汽輪機法蘭汽箱裂紋對汽缸的影響及處理

劉趁泉

摘 要：下花園發電廠3號汽輪機為東方汽輪機廠生產，高壓缸為加快啟動速度，在高壓缸法蘭上焊接有加熱汽箱，隨著機組經歷多年運行，發現法蘭汽箱多處出現裂紋泄漏，開始只是認為汽箱的表層裂紋，在對汽箱更換過程中發現了大量焊道裂紋，并深入到了汽缸深部。本文對裂紋產生的原因進行了論述，對裂紋處理及現場更換汽箱提供了一定借鑒。

關鍵詞：高壓缸；法蘭加熱；裂紋；現場更換

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.014

下花園發電廠3號汽輪機為東方汽輪機廠生產，型號為N200-12.7/535/535型純凝式汽輪機，為D09第25臺機組，1988年1月機組投產，到目前已經運行26年。3號機高壓缸法蘭壁厚，汽缸壁薄，為加快法蘭加熱速度適應機組快速啟動的要求，在法蘭外壁焊有法蘭加熱汽箱，在機組啟動時，在汽箱里通入一定參數的蒸汽，對汽箱進行提前加熱，使汽缸法蘭快速預熱，以加快機組的啟動速度，縮小機組的溫度應力。

機組自2008年大修以后時常發現機組在啟動時，發現高壓缸保溫層內有大量蒸汽漏出，于是利用檢修機會對保溫層進行檢查，在拆除保溫時發現法蘭汽箱焊縫處和法蘭膨脹U型節處存在蒸汽吹損現象。然后利用壓縮空氣對法蘭汽箱打壓，發現了大量裂紋，雖然進行了補焊，但是焊完以后繼續打壓仍有漏氣現象，判斷法蘭汽箱可能存在母材的金屬疲勞裂紋，因此決定對汽箱進行蒸汽更換。

1 法蘭汽箱裝置簡介

由于法蘭比汽缸壁厚，螺栓與法蘭又是局部接觸，因此在啟動時汽缸壁溫度又比螺栓溫度高，三者之間將存在一定的溫差，造成膨脹不一致，在這些部件中產生熱應力，嚴重時將會引起塑性變形或拉斷螺栓以及造成水平結合面翹起和汽缸裂紋等現象。為了減少汽缸、法蘭和螺栓之間的溫差，縮短啟動時間，所以采用了法蘭加熱汽箱。

法蘭加熱汽箱是由一些鋼板和U型膨脹節組焊的裝置，按照汽缸的外形焊接在汽缸表面，伴隨著汽缸的膨脹和收縮進行膨脹和收縮，所有膨脹和收縮量都被U型膨脹節吸收。

2 法蘭汽箱產生裂紋的原因

（1）在早期機組設計時為降低造價，將汽缸材質設計為ZG20CrMo合金材質，而法蘭汽箱為一般A3F碳鋼材質，這導致異種鋼焊接，使材質的焊接性能差，而且兩種材質的膨脹性能不一致造成受力出現偏差，是裂紋產生應力的主要原因。

（2）根據裂紋出現的位置主要為U型膨脹節和加熱汽箱下部與汽缸焊接焊縫處，而U型膨脹節處主要為與汽缸垂直的縱向裂紋，加熱汽箱下部為沿汽缸走向的橫向裂紋。說明在U型膨脹節處機組在停機和啟動過程中，汽缸蓋板大部分膨脹和收縮力被U型膨脹節吸收，但是U型膨脹節處蓋板被反復拉伸和壓縮，從而產生金屬疲勞，形成了縱向裂紋，一些裂紋形成在表層，另一部分通過焊縫滲透到了汽缸表面，形成汽缸裂紋。

從裂紋位置可以看出，裂紋出現的位置都是出現在U型膨脹節處，而且屬于汽缸外形變形較大處，產生的裂紋全部為縱向裂紋。一般認為汽缸厚度較大，法蘭汽箱為薄板，一般裂紋都是由厚向薄處傳，但是從本次裂紋出現的狀況看，汽箱薄板裂紋也能引起厚度較大的汽缸產生裂紋。其中一處最大裂紋長4 cm，深1-1.5 cm。因此對于一些機組法蘭加熱汽箱存在裂紋的，應及時檢查裂紋對汽缸的影響，以消除汽缸裂紋的隱患。

3 裂紋的處理

（1）開始對于汽箱裂紋采取了打磨補焊，但是一些裂紋深入焊縫，對于汽缸來說又是異種鋼焊接，因此對汽箱裂紋采取過氬弧焊，也采取過不銹鋼焊條，但是一運行投運后，下次檢查又重新出現裂紋，因此單純的補焊對于已經存在疲勞裂紋的母材來說是無效的。

（2）采取對法蘭汽箱整體更換的辦法，將箱體材質更換為0Cr18Ni9銹鋼，并結合現場施工的現狀，配合焊接工藝對法蘭汽箱進行整體更換。

4 法蘭汽箱更換工藝

為本次現場更換法蘭汽箱，特聘請了東方汽輪機廠技術人員結合汽缸材質及汽箱材質，特別定制了現場的焊接工藝。

（1）割除舊法蘭汽箱：采用碳弧氣刨割除，減少割除汽箱過程中產生的熱量，割除后法蘭溫度基本維持在60℃左右，因此減小法蘭熱變形的風險。

（2）焊縫清理：因為碳弧氣刨割除汽箱過程中會在母材上產生滲碳層，因此必須將焊道打磨干凈，也為下部焊縫裂紋檢查做準備。

（3）表層裂紋檢驗：采用金屬著色的辦法對汽缸部分進行裂紋檢查，然后用5倍放大鏡查找，對存在的裂紋進行挖補，重新著色無裂紋后，方可進行法蘭汽箱組裝。

（4）焊接工藝：汽缸裂紋焊縫補焊采用不銹鋼焊條A302，A302采用加熱桶加熱烘干后使用。法蘭汽箱與汽缸焊接采用309氬弧焊打底，302焊條蓋面。法蘭汽箱與汽箱采用309氬弧焊打底，308二氧化碳保護焊蓋面。

（5）焊后檢查：徹底清除焊道內的熔渣，確認著色檢查無裂紋、熔渣和氣孔；然后進行氣壓試驗5分鐘，無泄漏時為合格。

5 結論

法蘭汽箱對于汽輪機來說是一個簡單的加熱附件，一般認為出現裂紋能補焊住，不發生泄漏便可，但從本次更換情況來看，汽箱裂紋能夠引起汽缸產生裂紋，對機組安全運行產生嚴重的隱患。因此要對汽箱裂紋進行早期處理，防止汽缸產生大的裂紋。

參考文獻：

[1]東汽.汽輪機說明書及圖紙[S].