滬產(chǎn)亞臨界600MW機組高壓主汽門閥座裂紋的分析及閥座更換處理
通過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號高壓主汽門閥座裂紋產(chǎn)生原因進行分析,認為是其焊接后熱處理工藝不良導致缺陷形成。針對這個問題,提出現(xiàn)場更換高壓主汽門閥座的處理措施,并從方案選擇、風險評估、工期影響、處理技巧及工藝步驟等方面進行探討。成功更換并試驗合格證實了現(xiàn)場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(以下簡稱臺山電廠)5×600MW燃煤機組配置的汽輪機是上海汽輪機有限公司引進美國西屋公司技術生產(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。該機型高壓進汽閥門，為一個高壓主汽門和兩個高壓調節(jié)汽門所構成的組件，主汽門為臥式布置，調節(jié)汽閥為立式布置。
高壓主汽門和調節(jié)汽閥，在高壓進汽處提供了雙重保護。主汽門在停機或緊急事件時阻斷進汽和在機組啟動時用控制汽輪機升速的功能。主汽門靠液壓驅動油動機及杠桿開啟，靠彈簧力迅速關閉。主汽門的主閥蝶為非平衡式，在主汽門控制切換至由調節(jié)汽門控制時，需關小后面的調節(jié)汽閥至一定程度，平衡壓差后，才能全開主汽門。當鍋爐至汽輪機間的蒸汽管道需進行水壓試驗時，主汽閥被當作截止閥使用。
圖1 主汽門閥座
國華臺電5號機組2006年11月投產(chǎn)，2008年1月31日停機，進行安裝以來的首次檢查性大修。在解體檢查中發(fā)現(xiàn)1號高壓主汽門閥座密封線有一長約30~的裂紋貫穿密封線，裂紋與密封線近乎垂直(見圖l)經(jīng)過檢查裂紋深度已經(jīng)穿透司太立硬質合金層。主汽門閥座的材質為12Cr2Mo，重量258Kg，閥口尺寸：Ф406.4±0.127mm，閥座最大直徑575mm，閥殼的材質為ZG15Cr2Mol。
1、原因分析
高壓主汽門閥座基體材質為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，分別采用車削及數(shù)控專用磨具磨制加工而成。加工后的steilite硬質合金層厚度約為2~3mm。
眾所周知，stelite系列Co基合金，是著名的高溫鉆基合金，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硬質合金，雖然成分含量因牌號不同而差別較大，但含量區(qū)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，給焊接帶來極大的影響，實際焊接過程中，常出現(xiàn)硬質合金層質量不穩(wěn)定，裂紋、氣孔甚至工件損壞;焊接的質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。如果其中任何一個環(huán)節(jié)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達30mm的線性裂紋。
2、方案確定
為了保證機組報電網(wǎng)備用后的安全穩(wěn)定運行，防范高壓主汽門門座裂紋沿凡爾線周向擴展而出現(xiàn)硬質合金層脫落，引起主汽門關閉不嚴，甚至引發(fā)機組超速的惡性事件發(fā)生，在與制造廠的充分溝通下，決定利用大修的機會徹底處理裂紋。根據(jù)現(xiàn)場施工條件和難度、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標準進行加工，由制造廠保證加工誤差，通過加工精度的控制，保證汽門嚴密性。
方案二、對目前的門座裂紋進行打磨、補焊、熱處理、金屬檢驗后，再用制作好的研磨專門胎具對高壓主汽門門芯與門座研磨。
方案三、打磨高壓主汽閥閥座與閥殼的密封焊，制作專用工具拆除舊閥座，將舊閥座更換為新閥座，并借用車床加工及數(shù)控專用磨床精度保證，現(xiàn)場對高壓主汽閥的閥座進行手工研磨，保證汽門的嚴密性。
2.2、方案選擇
表1為三種方案經(jīng)濟及風險分析表。
表1 三種方案經(jīng)濟及風險分析
注：*代表風險程度，*代表低，**代表中，***代表高，*****代表極高。裝配風險：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險。
方案一、充分利用了廠家技術資源和專用車床與磨床的便利性，節(jié)省了加工裝配時間，減小了裝配風險。但是預計費用運輸保險費16萬元，備件門座15.6萬元，裝配人工費及焊接和熱處理費3萬元(其他費用因在質保期內，暫不進行計算)，現(xiàn)場因高壓聯(lián)合汽門的返廠而發(fā)生的主汽門進汽管和GVI、GV3導汽管接口管的割除與回裝而發(fā)生的費用10萬元，總體費用將達到44.6萬元。除價格畸高之外，還存在加工質量不可內控，工期達16天之久，運輸風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(jié)省了閥座與殼體組裝的時間，但是現(xiàn)場挖補焊，因汽門殼體近30mm厚，熱處理工藝要求高，一般門座12CrZMo材質去應力退火溫度680～720度，閥殼材質ZG15CrZMol去應力退火680～720度，而且高壓主汽門殼體結構復雜，殼體內部無法用伴熱帶進行加熱，同時如此重達10T的門體均勻加熱到70多度是非常困難的。加之stelite硬質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，非常容易導致硬質合金層開裂甚至母材裂紋擴展，導致報廢。此外steilite硬質合金堆焊后，需要專用車床進行加工，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業(yè)廠家制作專用胎具，此外對研的工作量也非常大，風險是相當?shù)牟豢煽亍?/p>
方案三、需要置換備件，需要制作專用的裝拆工具，需要簡單的熱處理設備，需要保證備件的尺寸加工滿足要求，其高壓主汽門的門座與閥芯的嚴密接觸依靠備件加工的精度和手工研磨來保證。優(yōu)勢是節(jié)約工期。
綜合上述三個方案，在大修工期的限制下，優(yōu)先選擇第三方案。
3、方案實施前的準備
為了保證高壓主汽門門座的拆卸、復裝、熱處理、焊接、研磨工作的正常安全順利進行，應做好詳盡的準備，防范施工風險，提高處理效率。
