600MW超臨界高壓旁路閥內漏原因及處理方案

東莞市華鑫激光科技有限公司 羅雄光 晉俊超 廣東能源茂名熱電廠有限公司 陳其忠

1 設備及缺陷概況

某電廠#7機組系東汽輪機廠生產的600MW 超臨界壓力汽輪機組，型號CC600/523 － 24.2/4.2/1.0/566/566，是典型的超臨界、一次中間再熱、沖動式、單軸、三缸四排汽、雙抽汽凝汽式汽輪機。其主蒸汽高壓旁路閥為德國博普公司產品，型號為DCE4.140.300/700。2020年機組調峰停運期間發現高壓旁路閥無法緊密閉合，內漏蒸汽泄露且泄漏量較大。停機拆解發現：閥座密封面臺階平面處有大面積連續的金屬崩裂，約占臺階平面圓周的40%；緊鄰缺陷處，閥座和閥芯密封面出現較大面積的沖蝕凹坑，深約2～5mm；與閥芯配合的流量套筒局部有連續金屬崩裂，約占圓周25%，嚴重影響機組的運行安全和熱效率。

高壓旁路閥是汽輪機組旁路系統中非常重要的設備，機組啟動期間或事故時，鍋爐流過來的蒸汽不能被汽輪機所接收時需要開啟該閥門。尤其是開機過程中往往出現未飽和蒸汽長時間沖刷，對閥門的損傷特別大。在機組正常運轉期間，高壓旁路閥必須保證緊密關斷以避免蒸汽泄露造成能量的損失。

圖1 （a）閥座密封面（b）閥芯密封面（c）閥芯流量套筒

2 閥座裂紋原因分析

經電廠和維修單位多方討論，了解到此高壓旁路閥前期經維修過，認為此次高壓旁路閥內漏由以下因素引起：維修廠家在對閥座、閥芯密封面損壞部分進行補焊時焊接材料硬度不夠或焊后內應力過大，長時間高溫高壓環境下服役出現變形，致使閥座、閥芯與閥芯流量套筒間的形位公差超標，運動受阻，產生微裂紋；閥芯流量套筒和閥座平面產生微裂紋后，經高溫蒸汽湍流引起的長期高頻率機械振動，致使金屬疲勞斷裂；閥門關閉過程中，閥芯對閥座施加很大的沖擊力，在沖擊力作用下Stellite合金產生裂紋，裂紋沿著Stellite 合金及其與母材結合處不斷擴展，形成崩裂；閥芯與閥座緊密閉合運動達到“機械零位”時，與閥芯緊密配合的流量套筒與閥座正面碰撞，過大的沖擊力致使閥座產生裂紋。

3 處理方案

由于高壓旁路閥采用德國原裝進口閥門，返廠維修困難，電廠內無備件且備件備貨時間長。綜合分析以下因素：此項目要求48小時完工，時間緊迫、不容出現異常；待維修閥座與閥體經焊接為一體，閥口內徑約200mm，閥座距閥口深約500mm，空間狹小，拆卸回廠維修工藝復雜且工期較長，難以滿足電廠要求；閥座母材為馬氏體耐熱鋼，焊接性能差，密封面焊材是鈷基Stellite6合金，硬度高，開裂風險大，現場焊接條件艱苦，施工難度大；狹小空間內，常規機械加工方法難以施展。綜合權衡利弊后決定采取在線預熱、分段焊接、去應力熱處理→在線精鏜→超聲波沖擊強化振動去應力→手工精研的方案。

3.1 焊接工藝的選擇

經現場光譜分析檢測，高壓旁路閥閥芯閥座母材材質美標馬氏體型耐熱鋼F91鍛件硬度高、焊接性能差、開裂風險高。考慮到補焊處為閥門的密封面，因此要求堆焊的材料具有良好的耐熱、耐腐蝕、耐磨損性能，且能在650℃左右保持不變。因此選用適合于高溫高壓閥門密封面用的肯納司太立原廠鈷基合金Stellite6焊絲，其堆焊層硬度為37～43HRC，為增強其抗沖擊性能，以塑韌性極好的ERNiCrMo-3鎳鉻鉬-3焊材打底。考慮到原金屬崩裂位置，臺階平面邊緣需要塑韌性極好的耐熱、耐腐蝕材料，選用ERNiCrMo-3鎳鉻鉬-3焊材。其中閥芯和流量套筒可拆卸維修，難點在于閥座的在線補焊，閥座所處空間狹小，缸口內徑約200mm，閥座距離缸口約500mm，焊接環境惡劣。

