1 000 MW汽輪機中壓主汽門和中壓調門螺栓斷裂原因分析

張守文，余化文，熊　偉，雷　鵬，湯少輝，李培宇

(華能玉環電廠，浙江 玉環　317604)

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1 000 MW汽輪機中壓主汽門和中壓調門螺栓斷裂原因分析

張守文，余化文，熊偉，雷鵬，湯少輝，李培宇

(華能玉環電廠，浙江 玉環317604)

汽輪機中壓主汽門和中壓調門閥蓋螺栓斷裂嚴重威脅機組安全運行。針對1 000 MW超超臨界百萬汽輪機中壓主汽門和中壓調門螺栓斷裂問題，從宏觀檢查、化學成分分析、金相檢驗和緊固工藝等方面，對華能玉環電廠#4機組中壓主汽門和中壓調門螺栓斷裂進行了分析，并提出了相關的解決辦法和應對措施，有效地預防了汽輪機中壓主汽門和中壓調門螺栓大面積斷裂的可能，為機組的安全穩定運行保駕護航。

1 000 MW；超超臨界；汽輪機；中壓主汽門；中壓調門；螺栓斷裂；原因分析

華能玉環電廠是國內首臺建設百萬千瓦超超臨界機組，裝機容量4×1 000 MW，汽輪機由上汽——西門子聯合設計制造的一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機，型號為N1000-26.25/600/600，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計的超超臨界變壓運行直流鍋爐，型號為HG-2953/27.46-YM1，主要運行方式為純滑壓運行。

汽輪機額定工況下中壓主汽門前溫度600℃，壓力5.443 MPa。汽輪機中壓主汽門垂直安裝，中壓調門水平安裝。一個中壓主汽門和一個中壓調門為一個閥組，兩個中壓汽門閥組對稱布置在汽輪機中壓缸兩側。汽輪機正常運行時，中壓主汽門及中壓調門維持全開。中壓主汽門和中壓調門均非自密封結構，閥門端蓋的密封是通過螺栓緊固力來保證汽門端蓋密封[1]。

1　螺栓斷裂原因分析

2015年5月華能玉環電廠4號汽輪機中壓主汽門和中壓調門解體檢修時發現螺栓有斷裂情況。

1.1汽門螺栓缺陷情況

汽輪機中壓主汽門螺栓材質為Alloy783，規格為M90×6×385 mm，單側汽門閥蓋螺栓在裝數量為24套。中壓調門螺栓材質為Alloy783，規格為M72×6×330 mm，單側汽門閥蓋螺栓在裝數量為20套。

A側中壓主汽門螺栓A1～A24，宏觀檢查未發現缺陷或異常，超聲檢測未發現缺陷反射信號。B側中壓主汽門螺栓B1～B24，編號為B19的1根螺栓存在缺陷反射信號。其他螺栓宏觀檢查未發現缺陷或異常，超聲檢測未發現缺陷反射信號。

A側中壓調門螺栓A1～A20，宏觀和超聲檢測發現A1、A4、A5、A12、A13、A14、A15、A17、A20螺栓頭或根部螺紋共有9根斷裂或者開裂。B側中壓調門螺栓B1～B20，共計20根，宏觀和超聲檢測B12、B13、B14、B15、B16、B18螺栓頭部或根部螺紋處共有6根螺栓斷裂。

1.2螺栓斷裂宏觀形貌

圖2螺栓斷口顏色相對暗灰，無明顯塑性變形，呈現出疲勞斷裂的性質，疲勞源為沿內壁多處，隱約可見貝殼紋，瞬斷區為沿貝殼紋方向(如圖2中箭頭所示)，斷口呈脆性斷裂與疲勞斷裂混合特征。

圖1　螺栓斷裂宏觀形貌

圖2　螺栓斷口宏觀形貌

電燒蝕坑放大形貌如圖3所示，螺栓電燒蝕宏觀形貌如圖5所示。通過圖3和圖4可見，螺紋下方的燒蝕處呈小坑狀且燒蝕坑較深，燒損面積不大，金屬液體飛濺嚴重，出現“卷邊”的形貌特征。燒蝕坑邊緣，有燒蝕坑尖端處存在微裂紋存在，呈放射狀向螺栓上部蔓延。

圖3　電燒蝕坑放大形貌

圖4　螺栓電燒蝕宏觀形貌

1.3汽門螺栓化學成分

華能玉環電廠1、2號機組汽輪機中主汽門、調門螺栓為原裝進口，3、4號機組螺栓為國產螺栓。經現場光譜復查，機組斷裂螺栓光譜均符合制造廠材料技術要求(見表1)。表1中，單位是質量百分比。

