超超臨界機組再熱安全門閥座密封面現場再制造

盧 健，唐 彬, 祝雷淵，盧志龍，馬耀清

(1. 上海上電漕涇發電有限公司， 上海 201507；2.上海電力股份有限公司 吳涇熱電廠， 上海 200241)

隨著超超臨界燃煤發電機組的普及應用，發電設備“家族性”缺陷隨之暴露，高壓閥門基材與堆焊層“脫殼”是其中一類典型缺陷[1]。某電廠1 000 MW機組高溫再熱蒸汽管道分布有A、B、C、D 4臺安全門，工作壓力為6.0 MPa，工作溫度為603 ℃。

2021年，對高溫再熱蒸汽管道安全門(簡稱再熱安全門)D解體檢修時發現其閥座密封面Stellite硬質合金部分脫落，直接影響機組的安全性和設備正常運行，必須對再熱安全門閥座密封面進行修復[2]。

1 再熱安全門閥座概況

再熱安全門閥座密封面缺陷形貌見圖1。

圖1 缺陷形貌

再熱安全門閥座和閥體的材質相同，材料號為1.4905，牌號為X11CrMoWVNb9-1-1，閥芯材料號為1.4903，牌號為X10CrMoVNb9-1，均屬于EN 10088-1—2005 《不銹鋼 第1部分：不銹鋼系列》中的馬氏體不銹鋼。再熱安全門閥座現場測繪尺寸見圖2。

圖2 再熱安全門閥座現場測繪尺寸

閥芯和閥座密封面原制造工藝為等離子轉移弧堆焊(PTA)，閥芯密封面材質為Stellite 21；閥座密封面材質為Stellite 6，現場實測表面硬度為43HRC～47HRC。

2 原因分析

Stellite硬質合金含碳量中等(含碳質量分數為0.5%～1.6%)，硬度較高，具有良好的耐磨及耐高溫性能，典型使用場景包括蒸汽閥門及化工閥門密封面材料。Stellite硬質合金的硬度與厚度近似成正比遞增關系(見圖3)。

圖3 Stellite硬質合金厚度與硬度關系

從圖3可以看出，當硬度>44HRC時，即進入開裂敏感區域。綜合現場檢查情況，造成設備現狀的主要原因包括以下3個方面：

(1) 閥座密封面Stellite硬質合金PTA制造工藝控制不當，密封面硬度偏高，在運行過程中出現了脆硬相。這是硬質合金失效的根本原因。

(2) Stellite硬質合金與X11CrMoWVNb9-1-1鋼基材咬合力不夠。

(3) 再熱安全門動作頻繁加劇缺陷發展。

3 修復方案

針對目前再熱安全門閥座存在的問題，制定現場修復方案并實施。

3.1 修復工藝流程

(1) 對閥座原密封面車削至基材，確認無裂紋等缺陷并經無損檢測合格。

(2) 為避免在X11CrMoWVNb9-1-1鋼基材上直接堆焊Stellite硬質合金而較易產生的結合部位層間開裂，應采用鎳基合金過渡[3]。焊材選擇應滿足再熱安全門工況要求，選用鎳基625合金系列的ERNiCrMo-3材料，可保證再熱安全門在高溫條件下的運行可靠性[4]。

(3) 進行密封面Stellite硬質合金堆焊，同時進行熱處理工作。待熱處理工作結束后對硬質合金表面進行粗加工，經無損檢測和硬度檢測合格后，再進行精加工至合適尺寸并確保符合粗糙度要求。

3.2 密封面材質

為了保證再熱安全門閥座密封面使用過程中的高溫耐磨性和沖刷性能[5]，恢復原廠部件設計性能，密封面的材質應采用Stellite硬質合金，厚度為5 mm。各密封面材料的硬度推薦范圍見表1[6-8]。

表1 密封面材質的硬度推薦范圍

3.3 機加工

為了保證機加工質量，依據再熱安全門閥座的設備構造及相關尺寸，現場加工應選用數控車削機。同時，依據實際情況制作定位工裝，見圖4。通過實際制作定位工裝及數控車削機的配合使用，保證現場機加工精度滿足工程需求。

