某汽輪機鑄鐵隔板螺栓孔開裂修復案例研究

戴奕慧

（廣東粵電云河發電有限公司，廣東 云浮 527328）

某廠4號機組為上海汽輪機廠生產的135MW汽輪機，機組型號為機組型號：N135-13.24/535/535型，產品編號為H151，本汽輪機組為超高壓、中間再熱、雙排汽單軸布置的沖動凝汽式機組，低壓缸為徑向擴壓雙排汽的結構，低壓轉子為雙流共12級，左右各6級。低壓隔板全部是變截面葉型，采用鑄造隔板，隔板與內缸之間用Z型懸掛銷的中分面支承方式。2004年6月機組首次大修揭缸后發現低壓第30級上隔板（右旋末級）中分面螺栓孔開裂，當時對開裂位置直接補焊處理后裝復。2009年2月機組第二次大修揭缸后發現除了該級隔板原補焊的螺栓孔再次開裂外，低壓缸第24級上隔板（左旋末級）中分面螺栓孔壁也出現了開裂。

產生斷裂的兩隔板皆為低壓缸上隔板：一處斷裂位于第24級（左旋第6級）隔板的中分面螺栓孔位置，與中分面基本呈45°，斷口表面有一層黑色氧化物，斷口為粗晶狀，另一處斷裂位于第30級（右旋第6級）隔板的定位孔薄壁處，屬于前次補焊部位的陳舊性斷裂。兩處斷裂處均為隔板提供定位，若不修復將直接危害汽輪機的安全運行。

1 隔板螺孔開裂原因分析

1.1 隔板材料金相分析。

查圖得知，斷裂的隔板材質為灰口鑄鐵HT250。灰口鑄鐵定義為：碳大部分或全部以自由狀態的片狀石墨形式存在于鑄鐵，其斷口呈暗灰色。灰口鑄鐵的化學成分一般為：C=2.5%～4.0%，Si=1.0%～2.55%，Mn=0.6%～1.3%，S＜1.5%，P＜0.30%。根據石墨化程度的不同，灰口鑄鐵可出現三種不同的組織，即鐵素體灰口鑄鐵、鐵素體-珠光體灰口鑄鐵及珠光體灰口鑄鐵。這三種組織是由片狀石墨分析布在不同的基體上形成的。相對于鋼的基體而言，石墨的強度幾乎為零。由于石墨的存在，灰口鑄鐵的抗拉強度和塑性大大低于鋼，但卻具有良好的鑄造性、切削加工性、耐磨性、消震性、減磨性及低的缺口敏感性。隔板首先應滿足供需雙方合同約定的技術標準要求；另一方面，灰鑄鐵件技術要求不應低于強制性國家標準，如GB9439-1988《灰鑄鐵件》和GB7216-1987《灰鑄鐵金相》。

表1 灰鑄鐵金相檢查結果匯總

為此，對隔板開裂位置取樣進行金相分析，實驗采用“左旋第6級”隔板的斷裂塊。該試塊外圍長約200mm，呈棱錐型。用未浸蝕試樣檢查石墨形態，用浸蝕的試樣檢查金屬基體。備好金相試樣后，觀察試樣石墨形態，放大倍數為100倍。石墨為典型的片狀形態，分布均勻。在可見視場里，基本無其它形態的石墨。按GB 7216-1987評定石墨長度結果：石長75，長度分級為2級；即在100倍的視場里，石墨長約50～100mm。

對完成石墨形態觀察試樣浸蝕，500倍光鏡下觀察基體組織，基體形貌為單一的片狀珠光體組織，碳化物和鐵素體均成片狀，在片狀石墨形成的有限區域內有序排列，近似平行。在不同區域內，珠光體片位向成無序狀。在500倍視場里，珠光體片間距＜1mm，呈細片狀。在更高倍數下觀察石墨與珠光體基體結合部位，未見微裂紋等缺陷。

500 倍光鏡下觀察金相試樣，碳化物數量很少，僅在少數區域出現，針片狀，分布數量為1級。所觀察的金相試樣，磷共晶數量很少。綜上所述，金相檢查結果如表1所示。

按GB 9439-1988，測得試樣布氏硬度值在176～184間。為此得知，該兩塊隔板鑄件金相組織處于正常狀態，化學成分、硬度、金相等技術條件滿足要求。排除了隔板制造時材料夾雜的可能。

