650 MW核電汽輪機高壓缸外缸貫穿性裂紋處理1)

劉 偉,張興田,趙冬冬,黃少華

(中核核電運行管理有限公司,浙江 海鹽314300)

泰山核電二期和二期擴建工程 (以下簡稱泰二廠)4臺650 MW核電機組汽輪機系國產的HN650—6.41型核電凝汽式汽輪機,單軸四缸六排汽,包括一臺高壓缸和三臺低壓缸,帶中間兩臺汽水分離再熱器。高壓缸為雙層結構,由高壓外缸和高壓內缸組成,均為合金鋼鑄件,材料選用抗腐蝕性能較強的ZG15Cr2Mo1,可以保證壽期內不需補焊。高壓缸通流為雙分流對稱分布,高壓轉子安裝有正反各七級葉片,相應的靜葉則由正反各三個隔板套組成,其中一級隔板套安裝于高壓內缸上,二、三級隔板套安裝于高壓外缸上。高壓缸閥前的新蒸汽參數為:壓力6.41 Mpa、溫度279.9℃、濕度5%,通過高壓轉子做功后的排汽參數為:壓力1.03 Mpa、溫度181.4℃、濕度12.7%。高壓內缸和隔板套的結構布置使高壓外缸劃分為三段不同的承壓區域,具體如圖1所示。

1 缺陷介紹

1.1 缺陷產生

圖1 高壓外缸承壓分布圖Fig.1 Pressure distribution map of high pressure outer cylinder

泰二廠4號機組于2012年1月投入商業運行,2013年和2014年年初分別進行了一次換料大修。2014年4月初,4號機組在一次小修再次啟動后,首次發現高壓缸底部保溫層滴水。2014年6月28日,4號機組執行汽輪機調門試驗 (試驗過程中機組降至50%額定功率運行),試驗結束后機組升功率過程中,高壓缸底部漏水量有增大趨勢,并且排汽口的保溫層也明顯滲出水跡,懷疑漏水來自該處法蘭漏氣。2014年9月7日,4號機組再次進行調門試驗,9月9日試驗結束后提升功率,9月10日凌晨發現高壓缸調端靠左側 (從汽輪機往發電機看)的保溫層出現直徑約1 cm的小孔并噴出蒸汽。9月11日,拆開漏氣部位保溫層后發現高壓外缸上缸體出現長約90 mm的貫穿性裂紋,裂紋沿豎直方向經2處轉折,蒸汽通過裂紋持續噴出。裂紋的所處宏觀位置和具體形貌如圖2所示。

圖2 裂紋宏觀位置及具體形貌照片Fig.2 Crack macroscopic position and specific morphologies photos

根據圖1的高壓外缸承壓分布圖,裂紋區域蒸汽壓力1.03 MPa、溫度181.4℃、濕度12.7%,該部位的缸壁設計厚度為80 mm。

1.2 缺陷分析

鑒于機組正在滿功率運行,無法進入缸內檢查,根據缺陷產生的部位和裂紋形式,分析認為產生缸體裂紋的原因可能有以下2點:

(1)高壓外缸體內部鑄造缺陷萌生并逐漸擴展成貫穿性裂紋。4號機組首次大修期間 (2013年1月至3月),對高壓外缸上缸內壁進行目視檢查發現缸體內表面存在夾雜、砂眼、肉瘤、缺肉等共30處缺陷。通過對缺陷進行打磨補焊處理,經液體滲透檢查合格。但目視和液體滲透均為表面檢查,不能檢出高壓外缸體的內部缺陷,常見的縮松、裂紋、夾渣、夾砂、鑄造應力等缺陷在該部位的存在是可能的。

(2)高壓外缸支撐桿與外缸壁的焊縫部位產生裂紋。為增強高壓外缸缸體強度,高壓外缸內部兩端各裝有6根支撐桿,每端左右兩側各對稱布置3根。支撐桿與高壓外缸同材質,為ZG15Cr2Mo1,長980 mm,直徑90 mm。支撐桿的裝配,是在外缸體完成翻砂鑄造后,對擬安裝支撐桿的外缸壁加工?90.5 mm的通孔,支撐桿裝入通孔,內端通過螺紋與外缸體內部結構相連接,外端與外缸體外壁齊平并焊接 (見圖3)。根據現場對裂紋定位,裂紋可能位于高壓缸調端海側的第二根支撐桿與外缸壁焊縫處。

1.3 安全評價

按照計劃,4號機組將于2015年1月進行換料大修,距離發現裂紋還有近4個月的時間。對于高壓缸是否能在接下來的4個月時間內安全運行,由于沒有類似案例可以借鑒,經過多方討論,形成以下意見:

1)對于金屬構件,主要有漸進性變形 (載荷超過Rp0.2)、過度變形 (載荷達到某一極限導致的變形無限制增大)、塑性失穩 (壁厚減薄所致)、疲勞 (漸進性開裂)和快速斷裂 (脆斷)等五種失效模式。高壓外缸材質為低合金珠光體耐熱鋼 (ZG15Cr2Mo1),室溫Rp0.2≥275 MPa,高壓外缸缺陷部位工作在塑性溫區 (1.03 MPa、181.4℃工況下ZG15Cr2Mo1脆性轉變溫度為38.7℃),在缸體裂紋處工作條件下的失效模式為疲勞 (漸進性開裂),即疲勞裂紋萌生和擴展的疲勞累計損傷過程,發生脆性開裂及瞬間失穩的可能性較小。

