某型高壓汽輪機中間噴嘴室內腔底部裂紋修理

朱遠龍，殷明華

(湛江地區裝備修理監修室，廣東 湛江 524003)

0 前言

2006年4月，檢修某型高壓汽輪機主機噴嘴閥時，發現前、后主機中間噴嘴室內腔底部各有1條裂紋。裂紋方向大體平行于兩噴嘴閥中心連接，向后偏離閥座邊緣約15mm，在噴嘴閥座面向立壁過渡的圓弧面上，前主機裂紋長約180mm(見圖1)，后主機裂紋長約220mm(見圖2)。

該型高壓汽輪機主機設計采用定參數運行，即低工況時蒸汽參數與高工況一致。中間噴嘴閥箱蒸汽參數為蒸汽溫度400℃左右，蒸汽壓力大于5MPa。采用幾只噴嘴閥和與相對應的幾組噴嘴組及1只旁通閥的結構。高壓汽輪機汽缸為鑄焊結構，在汽缸上部焊有左、右及中間3只噴嘴室，中間噴嘴室與閥箱鑄成一體。中間噴嘴室安裝1#、3#2只噴嘴閥，噴嘴室材質為鉻鉬合金。

圖2 后主機閥內腔底部裂紋圖片

1 裂紋產生的原因分析

1)主機在低工況工作時使用了較高的設計蒸汽參數，在初始啟動條件下，閥箱熱應力加大，易誘發熱疲勞損傷。

2)由于閥箱鑄鋼件本身組織和結晶特點所限，可能存在不可避免的內部缺陷。

3)主機使用強度大且啟停頻繁，尤其在緊急快速啟動情況下易強化疲勞熱應力。

2 裂紋產生后的強度分析

如果裂紋的深度小于10mm，進行有限元理論分析靜強度計算，即僅對閥箱內表面施加工作壓力，計算所得的應力值只是由內表面壓力引起。本計算在模型出現裂紋處的缸壁上打磨掉10mm，并對剩余厚度結構進行靜強度計算。

1)建立數學模型。噴嘴閥箱為左右對稱結構，計算時的幾何模型為噴嘴閥箱的一半。劃分網絡采用四面體單元，對于結構突變的位置進行了細分，并把模型的內壁去掉10mm。網絡模型劃分了8萬個左右單元。

2)邊界條件給定。本模型計算所采用的約束設在本閥箱與汽缸連接的焊接處，3個自由度都進行約束，中間對稱結構面采用垂直對稱面的自由度進行約束。所加載荷僅為閥箱內表面施加的壓力，計算時并沒有加載溫度場以及沒有考慮管道推力和調節部套的重量。

3)計算和計算結果。通過計算，得到打磨處中間位置應力最大，最大應力大小為58.184MPa。裂紋處打磨去10mm后剩余厚度部分的強度可以滿足使用要求，可不做進一步處理。

如果裂紋深度超出10mm，則強度不夠，采用補焊辦法來處理，補焊過程中可能會引起閥座等部位變形，影響到閥座密封，所以焊后應復查閥頭、閥座研磨封線的密封情況，如果有變形需要重新研磨密封線，保證噴嘴閥的密封性。

3 修復解決方案

1)在裂紋中間部位或無損檢測點處作試探性鉆孔，孔徑D 10mm以下邊鉆邊觀察，至無裂紋為止。試探性鉆孔，可測量裂紋深度。測得前艙主機裂紋深度最深9mm，后艙主機裂紋深度最深15mm。為保險起見，對小于10mm的前艙主機裂紋同樣和后艙主機一樣采取補焊的方法進行修復。

2)沿裂紋走向清理和鏟磨裂紋，在保證補焊量最小的情況下，沿裂紋走向開槽并適當加工出焊接坡口，在保證質量和操作方便的情況下，焊接坡口應盡量小，以減少焊接量，坡口的形狀不應有急劇變化，表面平整，底部平緩無尖角。并將坡口及周圍10～15mm范圍去除銹斑油污等影響焊接質量的污物，并把噴嘴室內腔打磨光滑，在裂紋兩端打止裂孔 (孔徑D10mm以內，以裂紋端為圓心，一半孔在裂紋上，一半孔在未裂紋部分)防止裂紋擴展。在采用鏟磨和補焊過程中，為了防止消除裂紋或補焊過程中有金屬碎屑等雜物掉入噴嘴組內，必須按閥座內孔尺寸制作橡膠板封堵盤 (要有少量過盈)，封堵后四周用黃干油密封，將法蘭口等處保護，避免電弧打傷。經著色探傷檢查確認裂紋消除后，鏟磨工作結束才可施焊。

3)分層焊接，每層焊縫金屬及熱影響區焊后進行著色檢查，不允許存在裂紋、未熔合以及低于母材表面質量要求的夾渣、氣孔等缺陷。由于焊接應力和變形直接影響著結構的修理質量和使用性能，必須錘擊焊縫可使焊縫金屬得到適當延展，從而減少應力和變形，每道焊縫進行錘擊，錘擊的程度以肉眼可見的錘印為準，并且錘印密集。最后打磨光滑過渡圓弧角，檢查閥的氣密性，最后做好清潔工作。

此次修理，解決了該型高壓汽輪機主機噴嘴閥裂紋的難題，經過使用和定時檢查、跟蹤，修理質量較好，多次完成重大任務，至今使用6年多沒有再出現裂紋問題。