表1　螺栓材料化學成分

1.4汽門螺栓硬度測量

制造廠給出的Alloy783螺栓硬度合格范圍為:27

表2　A側中壓主汽門螺栓硬度測量結果

表3　B側中壓主汽門螺栓硬度測量結果

表4　A側中壓調門螺栓硬度測量結果

表5　B側中壓調門螺栓硬度測量結果

1.5汽門螺栓金相組織

沿螺栓燒蝕處橫截面取樣進行金相組織觀察，如圖5、圖6、圖7所示。圖5明顯可見裂紋沿螺栓內壁燒蝕處向外壁擴展。采用王水腐蝕后，可見螺栓為奧氏體組織，晶粒沒有發生明顯的塑性變形，同時發現兩根螺栓均存在沿晶裂紋，貫穿整個視場(見圖6)。在更高倍數下觀察晶界，印證了裂紋走向為沿晶，局部裂紋呈龜裂狀，還可見在奧氏體基體上有鳩灰色棒狀碳化物析出，特別是三叉晶界上此類棒狀碳化物富集較為嚴重，晶內則分布著點狀析出物(見圖7)。

圖5　螺栓裂紋(未腐蝕)

圖6　螺栓金相組織

圖7　螺栓晶界析出

2　螺栓斷裂原因分析

2014年2月，玉環電廠第一次發現2號機組中壓主汽門Alloy783螺栓斷裂1根，運行近8年。2015年5月，玉環電廠4號機組Alloy783螺栓檢查發現有大量斷裂，運行近8年。2015年6月，玉環1號機組Alloy783螺栓檢查發現有大量斷裂，運行近9年。

螺栓斷裂產生原因有以下幾種情況：(1)螺栓安裝預緊力過大，導致螺栓提前失效；(2)材料Alloy783生產工藝較為復雜，需要多次熱處理，生產制作廠可能存在工藝不到位情況；(3)汽機啟、停過程中螺栓承受較大應力，當螺栓剩余承載面積不足以抵抗應力時螺栓發生斷裂；(4)螺栓熱緊時電加熱棒破損，擊穿空氣介質后燒蝕螺栓內壁，形成燒蝕坑，燒蝕坑誘發了裂紋的萌生及擴展。在高溫、高應力狀態、高震動頻率的工作環境下，造成螺栓缺口敏感脆性和疲勞綜合作用引起的沿晶脆晶斷裂。

3　解決辦法及對應措施

(1) 嚴格按照制造廠新提供的螺栓緊固方案執行。在測量方法上要求以熱緊時參考弧長，即螺栓按規定力矩冷緊后進行加熱，螺栓緊過的弧度不能超過伸長量折算后的弧度(伸長0.1 mm約轉過9°)。為使測量更加準確，制造廠對新螺栓測量孔底部進行了改進，由原來的錐形更改為平面底，最大程度上減少了測量誤差。中壓主汽門端蓋螺栓伸長量降低至0.29～0.34 mm，中壓調門端蓋螺栓伸長量降低至0.24～0.29 mm，并明確要求螺栓熱緊時加熱棒溫度不超過700℃。

(2) 制定汽門螺栓檢查滾動計劃，對于檢查發現存在硬度超標的螺栓或者存在缺陷的螺栓采取更換處理，并做好詳細檢測、更換臺賬，以備追溯分析。

(3) 建議螺栓熱緊時采用渦流感應加熱器加熱，如仍使用電加熱棒加熱，則應每過一段時間對電加熱棒進行一次全面的檢查，防止加熱棒在使用過程中爆裂。

4　結語

隨著國內1 000 MW機組運行年限的增多，熱力系統承壓部件和螺栓斷裂失效的事件會越來越多，如果能及時有效的對失效部位進行細致、認真的檢查和分析，并制定有效的措施進行預防，可有效的防止不安全事件的發生，以確保機組長周期安全穩定運行。

[1]郭建亭.高溫合金材料學(上冊)[M].北京：科學出版社，2008.

(本文編輯：趙艷粉)

Bolt Fracture Cause Analysis for MV Main Throttle Valve and Control Valve of 1000 MW Steam Turbine

ZHANG Shou-wen, YU Hua-wen, XIONG Wei, LEI Peng, TANG Shao-hui, LI Pei-yu

(Huaneng Yuhuan Power Plant, Yuhuan, 317604, China)

The bolt fracture of steam turbine MV main throttle valve and control valve poses a serious threat to the safe operation of the unit. For this problem in 1 000 MW ultra-supercritical turbines, this paper analyzes this bolt fracture problem of No. 2 Unit in Huaneng Yuhuan Power Plant from the perspective of macroscopic inspection, chemical composition analysis, metallographic examination and fastening technology, etc., and puts forward some relevant solutions and measures. This research can effectively prevent the large-scale bolt fracture of steam turbine MV main throttle valve and control valve, and protect the safe and stable operation of the unit.

1000 MW；ultra-supercritical; steam turbine; MV main throttle valve; MV control valve; bolt fracture; cause analysis

10.11973/dlyny201604016

張守文(1982)，男，工程師，汽機點檢，從事電廠汽機工作。

TK263.5

A

2095-1256(2016)04-0483-04

2016-03-17