超臨界機組主汽閥裂紋原因分析處理

梁基恒，王大文

（1.神華國華廣投（柳州）發電責任有限公司，廣西 柳州 545600；2.河海大學，江蘇 南京 210000）

1 汽輪機主汽閥裂紋概況

某公司#1機組是由哈爾濱汽輪機有限公司生產的超臨界、一次中轉再熱、單軸、三缸四排汽、沖動凝汽式汽輪機，此機組為超臨界機組，汽輪機為哈爾濱汽輪機廠有限公司制造的C350/250-24.2/1.6/566/566型汽輪機，是抽氣凝汽器式汽輪機。主汽最高溫度566℃，壓力最高壓力能達到24.2MPa。主汽閥材質為ZG1Cr10MoWVNbN，厚度500mm，該材質為新開發的馬氏體耐熱鋼，其最高許用溫度能達到600℃，最高許用壓強27MPa，具有抗高溫腐蝕和氧化性等特性，常用于超臨界機組。

該機組在運行時間1635小時過后，經過對主汽閥進行拆卸及逐步目視檢查，發現閥體內表層有一條微小的劃痕，長度約60mm，經進一步著色檢查發現此劃痕為裂紋，并對表面裂紋進行逐步打磨后著色檢查，確認該裂紋長度170mm，深度50mm，裂紋的形狀為弧形。具體形狀如圖1、圖2所見。

圖1 主汽閥表面微小裂紋

圖2 打磨干凈后進行測量長度

2 材料說明

該閥體材質為ZG1Cr10MoWVNbN，其主要化學成分和力學性能如表1、表2。

3 裂紋形狀分析

從形狀分析，該裂紋為弧形，長度170mm，深度50mm，表面初始裂紋長度為60mm，呈現為表面裂紋長度短，內部長度大，經查閱該電廠基建時期的第三方檢驗報告，發現該主汽閥內表面無表面缺陷。可以分析該裂紋為內部裂紋，在鑄造過程中或者熱處理工藝上的工序上產生裂紋，在高溫高壓的長期運行下，隨著機組的負荷變化，溫度參數發生變化，內部裂紋的膨脹系數不一樣，導致裂紋由內部往外表面逐漸擴張，擴張至外表面過程呈現為一個梯形。圖3為裂紋擴展示意圖。

表1 ZG1Cr10MoWVNbN的成分質量分數

表2 ZG1Cr10MoWVNbN的力學性能

4 裂紋修復

在經過廠家與多位專家的分析與判斷，對裂紋的修復采用冷焊方式，焊接完成后進行保溫緩冷至室溫，并對焊縫表面進行打磨后，著色檢查。具體方法如下。

圖3 裂紋擴展示意圖

（1）裂紋清除：裂紋清除采用旋轉銼進行打磨，打磨過程中不斷進行著色檢查，是否有新的裂紋形成；確保裂紋已全部清除干凈后，在兩側打上止裂孔，防止產生新的裂紋。

（2）焊前準備：采用鋼絲刷清除坡口處內部及附近的油污與銹跡，再用丙酮對補焊區域200范圍進行清潔，去除油、脂等雜物，避免焊接時雜物進入焊縫，影響焊接質量。

（3）焊條準備：焊材選用NiCr-3，規格Φ3.2mm。焊前進行焊條烘干處理，保溫1小時，現場修復補焊前將焊條放入保溫桶，隨用隨取。

（4）焊前預熱：采用氧-乙炔中性火焰進行預熱，焊前預熱溫度為：200～300℃，均勻預熱；乙炔火焰距離工件10mm以上，預熱過程中使用測溫儀進行溫度測量，測量過程中測溫儀不得停留，預熱溫度盡量維持在300℃，預熱完成后馬上進行敷焊，敷焊層焊接時隨時用紅外測溫儀檢測預熱溫度，當溫度小于200℃后立即進行火焰加熱，待溫度達到預熱溫度后，方可繼續施焊。

（5）修復補焊：為控制焊接不黏性及減少輸入量和熱影響區，焊接時在保證熔接良好情況下采用小電流，電流為90～160A。①敷焊：沿整個坡口表面敷焊，敷焊層厚度約3～5mm。敷焊時直道運條不作橫向擺動，采用連續焊接，后焊道壓先焊道1/3～1/4，收弧時將弧坑填滿（如圖4）。敷焊層焊接完成后用保溫棉覆蓋保溫緩冷，冷卻至室溫后進行著色檢查，檢驗無裂紋后進行正式焊接。②正式焊接：敷焊后，在工件溫度達到室溫后施焊，整個焊接過程層間溫度控制≦50℃。在焊好每一層后，立即采用錘擊方法減少應力，錘時先錘焊道中間部位，往兩側延伸錘擊，并緊湊整齊，避免重復。錘擊時錘壓維持在0.25～0.45MPa。

（6）檢驗：焊接完成后對焊縫進行打磨至光滑，然后進行著色檢查，（如圖5）一級合格。

圖4 裂紋處理結果

圖5 打磨著色結果

5 結語

（1）經過該方法進行裂紋焊接修復、打磨和著色滲透后，裂紋已徹底清除。機組在連續運行5000小時后未發現有異常缺陷。

（2）本次裂紋修復方法主要針對ZG1Cr10MoWVNbN材質的超臨界主汽閥進行的，利用冷焊方式進行焊接，是針對主汽閥為鑄鋼材質特點，在后焊道壓先焊道1/3～1/4，并且焊接后對焊縫進行錘擊，有利于把焊縫上的多余應力釋放，減少焊縫因應力產生裂紋。

（3）通過檢驗，此修復方法操作簡單、焊接后質量可以得到保證，該方法適合ZG1Cr10MoWVNbN材質的閥門，完全可以為同類型機組或同材質閥門裂紋修復提供借鑒。

6 后續工作

在機組運行過程中通過對參數負荷的變化進行記錄，機組停運時，對該主汽閥修復部位進行著色復查，與參數負荷形成對比及記錄，加強監控管理。