600 MW機組高壓聯合汽門內壁裂紋修復處理

魏利輝，梁恩寶，張濤濤，朱 平,馬延峰，王 鋒

(1.神華國華孟津發電有限責任公司，河南 洛陽 471112；2.蘇州熱工研究院有限公司，江蘇 蘇州 215004)

0 引言

汽輪機汽缸、閥門等大厚壁鑄鋼件在運行時，除了承受較大的工作應力、機械應力外，還承受熱應力及疲勞應力等，經過長期服役后，其本體表面或內部均可能出現裂紋，嚴重威脅安全生產。因此，一旦發現裂紋應及時處理，以消除安全隱患。

某600 MW 超臨界機組1A 側高壓聯合汽門由日本富士公司生產制造，設計溫度546 ℃，設計壓力28.9 MPa，閥體材料為GS-17CrMoV511 鋼，本體最薄處壁厚約220 mm，最厚處約350 mm，于2011 年投入運行使用。2021 年春季檢修期間，發現該高壓聯合汽門主汽出口導管內壁存在3 條肉眼可見的裂紋缺陷，同時經超聲檢測確認，裂紋最大深度約75 mm，需要對其進行焊接修復。

1 修復的難點與風險分析

對于汽輪機鑄鋼件的修復，可根據缺陷的深度、大小、分布位置等特征，按照DL/T 753—2015《汽輪機鑄鋼件補焊技術導則》要求采用同質熱焊法或異質冷焊法進行補焊。由于該高壓聯合汽門裂紋在機械打磨消除后，形成的坡口尺寸較大(最深約75 mm，最長約240 mm)、形狀不規則，且由于機組需參與深度調峰，采用異質冷焊法形成的焊接接頭很可能因材料間熱膨脹系數不同及碳元素擴散遷移問題而出現早期開裂[1]。因此，為了獲得更加安全可靠的焊接接頭，采用同材質熱焊法進行修復。該閥門的現場修復面臨著以下問題。

(1) 管道異物。該高壓聯合汽閥連接著主管道、疏水管道等管道，內部正下方共有5 個孔徑不等的管孔。在進行內壁裂紋修復時，如對管孔封堵不嚴，存在著焊條頭、焊渣、保溫棉、陶瓷片等異物落入管道的風險。如有異物進入管道，必須進行割管才能將其清理干凈。

(2) 裂紋擴展。由于裂紋分布在內壁且深度很大，其所在位置孔徑較小(僅300 mm)，無法進行鉆削止裂孔,在進行機械打磨時，裂紋可能會發生擴展。

(3) 閥座密封面損傷。裂紋所在位置附近安裝了不可拆卸的閥座，裂紋距離閥座密封面僅300 mm，且由于操作空間的限制，不能采用鎢極氬弧焊，僅能采用焊條電弧焊。焊條電弧焊在焊接時產生的飛濺較大，會嚴重損傷閥座密封面。

(4) 焊接冷裂紋。 閥體材質為GS-17CrMoV511 鋼，屬于珠光體耐熱鋼。根據碳當量公式進行計算，其碳當量在0.66 %～0.98 %之間，焊后易形成淬硬組織，導致冷裂紋出現。

(5) 熱處理升溫效果。由于修復區域的壁厚較大(220 mm)，閥門形狀不規則，且內壁修復區域附近存在著厚度較小的閥座，而無法放置加熱器，采用常規的加熱方法很難將修復區域加熱至720～750 ℃的熱處理溫度區間。

(6) 再熱裂紋。再熱裂紋通常產生在熔合線附近的粗晶區中，從焊趾部位開始，延向細晶區停止。GS-17CrMoV511 鋼中的Cr，Mo，V 等元素會促使形成再熱裂紋，其再熱裂紋溫度敏感區間為640～760 ℃，最敏感溫度點為690 ℃[2]。因此，在焊后熱處理時，可能會產生再熱裂紋。

(7) 閥門本體變形。該聯合汽門通過調門端的大螺母與高壓缸相連接，高壓缸整體返廠檢修，導致聯合汽門調門端懸空。在焊后熱處理時，閥門修復區會因溫度升高而出現強度大幅下降的情況，調門側的重力可能會導致閥門本體產生不可逆的塑性變形，最終影響閥門與高壓缸連接的密封性。

因此，該聯合汽門的現場修復存在著較大困難，必須針對性地制定有效的技術措施，以降低風險。

2 現場修復過程

2.1 修復前準備

針對上述異物、加熱、本體變形等問題，修復前做好相關措施。

(1) 通過在管孔粘貼耐高溫膠帶并覆蓋鐵皮和保溫棉的方法，對閥門內部的管孔進行封堵，以保證修復全過程產生的廢料和使用的材料、工器具等不落入管孔。

(2) 通過在閥座內孔整圈鋪設保溫棉，并在密封面表面粘貼耐高溫膠帶的方法，對閥座密封面進行保護，防止機械打磨和焊接過程中損傷到密封面。

(3) 通過在調門下方增加支撐性鋼梁的方法，對閥門進行上下方向的固定，以防止熱處理時因重力導致超標變形。

2.2 消除裂紋

采用機械打磨的方法進行裂紋消除，為了防止裂紋在打磨過程中出現擴展，應先打磨裂紋兩端再打磨中間。打磨裂紋時，應及時進行目視檢查和滲透檢測，以避免過多的打磨，并進行坡口的修整，保證坡口單邊斜度不小于10°，根部圓角大于5 mm，以利于后續的打磨和焊接。通過滲透檢測的方法確認裂紋已完全清除后，及時清除滲透劑、顯像劑及氧化皮等影響焊接質量的雜質，使待焊坡口表面露出金屬光澤。

