合2.1、2.2和2.3分析可知，低壓軸封母管焊縫脫落主要由三方面造成：（1）噴水減溫器噴頭損壞；（2）運(yùn)行時(shí)溫度調(diào)節(jié)不到位；（3）焊接工藝不達(dá)標(biāo)。

針對噴水減溫器噴頭損壞的問題，公司委托有技術(shù)能力的鍋爐制造廠家或科研院所對1、2號汽機(jī)二級減溫器噴嘴裝置進(jìn)行振動校核，校核的目的是摸清目前噴嘴裝置的自振頻率及滿負(fù)荷（215 MW）工況下卡門渦流的頻率（激振頻率）數(shù)值，同時(shí)比較二者之間的關(guān)系是否滿足激振頻率/自振頻率小于0.75，如不滿足，則需要對噴嘴裝置進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。重新設(shè)計(jì)可采取的措施有增加進(jìn)水管管徑、在噴頭端或在噴管上加裝托架、改進(jìn)隔板（鋼碗）設(shè)計(jì)等。如經(jīng)過校核滿足條件，則應(yīng)委托鍋爐制造廠家或科研院所赴現(xiàn)場對噴嘴裝置損壞情況進(jìn)行檢查，進(jìn)一步分析隔板（鋼碗）的彈性吸振功能是否消失以及其他可能導(dǎo)致焊口斷裂損壞的原因。

對于運(yùn)行時(shí)溫度調(diào)節(jié)不到位，可以改變噴水減溫器的來水，用密封水升壓泵出口管的水代替凝結(jié)水泵出口水，這樣能夠保證機(jī)組在運(yùn)行時(shí)噴水減溫的水量和溫度都能夠符合機(jī)組運(yùn)行要求，便于調(diào)溫。具體實(shí)施如圖6所示。

圖6 管道改造示意圖

針對焊接工藝的問題，積極查詢相關(guān)資料，了解管壁材質(zhì)、厚度及焊接工藝，經(jīng)查閱圖紙并咨詢金屬、焊接專業(yè)：噴嘴入口與進(jìn)水管的連接焊口為異種鋼焊接，即進(jìn)水管為12CrlMoV，屬于珠光體低合金熱強(qiáng)鋼，而噴嘴入口為25Cr2MoVA，屬于中碳耐熱合金鋼，其綜合力學(xué)性能良好，熱強(qiáng)性較高，但可焊性較差，在通常情況下，焊接時(shí)有形成裂紋的傾向。焊前應(yīng)預(yù)熱，焊后應(yīng)熱處理，只有有限的焊接熱規(guī)范可能獲得較好的焊接性能，因此該異種鋼焊口有可能因焊接缺陷或焊后熱處理不規(guī)范造成焊口產(chǎn)生裂紋，噴嘴入口與進(jìn)水管對接施焊時(shí)，還可能存在錯(cuò)用焊材、夾渣、裂紋等焊接缺陷，以上原因均可能導(dǎo)致異種鋼焊口部位產(chǎn)生裂紋，長期運(yùn)行后最終斷裂。

經(jīng)金屬室對斷裂焊口檢驗(yàn)確定，焊材未用錯(cuò)（R317），硬度合格，經(jīng)與金屬、焊接專業(yè)討論，存在如下可能性：推測焊接后未立即進(jìn)行熱處理，導(dǎo)致產(chǎn)生延遲裂紋，后隨減溫器筒體整體熱處理，硬度合格，但裂紋已經(jīng)產(chǎn)生。分析認(rèn)為熱處理不規(guī)范產(chǎn)生延遲裂紋是造成焊口斷裂的重要原因。

減溫器的噴嘴入口與進(jìn)水管之間是異種材質(zhì)焊接，減溫器設(shè)備制造廠要在焊材選用、焊接、焊前預(yù)熱，焊后熱處理等環(huán)節(jié)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，并建立完善的焊接質(zhì)保體系，做到壓力到位、責(zé)任到人。制造廠焊工施焊后在焊縫處要打上焊工鋼印號，便于追溯責(zé)任及提高施焊質(zhì)量。把減溫器噴嘴入口與進(jìn)水管選擇同種材質(zhì)（如同為12Cr1MoV），避免存在異種材質(zhì)焊接問題。

今后公司機(jī)組檢修中對減溫器各部位焊口進(jìn)行重新焊接時(shí)，則應(yīng)在焊接和熱處理的過程中加強(qiáng)過程控制和質(zhì)量監(jiān)督。

上述改造改進(jìn)了噴水減溫器的運(yùn)行模式以及對噴水減溫器噴頭進(jìn)行了更換，同時(shí)對焊縫進(jìn)行細(xì)致的處理，解決了軸封母管焊縫脫落的問題。

4 關(guān)于低壓軸封母管焊縫脫落問題的思考

通過上述分析、改造與實(shí)際效果驗(yàn)證，可看出該軸封系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上存在的問題。軸封系統(tǒng)在運(yùn)行過程中未進(jìn)行細(xì)致監(jiān)測，管道內(nèi)存在積水，同時(shí)上下管道溫度差過大，造成焊縫脫落、穿孔等一系列問題，加之缺陷處理過程不夠完全按照規(guī)程，缺陷重復(fù)發(fā)生。

因此，除了上述的在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造外，解決問題最根本的辦法還是對軸封系統(tǒng)的重新設(shè)計(jì)。一方面噴水減溫器及其后的軸封母管盡可能向低壓軸封傾斜，確保母管低溫側(cè)末端低于噴水減溫器，且在母管末端底部增設(shè)疏水點(diǎn)，接入噴水減溫器后低壓軸封母管疏水管路應(yīng)增大管道直徑，保證管道底部疏水暢通，閥門應(yīng)長期開啟狀態(tài)。另外一方面更換新型噴頭，霧化效果更好，混合降溫更加充分，滿足現(xiàn)場管路需求。而不必采用改造中所使用的噴水減溫器水源，同樣簡化了結(jié)構(gòu)、降低故障風(fēng)險(xiǎn)，能夠使設(shè)備更加可靠[2]。

5 結(jié)語

汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)的穩(wěn)定，直接關(guān)系到汽輪機(jī)能否安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。對于設(shè)備調(diào)試和生產(chǎn)運(yùn)營期間出現(xiàn)的一系列不正?，F(xiàn)象，必須引起足夠的重視。一方面，在運(yùn)行中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況，并采取有效措施，防止事故的擴(kuò)大；另一方面，對長期存在而且反復(fù)發(fā)生的設(shè)備缺陷，不得視而不見，如果缺陷得不到有效解決的，就必須進(jìn)行更改，以確保設(shè)備正常運(yùn)行。對上海1000 MW汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)改造的研究和現(xiàn)場實(shí)踐，不僅解決了問題也提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，具有一定的實(shí)用價(jià)值，值得同類型其他機(jī)組借鑒。