核電汽輪機末三級靜葉隔板過程監(jiān)造要點與案例

米良

（上海核工程研究設(shè)計院有限公司，上海 200030）

1 概述

隨著國家對碳中和與碳達峰時間表的提出，以及常規(guī)能源的有限性以及環(huán)境問題的日益突出，以核能、風能、光伏等為代表的環(huán)保和可再生為特質(zhì)的能源越來越得到各國的重視，而核能在作為一種安全、綠色、穩(wěn)定的能源在上述能源中具備大規(guī)模開發(fā)、建設(shè)的先天優(yōu)勢。同時，基于切爾諾貝利、福島等核事故所帶來的慘痛教訓(xùn)，核電站的安全和質(zhì)量要求也不斷提升，針對核電站設(shè)備制造階段質(zhì)量的管控顯得尤為重要。監(jiān)理工程師對設(shè)備制造所開展的質(zhì)量把控，一方面是對設(shè)備本身的質(zhì)量負責，另一方面也是通過提出問題和要求，鍛煉、培育合格、優(yōu)秀的核電設(shè)備制造商，使其技術(shù)能力、管理質(zhì)量等方面不斷得到提升。本文從某核電低壓汽輪機末三級靜葉監(jiān)造角度出發(fā)，主要介紹了對該設(shè)備過程監(jiān)造中的關(guān)鍵控制點，同時輔以實際案例予以說明。

2 設(shè)備簡介

某核電低壓汽輪機單缸動靜葉左右各十級，其中低1-7 級靜葉為鍛造扁鋼制造的加工型靜葉片，8-10 級（末三級）為鑄造型葉片，通過內(nèi)、外環(huán)焊接而成，也稱特殊靜葉。靜葉隔板的內(nèi)外環(huán)為碳鋼鑄件并設(shè)有汽封槽、疏水槽，由于該部位與蒸汽、疏水長期接觸，為保證密封性和防腐蝕性，采用熔化極活性氣體保護焊在該部位分三次堆焊不銹鋼，每層厚度約為10mm。

在末三級靜葉隔板的實際制造過程中，主要的工藝流程如圖1 所示。

圖1 末三級靜葉制造的工藝流程

在實際監(jiān)造過程中，普遍選取的過程控制點主要包含原材料驗收（含化學(xué)成分分析、熱處理、力學(xué)性能試驗、滲透檢測）、葉片尺寸檢查、葉型檢查、焊接檢查、尺寸檢查、清潔和防異物檢查等幾個方面。下文將針對以上各主要控制點進行逐一介紹和分析。

3 過程控制點分析

3.1 原材料驗收

原材料驗收一般采用文件檢查/見證的形式開展，主要是針對靜葉、內(nèi)外環(huán)以及焊材等原材料的質(zhì)量證明書/合格證明書中標識的相關(guān)數(shù)據(jù)（如，牌號、規(guī)格、化學(xué)分析、機械性能、供貨商等）的符合性進行核查，核查重點應(yīng)包括：

（1）牌號、規(guī)格、化學(xué)分析、機械性能等相關(guān)參數(shù)是否符合有關(guān)規(guī)范、標準及產(chǎn)品設(shè)計規(guī)格書的要求。

（2）制造廠提供的質(zhì)量證明書/合格證明書與原材料實物是否對應(yīng)一致。

（3）制造廠提供的質(zhì)量證明書/合格證明書與原材料及焊材入廠復(fù)檢記錄是否一致。

（4）文件的真實性，如所提供的原材料質(zhì)量證明書/合格證明書是否加蓋原材料生產(chǎn)廠家或供貨商或原材料使用方的質(zhì)檢專用印章。

（5）原材料供貨商是否與采購合同約定的供貨商一致。

文件方面的檢查與設(shè)備本體檢查同樣重要，如果在原材料質(zhì)量檢查階段遺漏問題進入設(shè)備制造的下一階段，往往會造成整臺設(shè)備的最終報廢或帶病運行，對項目進度和安全質(zhì)量造成不可預(yù)估的風險。因此，當發(fā)現(xiàn)上述一個或幾個方面存在問題時，應(yīng)對文件作進一步檢查驗證，必要時可對原材料實體的檢驗進行現(xiàn)場見證，結(jié)合進一步驗證情況，確定照用或報廢的處理方案。

3.2 葉片檢查

靜葉片在汽輪機運行過程中起著集流導(dǎo)流蒸汽，靜葉片的制造質(zhì)量往往會對通流面積、蒸汽方向等方面造成影響，進而影響到機組出力和安全運行，因此葉片檢查一般包含了葉型檢查和尺寸檢查兩個方面。

葉型檢查主要是通過選取多個截面，測量各截面的最大厚度和出氣邊厚度是否在圖紙要求的公差范圍內(nèi)。葉型檢查一般是使用葉型檢查模具對靜葉片不同部位進行卡合，然后使用塞尺測量模具與葉片間隙，以此來判斷靜葉片與標準葉型的偏離程度是否在圖紙要求的公差范圍內(nèi)。不論是葉型檢查還是葉片尺寸檢查，在檢查過程中應(yīng)重點關(guān)注的事項包括：

