高精度曲面加工研磨技術和微弧精密焊接技術在電廠閥門內漏治理上的應用

楊 進

(北京國際電氣工程有限責任公司，北京 100036)

1 閥門內漏的危害

大型閥門 (如自動主汽門、調速汽門、高低壓旁路門等)作為汽輪機的重要設備，一旦嚴密性不合格，將無法保證對汽輪機轉速的有效控制，容易發生跳機事故，給汽輪機造成毀滅性損壞［1］，因此，其可靠性、嚴密性將直接影響到汽輪機的安全運行。

小型閥門 (如疏水閥)流動背壓很低，處于臨界狀態［2］，單位面積流量大，蒸汽等包含的大量可用能量被循環水帶走，造成單位面積內漏量大，同時大量蒸汽漏入凝汽器，影響了凝汽器真空，降低了機組效率。

2 閥門內漏治理的趨勢

國家出臺了針對高能耗企業的節能政策，五大電力集團相繼提出“節能降耗，促進社會可持續發展”的口號。電力企業的工作重點也集中到節能和提高效率方面，各個電廠在例次檢修中均把“降低熱力系統閥門內漏，提高真空嚴密性”作為重點，治理閥門內漏、保證閥門嚴密性成為“節能、降耗”的關鍵［3］。

隨著汽輪機技術的不斷提高和超臨界機組、超超臨界機組的投入運行，電廠閥門的工作溫度、工作壓力也隨之提高，閥門關鍵部件的耐高溫、耐沖蝕、耐磨損、耐氧化、高溫耐沖擊等性能必須得到保證，否則會造成閥門重要部位的密封面出現溝痕、點缺陷、裂紋等 (沖刷、磨損、高溫變形導致)，致使密封效果差、閥門內漏［4］。閥門密封面材質多采用Ni基合金、Co基合金 (Stellite合金)等合金材料，一旦出現沖蝕、磨損、氧化等現象，修復成為必要且重要的工作。因此，閥門內漏修復技術成為一門結合“新材料科學”、“精密加工技術”、“精密焊接技術”的綜合性技術。

3 閥門內漏治理的措施

目前各個電廠針對閥門密封面缺陷的修復，主要采取“對研”的解決方法?！皩ρ小奔撮y芯與閥座密封面的相互研磨，對于解決閘板閥等平面密封閥門的缺陷是個行之有效的方法，但是對于采用曲面密封方式的閥門 (閥芯密封面為球形，閥座為雙曲面)，“對研”會在閥門密封面上造成環形凹坑、“臺階”，雖然有所謂的“密封線”，但根本達不到機組要求的密封效果，實際上是在損壞閥門的型面，給閥門造成更大的損傷。

對于小型閥門，可將其從管道上切割下來，返廠在數控機床上加工，加工出曲面后進行精密研磨。對于大型閥門，例如主汽門、調速汽門，鑄造在閥體上，無法進行拆卸，就需要現場對閥座和閥芯密封面進行高精度曲面加工，以恢復閥門密封面的技術參數，保證實現其正常功能。

如果閥門密封面損傷嚴重，出現大于1 mm深度的溝痕、壓痕、拉傷等線狀、點狀缺陷，若采用曲面機械加工的方法，不僅工作量大，還會導致合金層變薄、密封面使用壽命縮短;若采用電焊或氬弧焊接修補損傷部位，可能引起溫度無法控制、焊材脫落、閥門焊接應力小及現場操作困難等一系列問題，若密封面材料為Stellite合金，則現場焊接極難保證完成。應用微弧焊精密焊接技術，可完全解決以上焊接問題。

結合高精度曲面加工技術和微弧精密焊接技術可修復大部分電廠閥門密封面的缺陷，達到治理閥門內漏的目的。

4 閥門內漏治理的關鍵技術

4.1 高精度曲面加工技術

汽輪機調節門和主汽門密封面在運行時，由于受高溫高壓汽流的沖擊磨損、氣蝕及工作時汽流中雜質的損傷而造成漏氣，同時密封面由于長期在高溫高壓狀態下工作。受材料高溫蠕變和高溫持久強度的影響，球面出現曲線變形、壓坑等，從而導致密封線斷線或密封線變寬 (整體寬度達8 mm以上)，不能滿足嚴密性要求，此時可通過高精度曲面加工技術進行修復［5］。