圖4 機加工定位工裝

3.4 襯圈制備

為了確保加工尺寸，應預先加工堆焊襯圈，并以其作為閥座密封面堆焊基準。堆焊襯圈材質選擇與基材相近的SA182-F91，堆焊襯圈外徑為220 mm，內徑為186 mm，厚度為15 mm。切開堆焊襯圈內圈多處，以釋放焊接過程中的應力(見圖5)。堆焊襯圈與閥座采用鎳基焊材焊接，堆焊襯圈內圈放置深度為350 mm左右。在閥座密封面堆焊熱處理完成并無損檢測合格后，取出該堆焊襯圈，進行下一步密封面精加工。

圖5 襯圈制備

3.5 焊接

安全門閥座密封面硬質合金的再制造需要在狹小空間內進行堆焊。同時，管道進出口通道內的氣流會加大焊接部位的局部溫差，直接影響焊接質量，產生裂紋的概率亦會大幅度增加。因此，焊前必須嚴密封堵管道進出口通道。

考慮到現場環境和檢修工期等諸多因素，從可行性角度出發，應采用柔性更好的小型六軸聯動機器人弧焊裝備。為保證基材修復和密封面堆焊質量，應制作焊接定位工裝(見圖6)。根據堆焊的材質和表面質量要求，焊接保護氣體應選擇具有還原性的氬氫混合型氣體。Stellite硬質合金堆焊不采用脈沖焊接方式時，與基材的咬合力更好；但是，本體鎳基補焊應采用脈沖方式。

圖6 焊接定位工裝

3.6 熱處理

再熱安全門閥座密封面現場再制造工作必須采用焊接與熱處理協同工藝，只針對閥座進行局部加熱。整個熱過程的參數控制是關鍵，焊前預熱、回火溫度、保溫時間、升降溫速率等參數的選擇與閥座基材的熱處理工藝參數應保持一致。熱處理采用外部電阻加熱和內部中頻感應線圈加熱的方式，其中電阻加熱為輔，中頻感應線圈加熱為主。但是，兩種加熱方式在實施過程中必須做到同步，即同時升溫、同時恒溫、同速率升降溫。由于再熱安全門在鍋爐95 m標高處并采用開放式布置，所以應對殼體進行保溫，防止降溫速度過快。

根據工件實際情況，預熱和焊接時的保溫均采用履帶式加熱帶，加熱帶依據閥座基材外形尺寸定制，滿負荷功率為10 kW，履帶式加熱帶尺寸為980 mm×180 mm，熱電偶采用捆扎式固定，補償導線連接必須與閥體絕緣。焊后熱處理選擇中頻感應線圈加熱，加熱線圈滿負荷功率為30 kW，依據閥座基材內孔尺寸(直徑為220 mm)及襯圈尺寸定制(見圖7)。熱電偶采用點焊的方式固定在閥座基材和45°斜面上(見圖8)。

圖7 中頻感應線圈

圖8 熱電偶布置

4 現場檢測

再熱安全門閥座密封面現場再制造必須先將原破損密封面全部車削干凈直至完全為閥座基體材料，并且通過光譜檢驗復核確認；同時，通過硬度和滲透檢測檢驗堆焊基準面的質量。

先將再熱安全門閥座密封面重新堆焊并熱處理后冷卻至室溫，再將堆焊層表面清理干凈進行硬度檢測，得到的結果為38.8HRC。再熱安全門閥座密封面初加工成型后，進行超聲波檢測和著色檢測，檢驗堆焊層質量。

再熱安全門閥座密封面精加工成型后，應對其密封面進行研磨，控制其平面精度滿足現場要求，并且通過藍油試驗進行校核。

5 結語

該超超臨界機組再熱安全門閥座密封面現場再制造的質量完全達到原廠制造水平，保證了機組的安全性；在較短工期內，解決了以11Cr1MoWVNb9-1-1鋼為基材的再熱安全門閥座密封面Stellite硬質合金脫落、開裂、吹損等缺陷。能夠在狹小空間內高效率和高質量地完成現場再制造工作主要歸因于以下5個方面：

(1) 了解并研究再熱安全門閥座基材及密封面硬質合金的焊接性能。修復后，閥座密封面堆焊層硬度為38.8HRC，在滿足現場工程實際需要的同時，合理避開了Stellite硬質合金開裂敏感區域。

(2) 通過鎳基合金材料過渡層的應用，避免了直接堆焊Stellite硬質合金容易產生結合部位的層間開裂問題，增加了再熱安全門閥座密封面硬質合金咬合力，延長了現場閥門的使用壽命。

(3) 充分利用了機器人弧焊裝備的柔性化和智能化特性。

(4) 選擇了合適的現場數控機加工和研磨設備。

(5) 應用了可靠的焊接與熱處理協同工藝。