（1）測量人員是否具備制造廠相應(yīng)授權(quán)。

（2）檢查所用千分尺、葉型檢查模型是否在檢定有效期內(nèi)。

（3）測量前應(yīng)使用千分尺檢查塞尺厚度是否準確，塞尺、葉型檢查模型是否存在生銹、破損等情況。

（4）葉片尺寸和葉型是否在圖紙要求的公差范圍內(nèi)。

由于葉片數(shù)量較多，監(jiān)造人員在進行葉片尺寸和葉型檢查時，往往結(jié)合實際葉片數(shù)量確定合適的比例采用抽檢的形式進行，同時對制造廠出具的全檢記錄進行文件檢查。

3.3 焊接檢查

3.3.1 檢查分析

靜葉片拂配與內(nèi)外環(huán)焊接完成后，一般采用滲透檢驗（PT）的形式對焊接質(zhì)量進行檢查，檢查過程中應(yīng)關(guān)注的事項包括：

（1）探傷人員是否具備相應(yīng)的滲透探傷資質(zhì)。

（2）滲透液、顯像劑、清洗劑是否為同一廠家生產(chǎn)，且在有效期內(nèi)；可通過要求制造廠使用探傷劑做試塊，看試塊上缺陷是否顯示清晰來判斷液劑的有效性。

（3）探傷面是否存在無鐵銹、氧化皮、焊接飛濺、鐵屑、毛刺以及各種防護層，一般要求表面粗糙度Ra≤25um。

（4）施加的（可選用噴涂、刷涂、澆涂）滲透劑是否完全覆蓋被檢工件表面，并在整個滲透時間內(nèi)保持潤濕狀態(tài)。

（5）滲透劑溫度和工件表面溫度是否在5℃-50℃范圍內(nèi)，在此溫度范圍內(nèi)滲透劑持續(xù)時間一般不應(yīng)小于10min。在噴涂顯像劑時被檢面溫度不應(yīng)高于50℃，現(xiàn)象時間通常為5-10min。

（6）檢查缺陷情況時，表面照度是否大于1000LX；為辨認細小顯示時，觀察時可輔以5-10 倍放大鏡。

在滲透檢查過程中，要務(wù)必保證探傷范圍覆蓋所有焊接位置，在實際操作過程中往往對較大處，明顯處焊接位置（如靜葉片內(nèi)外焊接位置）的檢查較為重視，局部凹槽（如汽封槽堆焊面）等位置往往關(guān)注度不夠，容易造成設(shè)備質(zhì)量控制不嚴格，留下質(zhì)量隱患。

3.3.2 案例分析

以某核電機組末三級靜葉滲透檢查發(fā)現(xiàn)問題為例，在對其汽封槽堆焊面檢查過程中發(fā)現(xiàn)存在多處大于5mm 的圓形缺陷，最大可達13mm×10mm,具體位置及情況詳見圖2。

圖2 缺陷位置圖

依照廠內(nèi)驗收標注，滲透探傷后以下缺陷不可接受：a.裂紋、線性缺陷顯示；b.5mm 以上圓形缺陷；c.4 個以上相連圓形缺陷，間距小于1.5mm。

由于已發(fā)現(xiàn)缺陷已經(jīng)超出廠內(nèi)標準可接受范圍，因此各方針對缺陷從對機組性能影響、強度分析、長期穩(wěn)定性分析、缺陷模擬等方面進行了評估。

在性能影響方面，通過對實際運行情況分析發(fā)現(xiàn)，安裝汽封塊后，在機組運行過程中考慮蒸汽壓力及蒸汽流向，汽封槽座面（seat surface）為主要受力點和密封面，若保證汽封槽座面的密封性良好，則漏氣量不會增加，相應(yīng)的，機組性能及經(jīng)濟性就不會受到影響。因此，為保證座面位置的密封性，該位置出現(xiàn)的相關(guān)缺陷后續(xù)需進行修補處理，避免因漏氣量增大影響機組性能。

在強度分析方面，結(jié)合機組運行過程中的工況，末三級蒸汽溫度在40-80℃之間，蒸汽壓力小于0.1Mpa，由此在運行過程中蒸汽對汽封塊產(chǎn)生的持續(xù)性軸向推力小于0.1Mpa，汽封塊對汽封槽產(chǎn)生的壓力相對較小。

通過有限元計算分別對末三級隔板汽封槽進行分析發(fā)現(xiàn)，運行條件下，汽封槽受力位置主要集中在受力面方向（圖3），第8-10 級隔板汽封槽處所受最大應(yīng)力值分別為3.9Mpa、2.9Mpa、3.5Mpa，在將最大承受應(yīng)力σmax 與材料屈服強度σys 比值計算可以得出汽封槽所受應(yīng)力遠低于屈服強度（圖4），因此在連續(xù)推力作用下，汽封槽的結(jié)構(gòu)強度可以滿足要求。