4.1.1 調節汽門和主汽門密封面技術參數

a． 閥座密封面一般設計為雙曲面，曲面方程為

式中，t、θ為參變量。

b． 閥芯密封面一般設計為球面，球面方程為

式中，β、θ為參變量［6］。

4.1.2 技術說明

a． 根據上述原理，測繪需修復的主汽門、調速汽門閥座、閥芯密封面的各項參數及型面。

b． 結合數控計算機仿型技術，對測繪的閥座和閥芯密封面參數進行數控加工，制造研磨胎具，其端面跳動應不大于0.02 mm。

c． 根據所測主汽門、調速汽門閥座參數，制造電動研磨機，其同軸度不大于0.02 mm。d． 制造法蘭口定位盤，其精度為0.02 mm。e． 現場安裝調試研磨機、法蘭口定位盤、研磨胎具，保證各項參數正常。

f． 配合使用各種砂紙進行研磨加工。

g． 加工完畢后，閥芯、閥座尺寸精度達到0.03μm，表面粗糙度達到0.8μm。

h． 現場紅丹粉著色檢查，密封線100%連續接觸。

4.1.3 典型案例

a． 華能伊敏電廠為2臺前蘇聯50萬kW機組，由于主汽門、調速汽門密封面氧化皮過厚，閥門尺寸較大 (最大尺寸約700 mm)而很難處理，導致機組長期嚴密性不合格。于2006～2008年利用3次大修機會，對2臺機組的閥座、閥芯密封面進行高精度曲面加工后 (單臺機組修復工期約為15 d)，啟機試驗發現機組嚴密性全部達標。

b． 大唐盤山電廠為8臺東方汽輪機有限責任公司30萬kW機組，主汽門、調速汽門密封面氧化皮層厚度達到2 mm，且分為2～3層，嚴重影響機組嚴密性。于2006～2008年利用3次機組大修機會對5號、6號、7號機組全部高壓主汽、中壓主汽、調速汽門進行密封面高精度曲面加工修復后，嚴密性試驗全部達標。

圖1中閥座、閥芯密封面表面粗糙度達到0.8 μm，經現場紅丹粉著色檢查，密封線100%連續接觸，壓線寬度小于3 mm。

高精度曲面加工技術將大型數控加工技術轉化成小型的現場精密加工技術，應用于電廠閥門修復，解決了原來需要將大型件切割下來運至原制造廠、在大型設備上檢修加工的難題，檢修工期縮短、加工成本降低，使大型件的快速檢修成為可能，達到電廠運行的要求。

圖1 高壓調速汽門閥座、閥芯密封線壓線情況

4.2 微弧精密焊接技術

4.2.1 微弧精密焊接的工作原理

微弧精密焊接將電源儲存的高能電子在幾μm內向工件放電，瞬時電流密度達到1×106A/cm2，并轉換為熱能和其它形式的能量，將電極材料冶金結合到工件表面，使其性能得到顯著強化，實現了表面幾何構型的復原修復。其高能冷焊過程是基于氣態環境里的電蝕現象和陽極材質在脈沖放電時向陰極轉移的理論實現的。工作示意圖見圖2

4.2.2 微弧精密焊接在閥門修復上的優越性

a． 焊接層與閥體母材結合力強。在冷焊過程中，接觸區域被電極瞬間加熱至12 000～25 000℃，因而形成良好的冶金結合，焊接層與母材間致密、結合力極強、無脫落。

b． 常溫焊補時閥體不發生變形。由于整個操作過程均為窄脈寬、大頻率，閥體幾乎無熱量的輸入，因而不會產生過熱燒傷和變形，焊補附近金相組織不改變，無應力集中現象。焊接閥門無需進行熱處理，焊接根據閥門的使用性能要求來選擇焊條，如Ni基合金或Stellite合金。焊接過程不會產生熱應力，閥門修復完后不必進行淬火或回火處理。

