汽輪機汽缸結合面變形分析及激光熔覆修復

1，2(1.西安石油大學， 陜西 西安 710000； 2.中國石化 中原油田普光分公司 天然氣凈化廠， 四川 達州 635000)

汽輪機汽缸結合面變形分析及激光熔覆修復

肖真

1，2(1.西安石油大學， 陜西 西安 710000； 2.中國石化 中原油田普光分公司 天然氣凈化廠， 四川 達州 635000)

以普光分公司天然氣凈化廠汽輪機汽缸結合面的變形故障作為研究對象，分析了汽缸結合面變形間隙超標的原因主要是螺栓1緊固力不足和操作細節不當。結合變形汽缸的實際情況，對常用于修復汽缸結合面變形的熱噴涂修復、涂鍍修復、補焊修復和加密封銅網修復等方法進行了分析和排除。選用鈷基合金粉末DL301作為熔覆材料，以25鋼板作為激光熔覆工藝參數制定試驗的基材試板，采用8組試樣進行激光熔覆修復對比試驗，并將激光熔覆技術引入汽缸結合面的變形修復，現場修復后的結合面熔覆層完好無缺陷，回裝后汽缸漏氣現象消除。

汽輪機； 汽缸結合面； 變形； 激光熔覆技術； 修復

該汽輪機于2009-10投用，2014-04第二次大修時，發現汽缸水平結合面低壓軸端汽封(圖1)旁發生嚴重變形，上、下缸扣合后該位置的水平間隙達到1.7 mm，遠大于標準規定的0.10 mm。汽缸變形處一側為軸端汽封抽汽腔室，與軸端汽封的抽射器相連。另一側為汽輪機低壓蒸汽室，與汽輪機的排汽管線相連。若該位置發生變形，會造成上、下缸扣合后結合面間隙超標，低壓蒸汽室的蒸汽(0.55 MPa)會竄入汽封抽汽腔內(微負壓)，使抽汽室里的蒸汽量超出汽封抽射器的抽氣能力，致使低壓蒸汽從汽輪機低壓軸端汽封位置大量外漏，給汽輪機的安全平穩運行帶來極大的安全隱患。文中對汽缸結合面間隙超標原因進行了分析，引入激光熔覆技術對汽缸結合面進行了成功修復。

圖1 B3-36/5型汽輪機下汽缸

1 汽輪機汽缸結合面變形原因分析

1.1分析方法

采用壓鉛法檢查汽缸結合面變形分布情況，鉛絲直徑2.5 mm，使用厚度0.5 mm的銅皮作標準塊。汽缸結合面變形分布測量方法見圖2。

圖2 汽缸變形分布測量示圖

用千分尺對壓鉛后的鉛絲厚度進行測量，結果見表1。

表1 壓鉛后鉛絲厚度 mm

由表1可知，汽缸結合面變形分布情況為，沿x和y方向汽缸變形量逐漸增大，即x方向上離螺栓1的距離越遠變形越大，y方向上靠近抽氣室一側變形大。結合該設備日常運行情況及國內外同類設備故障處理經驗，認為造成汽缸結合面在該位置發生嚴重變形的原因主要有兩個方面。

1.2變形原因

1.2.1螺栓1緊固力不足

汽缸結合面法蘭螺栓間距為100 mm左右，但汽缸結構設計存在問題，從螺栓1開始沿x方向約250 mm的法蘭面沒有設計螺栓進行緊固。在設備安裝過程中，若螺栓1的緊固力未達到設計要求或螺栓緊固順序出現錯誤，就會造成該處法蘭面緊固力不足。當機組啟動時，高溫蒸汽進入汽缸會使常溫缸體迅速升到高溫狀態，發生受熱膨脹變形，而整個汽缸受熱不均勻，前后缸、上下缸的溫差較大，造成缸體膨脹變形的不同。而由于該位置法蘭面緊固力不足，使其成為了整個汽缸制造殘余應力和溫差變形的釋放點。機組多次啟停使這些膨脹差異在該位置逐漸疊加，最終造成汽缸在該位置發生塑性變形，結合面間隙超標。