1.2 結構原因分析

第30級隔板的定位耳板斷裂屬于結構不合理（設計缺陷或者工藝執行不力）；第24級隔板的斷裂面與中分面呈45°角，可能是外側角的“R”型處首先形成裂紋，工作介質隨隔板的振動不斷深入并導致裂紋尖端擴展，導致隔板最終斷裂。

兩灰鑄鐵隔板都處于低壓缸第6級，在運行51000小時前就發生了定位孔位置的斷裂失效，都遠沒有達到設計壽命。這表明該隔板在設計或制造方面是有缺陷的。

2 直接焊接短期內再次失效。

2004 年低壓第30級上隔板開裂位置直接補焊處理后裝復。當時焊接時，采用手工焊條電弧焊，焊接材料采用Φ2.5的J507（E5015），經 250℃-300℃烘干，恒溫1小時，焊接作業現場使用焊條保溫桶，焊條隨用隨取。焊接前將工件預熱到150℃，焊接時采用小電流、弱規范雙面對稱焊，焊接過程保持工件不燙手（不高于70℃），溫度過高時采用間斷焊接。為減少焊接熱應力，，焊接過程中采用逐道錘擊增加焊道塑性變形，降低殘余應力；補焊結束后將焊縫及其周圍100mm范圍內打磨光，以消除應力集中的可能性。

雖然采用以上工藝焊接，但焊完后著色檢查，焊縫熱影響區仍有一些小裂，將裂紋打磨掉后裝復使用。2009年2月機組第二次大修揭缸后發現該級隔板原補焊的螺栓孔再次開裂，開裂位置沿補焊焊縫。這表明，鑄鐵焊接性能極差，對冷卻速度敏感性大，對完全斷裂的灰鑄鐵隔板通過補焊修復幾乎是不可能的。目前，國內鮮有對完全斷裂的灰鑄鐵隔板成功補焊范例的報道。

3 過渡板修復方案

圖1 第30級隔板螺孔斷口磨平對研后

由于上海汽輪機廠該隔板沒有庫存，供貨期需3個月，只能采用現場修復的方法解決。考慮直接焊接不可靠，若采用焊接性能良好的碳鋼加工出螺孔形狀再與隔板焊接，由于易種材料焊接更容易出現裂紋。通過對比研究，我們采用了過渡板修復的方案。

圖2 第30級隔板螺孔過渡板焊接固定后

圖3 第30級隔板螺孔修復后

第一步，將隔板螺栓孔斷裂位置打磨出一平面，先用小平板進行研磨，力求達到物理平面，（見圖1）。用厚12mm的碳鋼板制作出一個過渡板，并將過渡板與螺孔平面對研至合格。對研的目的在于增加過渡板與隔板聯接的磨擦力，提高聯接強度。

第二步，在平面適當位置加工6個M14螺孔，將M14螺栓（8.8級）擰入，將過渡板與螺栓焊接固定在隔板上，并打磨光滑。見圖2。

第三步，用#20鋼材料加工出一螺孔連接塊，通過現場預裝定位后焊接在過渡板上，完成隔板修復工作，見圖3。

4 強度計算

此修復方案的聯接強度最低處為過渡板與隔板的聯接強度，該聯接通過6個M14的螺栓（8.8級）進行聯接，認為其為受軸向載荷的螺栓聯接，則此螺栓組抗拉承載力為每個螺栓的抗拉承載力之和。查單個M14×2螺栓應力截面積為115平方毫米，6個螺栓總的應力截面積為115×6=690（平方毫米）。汽輪機第24、30級隔板上下半聯接是用M33的內六角螺釘進行聯接，M33螺栓的應力截面積為694平方毫米，兩者相當，應為能滿足強度要求。

該隔板修復后機組運行正常。2010年及2011年均揭低壓缸檢查，修復的兩處螺孔均完好。

結語

灰鑄鐵HT250強度低、塑性差，對焊接冷卻速度十分敏感。汽機隔板結構復雜，加工時易出現應力分布不均勻，補焊等修復措施無疑會加劇開裂的傾向。預熱有利于灰鑄鐵修復，但會增加變形傾向。這些情況表明，對完全斷裂的灰鑄鐵隔板通過補焊修復幾乎是不可能的。而通過過渡板聯接修復方案較為巧妙，需要根據現場的具體情況進行具體分析，制定具體的修復方案。事實證明，過渡板修復是合適的。

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