首先防范異物落入高壓主汽門進汽管及1、3導汽管的風險。用直徑為70mm，厚度為3mm的不銹鋼園板堵塞主蒸汽進汽口，用亞弧焊點焊固定四點，在其上鋪上一層膠皮及保溫，然后在四周塞實保溫，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對研時產(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。
其次做好專用工具，提高工作效率。專用工具設計方面要考慮拆裝兩用，多功能化設計;因高壓主汽門閥座達257Kg，設計方面要考慮起吊過程中的平衡和調節(jié);因門座和殼體采用的是過盈配合，專用工具還要考慮到與門座基準面的垂直度，防止拆裝時因不對中而卡死;因高溫部件長期運行可能產(chǎn)生氧化皮，專用工具還必須有足夠的強度，應有足夠的厚度，同時應盡量的輕便，便于裝配;為了保證舊閥座還能繼續(xù)返修使用，拆裝過程不得損壞工件;考慮到工期，所有專用工具的設計，均應盡量就地取材，充分減小加工量。專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，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。防止組裝時裝偏，影響對中。
3.2、為拉桿與配重桿，見圖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，并與圖紙進行對比，根據(jù)技術要求確定加工量。在整個過程中，需要保證測量的精度，直接為后續(xù)的備件加工創(chuàng)造條件。
4、實施技術步驟
4.1、拆舊閥座
(l)做好防異物進入的措施后，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門蓋法蘭孔用銅棒敲擊錐套與閥座的擴散段貼實，此時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法蘭面的距離，上下左右四點，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，組合件兩端穿過汽門法蘭結合面上的大螺栓，緊固拉桿上的螺母，槽鋼組合件與汽門法蘭結合面間左右各放一個roT左右的千斤頂，略微頂動千斤頂，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行加熱，氧一乙炔焰應對稱加熱，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。為了防止主汽門局部過熱變形，內壁最高溫度不得超過30度。
(7)待閥座溫度達到70度時，試對千斤頂進行加力，檢查是否可以頂動。以后每上升5度試驗一次，直至能拔動閥座，一旦能拔動，立即停止加熱。同時裝上配重桿，插好銷子，裝好配重，將整個閥座全部頂出，并調平后，將閥座連同槽鋼組合件吊出。
(8)迅速用保溫將門體加熱段及門座內孔敷好，防止人員燙傷和冷卻速度過快導致門體變形。
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座內孔相關尺寸，測量舊閥座的對應尺寸，摸清原裝配情況。
(2)測量新閥座的相關尺寸，并與閥座的對應尺寸，確定加工量。加工的過程中，一定要關注加工水平和加工設備的精度，備件車削采用1.5米立車。車削過程中，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，需要選擇一個熟練的技術人員進行專人、專尺測量，見表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，在檢修場地閥芯閥桿組件與備品閥座進行接觸檢查，驗證數(shù)控加工精度。組合情況應是閥芯閥座接觸良好，凡爾線清晰，僅在局部有斷點或不清晰。
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，用行車吊起調平，為正式裝入作準備。
(2)再次測量門座內孔B面的尺寸，確認與閥座的過盈量在0～0.05mm的范圍內。
(3)用事先準備好的熱處理設備將汽門殼體加熱到不超過300度或使得閥座內孔與備件在B面有0.20mm及以上的間隙。實際內壁溫度加熱到60度，外壁溫度到250度時，膨脹量已經(jīng)滿足。
(4)用行車將組合體一同穿入門座內孔，并復核門座端面到門蓋法蘭平面的4點距離，確認門座已經(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)，同時利用汽門門蓋大螺栓上的螺母將槽鋼壓向拉桿上的M52的螺母，用扳手逆時針扳動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的不一致，導致收縮率不一致，而出現(xiàn)未裝配到位的情形：其次在于利用槽鋼的變形來補償閥座的熱影響，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，每焊一層均需要進行預熱。密封焊高度不得低于母材8mm。
(3)焊接過程中，為了防止焊花飛濺擊傷或附著在凡爾線上，應對硬質合金層進行保護。
(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(shù)控加工的保證，一般初次組裝后，接觸尚可。故僅對閥座進行修整即可。根據(jù)紅丹粉的檢查情況，用新油石逐漸磨去高點直至紅丹粉接觸良好，凡爾線寬度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(xù)時間30分鐘，在升壓及降壓過程中，高壓導汽管排汽檢查門無水滴溢出，系統(tǒng)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，轉速無飛升，下降無異常，主汽門其他試驗正常。
6、結語
這次高壓主汽門閥座的更換，不僅是在亞臨界60OMW機組領域創(chuàng)造的第一個現(xiàn)場成功更換的案例，而且更重要的是為其它同類型的機組在遇到相似問題方面從方案的選擇、風險的評估、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，還證實了現(xiàn)場處理的高溫高壓運行部件現(xiàn)場處理的可行性。