螺栓1緊固力不足是汽缸結合面發生變形的主要原因，在以后的檢修、維修中，需嚴格按設計要求的緊固順序和緊固力來緊固結合面螺栓，必要時可以進行熱緊。

1.2.2操作細節不當

由圖1可知，汽缸變形處內側是低壓蒸汽室，外側是汽封抽汽室。汽輪機啟機預熱或停機降溫時，低壓蒸汽室側為密閉空間，且與蒸汽直接接觸，溫度較高，而汽封抽汽室側由于有低溫空氣吸入，溫度較低。所以在機組啟機預熱時，必須對其進行充分暖機，使汽缸該位置內外側溫度在規定溫差內同步升高。在機組停機后，必須及時關閉汽封抽射器，防止大量冷空氣進入氣缸該部位外側后使其在降溫過程中內外側溫差過大。據相關資料介紹，若汽輪機啟機預熱時間過短或停機操作不當，汽缸在該位置兩側的溫差可達50～70℃[1]。該溫度差的存在導致機組啟停機時，變形位置外側承受拉應力，內側承受壓應力，經過多次啟停積累，致使汽缸在該位置橫截面上的垂直軸線縮短，水平軸線增長，形成如圖3所示的外張口變形。

圖3 汽缸外張口變形示圖

操作細節不當是汽缸結合面發生變形的次要因素，需要嚴格細致操作，啟機時充分預熱暖機，停機后及時關閉汽封抽汽器。

2 傳統結合面變形修復技術

2.1

熱噴涂修復

熱噴涂技術操作簡單方便、修復速度快，適合處理汽缸大面積的局部變形。此外，噴涂時熱輸入低，預熱溫度在100 ℃左右，不會影響基材金屬的金相組織結構和力學性能，也不會引起汽缸變形及產生殘余應力[2]。但熱噴涂的噴涂組織不夠致密，噴涂層與母材結合強度不高，涂層在運行中可能脫落。修復時要求對基材表面進行粗糙化處理，會對結合面有一定的破壞。

從普光天然氣凈化廠生產的特殊性和汽缸修復的可靠性考慮，熱噴涂修復并不是最佳方案。B3-36/5型汽輪機結合面間隙達到了1.7 mm，接近噴涂技術的安全高限2 mm，會進一步降低噴涂修復層的可靠性。采用熱噴涂還需進行缸體預熱和汽缸結合面粗糙化處理，會對汽缸造成一定程度的次生損傷，現場操作實施也有一定的難度。

2.2涂鍍修復

當結合面變形面積較大，間隙在 0.50 mm及以下時，為減少刮研工作量，可采用涂鍍修復技術[3]。其主要優點為：①涂鍍層結合強度較高。②涂鍍液種類多，鍍層金屬選擇面廣。③結合面表面光潔，無需對其表面進行破壞性的拉毛處理。④工藝過程對基材無熱影響，可進行多次修補處理[4]。但涂鍍修復層質量受氣候的影響較大，涂鍍時氣溫需在20 ℃以上，氣溫較低時鍍層性能極為不佳。此外，涂鍍層內會存在殘余應力，且應力大小隨鍍層厚度增加而增大，最后以形成裂紋的方式釋放應力，導致鍍層剝離。因此，涂鍍修復層厚度一般不能太大，否則鍍層極易產生微裂紋[5]。

B3-36/5型汽輪機汽缸變形位置的間隙值達1.7 mm，若采用涂鍍修復工藝，產生微裂紋的可能性很大，使修復后的汽缸存在極大的安全隱患。另外，汽缸需要在3月份修復，氣溫較低，現場無法控制環境溫度，進一步降低了涂鍍修復層的穩定性。

2.3補焊修復

補焊修復的優點是操作簡單方便，對設備、修復人員及修復環境的要求均不高。當汽缸結合面局部變形面積不大以及汽缸結合面被蒸汽沖刷出溝痕時，可進行補焊修復[6]。補焊修復最大的缺點是修復過程中會輸出較大的功率和熱量，如對汽缸進行大面積補焊修復，極易造成汽缸退火以及整體變形。

B3-36/5型汽輪機汽缸變形位置的基材寬度只有70 mm，且位于汽缸末端，只受單邊約束，但間隙達到了1.7 mm，若使用補焊工藝修復，輸出的熱量會使汽缸在該位置出現整體變形，影響后端汽封與汽缸的裝配間隙，機組運行時給汽缸帶來新的漏汽隱患。此外，現場無法對補焊時產生的殘余應力進行良好的消除處理，進一步降低了補焊的可靠性。

2.4研刮修復

研刮修復的優點是成本低，操作簡單，無熱變形、殘余應力等隱患。缺點是勞動強度和工作量很大，研刮量過大時會使汽缸內腔成為橢圓，導致汽輪機轉子動葉柵頂部與汽缸內側之間以及隔板汽封之間的間隙縮小，嚴重時會使這些部位失去應有的配合，導致汽缸報廢。