c． 焊接層可有較大范圍的變化。焊接過程有氬氣保護，沉積層可根據工件使用要求在面積和厚度上進行控制。

d． 優越的再焊性?？蓪﹂y門密封面損傷部位多次焊接，以保證閥門的使用性能。若閥門密封面修復使用一段時間后又出現沖刷現象，可進行再修復。修復后的密封面由于表面硬度增強，使用壽命延長。

e． 焊接層可進行機械加工。閥門密封面焊接完后，可根據要求進行車削、磨削、研磨、拋光等，以達到要求的尺寸和表面光潔度。

f． 可長時間連續工作，焊接速度快、工作效率高，可到現場工地進行在線原位焊接。

4.2.3 微弧精密焊接在閥門修復上待解決的問題

圖2 微弧焊接工作示意圖

微弧焊接屬于精密焊接，每次焊接量小于0.01 mm，對于較小缺陷的焊補具有突出優勢，對于較大缺陷的焊補，雖然其修補后的效果相同，但耗費較多人力和時間。在檢修工期較短的情況下，需安排好現場施工時間。

4.2.4 典型案例

a． 江蘇華能淮陰電廠于2005年低壓旁路閥閥座出現裂紋，密封面材質為Stellite合金，無法進行氬弧焊或電焊，后使用微弧精密焊接技術將裂紋修補，現場研磨密封面修復成功 (見圖3)。

圖3 低壓旁路閥修復前后圖像

b． 山西大唐國際陽城電廠于2005年5號機組1號中壓調速汽門閥座密封面下方出現約12 mm×90 mm×1.8 mm的沖刷區，材質為Stellite合金，現場無法進行氬弧焊接或電焊，Siemens德國專家建議使用镋削設備修復密封面，中方考慮到斯太力合金層減薄會造成閥門的使用壽命縮短和安全問題，故采用微弧精密焊接技術修補密封面缺陷，使用高精度曲面加工技術修復密封面型面的技術方案，工期12 d，至今未出現任何問題 (見圖4)。

微弧精密焊接技術能夠保證基體閥門不發熱、密封面不變形、不咬邊、修復區無殘余應力、無裂紋、冶金結合強度高，尤其適合發電設備重要部件磨損、裂紋等缺陷的修復，降低了研磨工作強度，提高了閥門的使用壽命，大幅度降低了成本，經濟效益顯著，為電廠節省了大量的資金。

表1 各大電廠檢修情況

圖4 修復過程圖像

5 應用

目前，高精度曲面加工、微弧焊精密焊接2項技術已在各大電力公司得到高度重視和大力推廣，并應用在眾多內國外機組和閥門中，正在逐步形成一個高精度、快速的閥門檢修新技術。

各大電廠檢修情況見表1。

6 結束語

高精度曲面加工技術和微弧精密焊接技術相結合可解決主汽門、調速汽門等大部分電廠大型閥門內漏的修復工作。修復后閥門的材料性能、尺寸精度可達到甚至超過原閥門的等級，提高了閥門的使用性能，延長了閥門的使用壽命。隨著技術應用的不斷深入，甚至可擴展到軸類、泵類、缸體類的修復，可解決電廠內沉積多年的技術難題?！伴y門修復”已從簡單的機械加工上升到“精密加工”、“精密焊接”、“材料科學”相結合的一個新的技術層面。

［1］ 陶興鳳，周愛民．電站閥門現狀分析與改進思路 ［J］．電站輔機，2003，24(4):32－33.

［2］ 董天倫．電站閥門密封面的研磨 ［J］．電站輔機，1985，6(2):34－35．

［3］ 王璋奇，丁祝順，彭震中．電站閥門面臨的問題及對策探討［J］．華北電力技術，2000，30(5):12－13.

［4］ 章傳剛，周黎明．哈汽600 MW超臨界機組調試設備常見問題分析［J］．東北電力技術，2008，29(12):27－29．

［5］ 周純江．補加工技術在曲面加工中的研究［J］．中國制造業信息化，2005，42(4):18－20．

［6］ 王先逵．精密和超精密加工技術 ［J］．機械工人，2000，51(8):22－23.