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(jī)組1號高壓主汽門閥座裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析,認(rèn)為是其焊接后熱處理工藝不良導(dǎo)致缺陷形成。針對這個(gè)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(fēng)險(xiǎn)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(yàn)合格證實(shí)了現(xiàn)場處理高溫高壓運(yùn)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(jī)組配置的汽輪機(jī)是上海汽輪機(jī)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(jī)。該機(jī)型高壓進(jìn)汽閥門，為一個(gè)高壓主汽門和兩個(gè)高壓調(diào)節(jié)汽門所構(gòu)成的組件，主汽門為臥式布置，調(diào)節(jié)汽閥為立式布置。

　　高壓主汽門和調(diào)節(jié)汽閥，在高壓進(jìn)汽處提供了雙重保護(hù)。主汽門在停機(jī)或緊急事件時(shí)阻斷進(jìn)汽和在機(jī)組啟動時(shí)用控制汽輪機(jī)升速的功能。主汽門靠液壓驅(qū)動油動機(jī)及杠桿開啟，靠彈簧力迅速關(guān)閉。主汽門的主閥蝶為非平衡式，在主汽門控制切換至由調(diào)節(jié)汽門控制時(shí)，需關(guān)小后面的調(diào)節(jié)汽閥至一定程度，平衡壓差后，才能全開主汽門。當(dāng)鍋爐至汽輪機(jī)間的蒸汽管道需進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，主汽閥被當(dāng)作截止閥使用。

圖1 主汽門閥座

　　國華臺電5號機(jī)組2006年11月投產(chǎn)，2008年1月31日停機(jī)，進(jìn)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(zhì)合金層。主汽門閥座的材質(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，分別采用車削及數(shù)控專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，是著名的高溫鉆基合金，具有優(yōu)良的高溫性能，優(yōu)異的熱強(qiáng)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(qū)間約為：Cr為24.5～32.5%，W為3.5～11.5%，Co為50%～65%。正是因?yàn)槠涓吆辖鸷�量，給焊接帶來極大的影響，實(shí)際焊接過程中，常出現(xiàn)硬質(zhì)合金層質(zhì)量不穩(wěn)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(jié)控制不良，都有可能導(dǎo)致裂紋和氣孔的發(fā)生。

　　國華臺電5號機(jī)組l號高壓主汽門正是因?yàn)楹负蟮臒崽幚砉に嚥涣己驮跈C(jī)組變負(fù)荷運(yùn)行及啟停過程中的交變熱應(yīng)力沖擊，在殘余應(yīng)力釋放的主導(dǎo)下，微小缺陷形成并迅速擴(kuò)展為長達(dá)30mm的線性裂紋。

2、方案確定

　　為了保證機(jī)組報(bào)電網(wǎng)備用后的安全穩(wěn)定運(yùn)行，防范高壓主汽門門座裂紋沿凡爾線周向擴(kuò)展而出現(xiàn)硬質(zhì)合金層脫落，引起主汽門關(guān)閉不嚴(yán)，甚至引發(fā)機(jī)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(jī)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(jī)組的安全運(yùn)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(yùn)輸回上海汽輪機(jī)有限公司，由上海汽輪機(jī)有限公司按照新出廠標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(yán)密性。

　　方案二、對目前的門座裂紋進(jìn)行打磨、補(bǔ)焊、熱處理、金屬檢驗(yàn)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(jìn)行手工研磨，保證汽門的嚴(yán)密性。

2.2、方案選擇

　　表1為三種方案經(jīng)濟(jì)及風(fēng)險(xiǎn)分析表。

表1 三種方案經(jīng)濟(jì)及風(fēng)險(xiǎn)分析

　　注：*代表風(fēng)險(xiǎn)程度，*代表低，**代表中，***代表高，*****代表極高。裝配風(fēng)險(xiǎn)：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(xiǎn)。

　　方案一、充分利用了廠家技術(shù)資源和專用車床與磨床的便利性，節(jié)省了加工裝配時(shí)間，減小了裝配風(fēng)險(xiǎn)。但是預(yù)計(jì)費(fèi)用運(yùn)輸保險(xiǎn)費(fèi)16萬元，備件門座15.6萬元，裝配人工費(fèi)及焊接和熱處理費(fèi)3萬元(其他費(fèi)用因在質(zhì)保期內(nèi)，暫不進(jìn)行計(jì)算)，現(xiàn)場因高壓聯(lián)合汽門的返廠而發(fā)生的主汽門進(jìn)汽管和GVI、GV3導(dǎo)汽管接口管的割除與回裝而發(fā)生的費(fèi)用10萬元，總體費(fèi)用將達(dá)到44.6萬元。除價(jià)格畸高之外，還存在加工質(zhì)量不可內(nèi)控，工期達(dá)16天之久，運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)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(shí)間，但是現(xiàn)場挖補(bǔ)焊，因汽門殼體近30mm厚，熱處理工藝要求高，一般門座12CrZMo材質(zhì)去應(yīng)力退火溫度680～720度，閥殼材質(zhì)ZG15CrZMol去應(yīng)力退火680～720度，而且高壓主汽門殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，殼體內(nèi)部無法用伴熱帶進(jìn)行加熱，同時(shí)如此重達(dá)10T的門體均勻加熱到70多度是非常困難的。加之stelite硬質(zhì)合金亞弧焊需要嚴(yán)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(dāng)，非常容易導(dǎo)致硬質(zhì)合金層開裂甚至母材裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致報(bào)廢。此外steilite硬質(zhì)合金堆焊后，需要專用車床進(jìn)行加工，手工處理是很難達(dá)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(fēng)險(xiǎn)是相當(dāng)?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(shè)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(yán)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(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(zhǔn)備