B3-36/5型汽輪機汽缸屬局部變形，變形達1.7 mm，若單獨采用研刮方法修復，要將汽缸其余部位整體向下研刮1.7 mm，工作量特別巨大。同時會造成汽輪機轉子動葉柵頂部與汽缸內側之間以及隔板汽封之間的間隙大幅縮小，直接影響汽輪機的安全平穩運行。

2.5加密封銅網

若汽缸結合面變形局部間隙不是很大，可以將80～100目的銅絲網熱處理降低硬度后剪裁成適合的形狀，鋪在結合面漏汽位置，再配以涂料，以消除變形汽缸的間隙。但B3-36/5型汽輪機汽缸變形間隙較大，無法采用這種方法。

2.6其它處理方法

其它處理汽輪機汽缸變形的方法有缸體返廠加工、更換中分面螺栓并增加緊固力、提高高溫密封膠性能及開槽修復等方法，但這些方法有些無法滿足普光天然氣凈化廠工期要求且成本較高(如汽缸返廠處理、開槽修復)，有些無法滿足修復質量要求(如更換螺栓并增加緊固力、提高密封膠標號)，均不適合B3-36/5型汽輪機汽缸變形修復。

3 激光熔覆技術

激光熔覆技術是在被加工的基材表面覆蓋一層合金或陶瓷粉末，然后利用高能密度激光束，將涂覆粉末和基材表面迅速熔化混合，形成具有熔覆材料特性的金屬熔覆層的表面處理技術[7]。激光熔覆原理見圖4。

圖4 激光熔覆原理圖

激光熔覆時，激光器光源將電能轉化為光能，經激光器內的偏振片、反射鏡將激光束進行偏振、整合，變為疊陣光束合束。平行合束再由匯聚系統進行聚焦，使能量密度達到最大，實現對熔覆材料和基材的加熱熔化。熔覆材料供給方式主要分為預置粉末法和同步送粉法，預置粉末法是在激光熔覆前將待熔覆材料提前覆蓋在基材表面，同步送粉法則是利用送粉器將熔覆粉末材料送入激光輻照區，經激光加熱熔化后落入熔池的方法。熔覆材料同步送粉示意見圖5。

圖5 熔覆材料同步送粉示圖

激光熔覆技術具有操作安全、無污染、易實現自動化生產、成品率較高等優點，熔覆層與基材是冶金結合，所得到的熔覆層具有耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、抗疲勞及抗氧化等優良性能[8]。

4 汽輪機汽缸結合面激光熔覆修復

4.1熔覆材料選用

對B3-36/5型汽輪機汽缸材料的化學成分、物理性能和力學性能進行分析，激光熔覆材料中的鐵基、鈷基和鎳基合金粉末均能滿足修復要求。機組進汽溫度為390 ℃，前缸溫度一般高于300 ℃，后缸溫度接近200 ℃，本次修復部位為后缸，而鐵基熔覆層在200 ℃以上時性能會明顯下降，不利于長期穩定運行。

此外，考慮到修復后的汽輪機在運行過程中，由于密封膠老化脫落、螺栓緊固力下降等原因，汽缸中分面仍存在著一定的漏汽風險，高溫、高壓蒸汽會對修復后的熔覆層產生沖刷腐蝕，因此，選擇耐沖蝕和耐磨損性能良好的鈷基合金粉末DL301作為修復的熔覆材料[9]，其主要化學成分見表2。

表2 DL301鈷基合金粉末化學成分 %

4.2熔覆工藝參數制定

激光熔覆工藝參數是決定熔覆質量的重要影響因素，除了少數已經固化并已工業實踐的激光熔覆表面處理項目以外，大多數的激光熔覆表面改性或修復項目在應用前都需對工藝參數進行一定的試驗和驗證，否則無法得到預期的激光熔覆層[10-16]。

影響激光熔覆層質量的主要工藝參數包括功率、掃描速度、送粉速度和搭接量等。為了不破壞汽缸進行修復工藝參數制定試驗，考慮到熔覆材料具有一定的適用性，采用25鋼板作為工藝參數制定試驗的基材試板。結合國內外相似材料激光熔覆的研究經驗，選取8組試樣進行激光熔覆工藝參數對比試驗，各工藝參數見表3，得到的激光熔覆試驗結果見圖6。