圖3 第十級靜葉隔板汽封槽應(yīng)力分布圖

圖4 末三級隔板汽封槽最大承受應(yīng)力與材料屈服強度比值計算

在長期穩(wěn)定性分析方面，對于缺陷來說，依照破壞力學(xué)理論，應(yīng)力強度因子反映了缺陷頂端附近區(qū)域個點應(yīng)力的強弱程度，在對缺陷的長期穩(wěn)定性分析過程中，通過計算缺陷位置的應(yīng)力強度因子ΔK，并與相應(yīng)的臨界強度因子ΔKth 進行對比，可以評判三種情況下缺陷是否存在進一步擴大的可能，若ΔK＜ΔKth，則相關(guān)缺陷不會擴展，若ΔK≥ΔKth,則相關(guān)缺陷會出現(xiàn)進一步擴展，其中缺陷處應(yīng)力強度因子計算公式如下：

其中：ΔK：應(yīng)力強度因子；

a：缺陷深度；

c：缺陷長度；

σ：應(yīng)力值。

通過計算對比可以發(fā)現(xiàn)，末三級隔板汽封槽處應(yīng)力強度因子遠小于臨界強度因子（圖5），因此在持續(xù)壓力作用條件下，三種缺陷均不會出現(xiàn)進一步擴展的可能。若假定應(yīng)力強度因子等于臨界強度因子，即ΔK=ΔKth。在此情況下求得末三級靜葉汽封槽堆焊面缺陷大小需至少在160mm 以上，通過對比可知，目前發(fā)現(xiàn)的缺陷大小均大大小于該數(shù)值，通過這種方式，進一步印證了在持續(xù)壓力作用下，現(xiàn)有缺陷不會出現(xiàn)進一步擴大的可能。

圖5 末三級隔板應(yīng)力強度因子與臨界強度因子比值

通過以上分析4 方面分析情況及評估結(jié)論，最終確定該問題的處理依照以下原則開展：

（1）對汽封槽表面重新目視檢查及PT 檢測，確定不銹鋼堆焊面缺陷大小位置。

（2）鑒于汽封槽的非受力面及非密封面處缺陷對機組性能及結(jié)構(gòu)強度不會造成影響，對于處在汽封槽非密封區(qū)域及非受力區(qū)域的缺陷不作處理，對于處在汽封槽密封區(qū)域及受力區(qū)域的缺陷依照廠內(nèi)工藝及標準要求進行修補處理（圖6）。

圖6 修補位置示意圖

（3）鑒于汽封槽受力面及密封面處缺陷預(yù)計會增加漏氣量并對機組性能造成影響。

3.4 尺寸檢查

末三級隔板最終需與汽輪機低壓內(nèi)缸進行裝配和安裝，因此隔板加工后尺寸是否在圖紙約定的公差范圍內(nèi)直接影響后續(xù)的裝配與到廠安裝工作，在實際檢查過程中，應(yīng)重點關(guān)注：

（1）葉片節(jié)距、喉部尺寸是否在圖紙要求的公差范圍內(nèi)。（2）定位螺栓位置尺寸是否符合圖紙要求。

（3）是否需對隔板進行修磨調(diào)整，如需應(yīng)在調(diào)整完成后再次測量。

3.5 清潔度、防異物檢查

3.5.1 檢查分析

在相關(guān)加工制造工序基本完成后，還應(yīng)對末三級靜葉的本體開展清潔度與防異物檢查，檢查過程中應(yīng)重點關(guān)注：

（1）中分面、螺栓定位面是否存在拉毛、凹坑的缺陷。（2）內(nèi)部是否存在異物、銹蝕等情況。

（3）所有中分面螺栓均已取下，螺栓是否有咬死情況。（4）對于需長期存儲的，是否做好防銹保護措施。

3.5.2 案例分析

某核電項目末三級靜葉隔板在發(fā)貨前檢查中發(fā)現(xiàn)，靜葉隔板中分面定位銷及銷孔等位置存在拉毛的情況，主要原因為制造廠在總裝過程中多次拆合缸，保護措施不足造成。后對發(fā)現(xiàn)的拉毛情況及時要求制造廠去除高點并將相關(guān)內(nèi)容在監(jiān)造工作報告中進行記錄。

4 結(jié)論

末三級靜葉隔板作為汽輪機內(nèi)部重要部件之一，對保證汽輪機的出力和安全運行起著至關(guān)重要的作用。除了在制造過程中，需要監(jiān)理工程師以認真負責的工作態(tài)度，扎實過硬的技術(shù)能力，嚴格開展設(shè)備監(jiān)造工作，及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題和隱患以外，還需要通過多種手段及評估方法，在充分考慮各種因素的條件下科學(xué)、全面地對問題進行分析，與制造廠共同制定出最佳處理方案，保證設(shè)備到場后的安全穩(wěn)定運行。