閥座在線補焊前，將補焊表面的凹坑和尖角等缺陷做焊前處理，再將不光滑處打磨圓滑并對補焊處進行光譜分析，確認裸露原母材后進行PT 著色探傷檢測。補焊前用氧乙炔火焰槍對補焊處進行圓周面預熱到200℃，先用ERNiCrMo-3焊閥座臺階平面、再用Stellite6焊接閥座密封面。分段焊接，每段焊接長度約30mm 左右，減少熱輸入，層間溫度控制在230℃以下，焊接過程中對焊縫進行錘擊，焊后立即用氧乙炔火焰槍圓周加熱，用紅外測溫槍測溫，溫度在270℃左右保持30min。填充保溫棉，做去應力回火處理。待冷至室溫后，去除焊接高點，PT 著色檢查焊接質量，無氣孔、夾渣、微裂紋等焊接缺陷。

3.2 機械加工

根據機械原理該閥門關閉時有三處定位：閥桿與閥桿密封組件、閥芯與流量套筒以及閥芯與閥座。因此機械加工精度要求高，不僅要求尺寸精度，同時閥桿、閥芯和閥座密封面必須要有非常好的同軸度，否則會影響閥門關閉的嚴密性。利用閥芯及閥芯流量套筒可拆卸維修的特點，焊前預留基準位（另一端），焊后經車削后高精密磨床進行磨削，再經研磨拋光。鑒于閥座機加工局限于現場，以閥座內孔為基準安裝鏜孔機進行在線鏜削加工，預留單邊0.20mm 磨削余量，PT 著色檢查焊接質量，無氣孔、夾渣、微裂紋等焊接缺陷。

超聲波沖擊強化振動應力。介于本案例裂紋沿原補焊位置開裂，本次維修方案創新性的引進超聲波沖擊強化振動應力消除工藝，降低焊接件的拉應力和變形并產生殘余壓應力，有效的抑制微裂紋的萌生，提高焊接部位的抗疲勞強度。

閥座在線研磨。根據閥座尺寸和線型角度等制作專業的研磨工裝；以閥座內孔為基準，安裝專業研磨工裝對閥座密封面和臺階平面進行粗磨，磨削至單邊剩余尺寸0.1mm；逐級更換細砂帶，對密封面和臺階平面進行精密研磨；密封面精密研磨處理后光潔度達到Ra0.6，用紅丹粉測試，壓線連續無斷線；以閥座內孔為基準安裝閥芯、閥芯流量套筒等，用紅丹壓線測試閥芯與閥座接觸情況，以閥芯為基準，高級鉗工精研閥座至紅單壓線連續，無斷線。

3.3 現場驗收及閥門回裝

現場驗收：堆焊處PT 著色、超聲波探傷檢查無任何氣孔、夾渣、漏焊、微裂紋等缺陷；閥座密封型面與原型面相同，垂直度≤0.03mm，同軸度≤0.02mm，表面粗糙度為0.6μm；閥座、閥芯密封面紅丹粉著色檢查，密封線連續均勻，100%連續接觸；閥座補焊處硬度不小于330HV。

閥門回裝：清洗干凈各部件，組裝閥芯組件。安裝密封圈、閥蓋等，保證閥門開閉順暢無卡澀。

圖2 經維修后的閥座及閥芯組件

通過幾次對600MW 機組高壓旁路閥內漏的應急處理，獲得以下經驗：此類閥門不僅具有閥門類的開閉功能，同時也起高壓蒸汽降溫減壓的作用，結構復雜，組件間配合精密，對閥芯和閥座的變形量要求嚴格；修復閥芯、閥座時一定要確定合適的焊接材料，且焊接時進行必要的預熱及焊后去應力熱處理，制定防止閥芯、閥座變形的措施；創新性的引進超聲波沖擊強化振動應力消除工藝，降低焊接件的拉應力和變形并產生殘余壓應力，提高焊接件的抗疲勞強度；閥芯與閥座間接觸面壁薄，屬于薄弱又核心的部件，建議原廠設計人員引起重視。