由圖6可以看出，試樣1表面存在翻漿發黑，稀釋率太高，試樣2熔覆層表面成型良好，試樣3搭接過寬且表面不平，試樣4表面有氣孔，試樣5表面有氣孔夾雜，試樣6同樣存在稀釋率過高的現象，試樣7搭接過寬、表面不平并有氣孔，試樣8搭接過寬并過燒。因此，選取試樣2的參數作為本次變形汽缸修復的工藝參數。

表3 激光熔覆工藝參數對比試驗參數

圖6 激光熔覆對比試驗結果

4.3修復

4.3.1修復前尺寸檢測

通過前期檢查，結合面間隙超標主要是由于上缸體變形造成的，汽缸的下缸體無變形。因此，將待修復的上汽缸翻缸，使結合面朝上，利用水平尺檢查調整，確保結合面整體水平。然后對結合面進行簡單清洗，利用平板尺、直尺、游標卡尺測量變形待修復位置的凹入深度，結合前期檢修時利用扣缸壓鉛法檢測到的數據，確定最終的變形尺寸和激光熔覆工作量。

4.3.2待修復表面深度清潔和探傷

利用丙酮和氫氧化鈉熱溶液對待修復部位的表面進行清洗，再用細砂子和油石水磨，以去除待修復部位表面的油脂、污垢、銹斑等雜物。清洗完成后進行表面滲透檢測，檢查待修復表面及其周邊區域是否存在氣孔、裂紋、夾雜等其它缺陷。

4.3.3去除疲勞層及其它缺餡

利用手持式電動打磨機對待修復的表面進行打磨，去除表面疲勞層以及裂紋、氣孔等其它缺陷，打磨深度為0.2 mm。打磨完成后再次對表面進行仔細清洗，最后進行化學酸洗和烘干。

4.3.4制備熔覆層

變形汽缸結合面預處理合格后，即可采用前文所述合金粉末和激光熔覆工藝參數進行激光熔覆修復，在汽缸結合面基材上制備熔覆修復層。

4.3.5手工刮研

制得熔覆修復層后，需要對其進行刮研，方能滿足汽缸結合面尺寸及表面粗糙度要求。刮研主要分為打磨、精刮和研磨。研磨最為關鍵，要采用微粉粒度為F1200的碳化硼研磨膏，對熔覆修復面進行半干研磨，使其表面粗糙度達到出廠設計標準(Ra=0.1～0.2 μm)。

汽缸變形位置修復完成后的形貌見圖7。

圖7 汽缸變形位置修復后形貌

5 結語

采用試樣2的激光熔覆工藝參數對汽缸變形位置進行現場修復，之后對熔覆層進行滲透檢測和超聲波檢測，熔覆層完好無缺陷。汽缸回裝后引汽試機，汽缸漏氣現象消除，采用激光熔覆技術修復汽輪機變形汽缸的試驗取得成功，對類似故障修復具有借鑒意義。

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(張編)

AnalysisofSteamTurbineCylinderJointSurfaceDeformationandLaserCladdingRepairing

XIAOZhen1， 2

(1.Xi’an Shiyou University， Xi’an 710000， China； 2.SINOPEC Zhongyuan Oil Field Puguang Branch Natural Gas Purification Plant， Dazhou 635000， China)

The joint surface deformation fault of the stream turbine cylinder occurred in Puguang Natural Gas Purification Plant as the research object. The reason of the joint surface clearance exceeding has been analyzed. The main reason is the lack of bolt tightening force and improper operation details. Combined with the actual situation of the deformation of the cylinder，technologies commonly used to repair the cylinder joint surface deformation，including the thermal spray repair，coating repair，repair welding，sealing copper network repair and other methods， have been analyzed and excluded. The cobalt-based alloy powder DL301 was used as the cladding material. The test specimen was prepared with 25#steel plate as the laser cladding process parameter. The laser cladding repair test was carried out with 8 sets of samples，and the laser cladding technology was introduced into repairing the joint surface deformation of the cylinder，the site after the repair surface of the bonding layer is not defective. After reassembly，the phenomenon of leakage is eliminated.

turbine； cylinder joint surface； deformation； laser cladding technology； repair

TQ050； TH4

B

10.3969/j.issn.1000-7466.2017.03.011

1000-7466(2017)03-0051-06①

2016-12-03

肖 真(1987-)，男，四川遂寧人，工程師，碩士研究生，主要從事高含硫天然氣凈化廠動、靜設備的管理和檢修、維修工作。