　　為了保證高壓主汽門門座的拆卸、復(fù)裝、熱處理、焊接、研磨工作的正常安全順利進(jìn)行，應(yīng)做好詳盡的準(zhǔn)備，防范施工風(fēng)險(xiǎn)，提高處理效率。

　　首先防范異物落入高壓主汽門進(jìn)汽管及1、3導(dǎo)汽管的風(fēng)險(xiǎn)。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。

　　其次做好專用工具，提高工作效率。專用工具設(shè)計(jì)方面要考慮拆裝兩用，多功能化設(shè)計(jì);因高壓主汽門閥座達(dá)257Kg，設(shè)計(jì)方面要考慮起吊過程中的平衡和調(diào)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(zhǔn)面的垂直度，防止拆裝時(shí)因不對中而卡死;因高溫部件長期運(yùn)行可能產(chǎn)生氧化皮，專用工具還必須有足夠的強(qiáng)度，應(yīng)有足夠的厚度，同時(shí)應(yīng)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(shè)計(jì)，均應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)向壓板與錐套，見圖2

圖2 固定導(dǎo)向壓板與錐套

　　其中錐套的錐度一定要作準(zhǔn)，其將與閥座的擴(kuò)散段貼合，它將直接影響錐套與導(dǎo)向固定壓板的對中。固定導(dǎo)向壓板，直徑為450mm處將與閥座的最小內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)螺母。最后做好備件與舊閥座、閥殼內(nèi)孔的尺寸復(fù)核，并與圖紙進(jìn)行對比，根據(jù)技術(shù)要求確定加工量。在整個(gè)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(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(fù)裝焊接做準(zhǔn)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(kuò)散段，旋轉(zhuǎn)90度立放，從GVI門蓋法蘭孔用銅棒敲擊錐套與閥座的擴(kuò)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(dǎo)向壓板及螺母組裝好，用行車小心的組合件調(diào)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(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，組合件兩端穿過汽門法蘭結(jié)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(jié)合面間左右各放一個(gè)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(yīng)的殼體段用氧一乙炔焰進(jìn)行加熱，氧一乙炔焰應(yīng)對稱加熱，最好準(zhǔn)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(nèi)殼體的溫度。為了防止主汽門局部過熱變形，內(nèi)壁最高溫度不得超過30度。

　　(7)待閥座溫度達(dá)到70度時(shí)，試對千斤頂進(jìn)行加力，檢查是否可以頂動。以后每上升5度試驗(yàn)一次，直至能拔動閥座，一旦能拔動，立即停止加熱。同時(shí)裝上配重桿，插好銷子，裝好配重，將整個(gè)閥座全部頂出，并調(diào)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(nèi)孔敷好，防止人員燙傷和冷卻速度過快導(dǎo)致門體變形。

4.2、核對尺寸加工備件

　　(1)適當(dāng)修刮氧化層，然后按照圖紙測量門座內(nèi)孔相關(guān)尺寸，測量舊閥座的對應(yīng)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(yīng)尺寸，確定加工量。加工的過程中，一定要關(guān)注加工水平和加工設(shè)備的精度，備件車削采用1.5米立車。車削過程中，應(yīng)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(jìn)行接觸檢查，驗(yàn)證數(shù)控加工精度。組合情況應(yīng)是閥芯閥座接觸良好，凡爾線清晰，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(dǎo)向壓板、螺母及配重桿裝配好，裝配負(fù)重后，用行車吊起調(diào)平，為正式裝入作準(zhǔn)備。

　　(2)再次測量門座內(nèi)孔B面的尺寸，確認(rèn)與閥座的過盈量在0～0.05mm的范圍內(nèi)。

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

　　(4)用行車將組合體一同穿入門座內(nèi)孔，并復(fù)核門座端面到門蓋法蘭平面的4點(diǎn)距離，確認(rèn)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(qiáng)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(shí)針扳動螺母使得固定導(dǎo)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(dǎo)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(bǔ)償閥座的熱影響，避免壓傷閥座。

　　(5)在殼體表面及內(nèi)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(yīng)采用A307焊條Ф2.5mm，焊前應(yīng)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(yù)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(yīng)對硬質(zhì)合金層進(jìn)行保護(hù)。

　　(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(fù)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(shù)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(jù)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，凡爾線寬度0.76～1.52mm寬度即可。

5、檢修效果

　　2008年3月16日，機(jī)組水壓試驗(yàn)合格，試驗(yàn)壓力17.SMPa，持續(xù)時(shí)間30分鐘，在升壓及降壓過程中，高壓導(dǎo)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(jī)組嚴(yán)密性試驗(yàn)，試驗(yàn)主蒸汽壓力9.2MPa，轉(zhuǎn)速無飛升，下降無異常，主汽門其他試驗(yàn)正常。

6、結(jié)語

　　這次高壓主汽門閥座的更換，不僅是在亞臨界60OMW機(jī)組領(lǐng)域創(chuàng)造的第一個(gè)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(jī)組在遇到相似問題方面從方案的選擇、風(fēng)險(xiǎn)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(xiàn)場處理的高溫高壓運(yùn)行部件現(xiàn)場處理的可行性。