2.3 焊前預熱

焊前預熱不僅可以有效防止焊接冷裂紋的產生，而且可以降低焊接區域的溫度梯度，從而降低焊接接頭的應力，因此，采用內外壁同時電加熱的方法進行充分的預熱。內壁的預熱器在焊接時移出，外壁的預熱器在整個焊接過程持續進行通電加熱。由于聯合汽門壁厚較大，為了保證焊接坡口溫度能達到工藝要求的200～300 ℃，外壁的預熱溫度控制在300～400 ℃。

2.4 焊接

內壁的預熱溫度達到200 ℃并至少恒溫4 h，方可進行焊接。焊接方法選用操作靈活的焊條電弧焊，焊材選用超低氫、高韌性、等匹配的R317L焊條。焊接時，除打底焊和蓋面焊外，每焊完一道，及時趁熱對焊道進行錘擊處理，以降低焊接殘余應力。同時，每層焊接完成后進行機械打磨和目視檢查，以及時發現夾渣、氣孔、裂紋等焊接缺陷。

2.5 后熱消氫

該閥門的修復屬于受限空間和高溫環境條件下作業，裂紋數量多，焊接工作量大，修復過程需持續很長時間，且熱處理時加熱片布置時間也較長，因此，焊接完成后不具備立即進行焊后熱處理的條件。為了防止氫致裂紋的產生，在每個坡口焊接完成后，及時進行350 ℃的后熱消氫處理。

2.6 焊后熱處理

(1) 溫度場設計。由于閥門壁厚較大，焊后熱處理時，應通過設計溫度場的分布來提高加熱效果，并盡可能減小閥門的變形和溫度梯度：內外壁同時進行電加熱；僅將焊接修復區整圈加熱至熱處理的高溫溫度區間，其他區域只進行中高溫輔助加熱；增加535 ℃中間恒溫的階梯型加熱；適當提高在再熱裂紋溫度敏感區間的升降溫速度。熱處理工藝曲線如圖1 所示。孔進行封堵。

圖2 內壁熱電偶分布示意

圖3 外壁熱電偶分布示意

圖1 焊后熱處理工藝曲線

(2) 熱電偶布置。焊后熱處理時采用點焊式熱電偶，內外熱電偶的分布如圖2，3 所示。其中，1，3，6，8，9，10，11，13，15，16，17，18，19，20 號為控溫熱電偶，其余為監控熱電偶。

(3) 加熱器布置。閥門修復區內壁上下各布置1 片5 kW 的片狀加熱器進行高溫加熱；閥門修復區外壁整圈均勻布置4 片5 kW 的片狀加熱器進行高溫加熱；補焊區外壁兩側區域整圈各纏繞1 條20 kW 的繩狀加熱器進行中高溫輔助加熱；其他區域布置片狀加熱器進行中溫輔助加熱。

(4) 保溫棉布置。保溫棉鋪設的寬度除覆蓋加熱器外，應加寬200 ～300 mm，保溫棉鋪設的厚度應不小于100 mm。為了降低溫度梯度和保證加熱效果，熱處理時將閥門外壁整體包裹，內壁將管

3 檢測驗收

焊后熱處理完成并冷卻至室溫24 h 后，機械打磨補焊焊縫表面，并平滑過渡到閥體母材，然后對補焊焊縫進行滲透檢測，未發現超標缺陷，對閥門外壁進行了磁粉檢測，未發現異常情況。采用便攜式硬度計對補焊焊縫進行硬度檢測，焊縫硬度約220 HBW，附近母材約160 HBW，滿足DL/T 438—2016《火力發電廠金屬技術監督規則》中相關要求。

此外，對閥門相連接管道進行了內窺鏡檢查，未發現異物落入；對閥座密封面進行了檢測，未發現密封面出現損傷；高壓聯合汽閥與高壓缸裝配連接時未見異常。

4 結論

對某600 MW 超臨界機組高壓聯合汽門現場熱焊法修復的難度和風險進行了分析，并針對性地制定了相應的技術措施，通過“機械打磨消缺+同材質焊接+局部焊后熱處理”的方法成功對其進行了現場焊接修復，消除了設備存在的安全隱患，避免了更換新閥而導致的高成本、長工期，保證了機組正常的電力安全生產，可為同類型閥門缺陷的處理提供借鑒。