圖3 支撐桿安裝圖Fig.3 Support rod installation diagram

2)根據疲勞裂紋擴展理論和工程經驗,疲勞裂紋主要在交變應力 (溫度循環和應力循環所致)作用下擴展。在交變的拉、壓應力作用下,裂紋相應經歷銳化、鈍化過程,每交變一次,裂紋深度增加一個Δα。運行穩定載荷 (常數值應力)對疲勞裂紋擴展的影響有限。裂紋縫隙的漏氣 (蒸汽流)也可能對現有裂紋尖端起到一定的鈍化作用。在運行參數相對較低的情況下,交變應力的幅值較小。因此,判斷不會發生快速斷裂。

3)根據高壓外缸缸體結構及裂紋位置 (壁厚均勻且無配合密封面),即使缸體裂紋繼續擴展,也不會造成無法修復的情況發生。

1.4 監督運行

根據以上意見,4號機組高壓缸進入監督運行狀態,繼續維持滿功率運行,同時采取以下行動:

1)為進一步限制溫度循環和壓力循環所致交變應力的幅值,4號機組不參與節日期間電網升降負荷調峰,退出一次調頻。

2)鑒于調門狀態良好,為減小交變應力幅值較大的疲勞循環次數,在距離停機大修的近4個月內不再安排調門試驗。

3)主控操作員加強對汽輪發電機組的監視,重點監督軸承振動、缸體差脹、軸承金屬溫度等運行參數是否出現異常變化。

4)為防止高壓缸裂紋漏氣突然增大,蒸汽漏入氣輪機前軸承箱而導致潤滑油乳化,將汽輪機潤滑油主油箱負壓在控制范圍內由-700 Pa調低至-430 Pa,同時加強潤滑油油質化驗頻率。

5)設計專用工裝將泄漏蒸汽引導至帶液位顯示的集水槽內,通過觀察積水量變化從而判斷裂紋發展趨勢。

通過近4個月對高壓缸漏水量的連續監測,直至大修停機前,高壓缸漏水量穩定在34 L/h附近,高壓缸裂紋也沒有明顯擴展。

2 方案準備與仿真分析

2.1 方案準備

為確保機組停運后能夠快速、有效的處理高壓缸裂紋,在高壓缸漏氣轉入監督運行后即著手準備處理方案。處理方案主要按照停機檢查裂紋、機械打磨裂紋、焊接修復裂紋和焊后無損檢查等幾個方面進行。首先采用機械方法 (角磨機打磨等方法)清除缺陷,邊打磨邊觀察 (采用滲透探傷檢查缺陷),直至缺陷全部消除。然后根據DL/T 753-2001《汽輪機鑄鋼件補焊技術條件》標準要求,采用機械打磨方式制備U型坡口。焊材選用ENiCrFe-3焊條 (直徑?2.5 mm)、ERNiCr-3(直徑?1.6 mm),經過350℃/2 h烘干。焊前采用火焰預熱,坡口及其周圍150 mm范圍內溫度必須達到100～150℃。焊接方法為手工氬弧焊打底,手工電弧焊填充,焊接工藝參數如表1。焊后檢查采用機械打磨方式,對焊接修復后的焊縫進行表面打磨,去除焊縫余高,利用液體滲透檢驗方法對修復后的焊縫及其周圍母材進行檢驗。若發現超標缺陷,應及時打磨去除缺陷,重新焊接,直至全部合格。

表1 焊接修復工藝參數Table 1 Welding repair process parameters

2.2 有限元仿真

為分析焊接修復工作對高壓缸缸體產生的焊接變形和殘余應力分布,采用有限元建模和熱源加載方法進行仿真計算。溫度場分析及位移場分析采用直接耦合的方法進行,缸體單元采用熱力耦合單元。在焊縫位置及孔的位置單元尺寸較小,約1～2 mm,其他位置為20～50 mm,節點規模約10萬,如圖4所示。

圖4 高壓外缸有限元模型Fig.4 Finite element model of high pressure outer cylinder

焊接時殼體內的溫度場非常不均勻,焊道內的壓縮塑性變形必然導致殼體在焊完后出現殘余變形。焊后殘余相對位移μm定義為:

其中ux、uy、uz分別為x(軸向)、y(豎直)、z(橫向)方向的位移。為降低焊接變形,采用分段焊、控制層間溫度的方法,模擬了焊道長度為70 mm情況下,打底焊+填充焊的溫度場、應力場、位移場。分段焊由于焊道短,總的熱輸入累積效果小,因此將產生較小的位移和變形,這種控制變形的方法廣泛地應用于焊接變形控制技術。圖5為分段焊后的相對位移分布,仍然是在焊接區的位移值較高,最大位移值為0.26 mm。

從圖5可以看出,除焊縫以外,焊接修復產生的最大位移在汽缸外軸封處,而位移最易造成漏氣的是軸封處缸體中分面的豎直方向變形,因為此處變形過大將直接導致缸體中分面間隙過大而漏氣。通過有限元仿真計算出缸體中分面的豎直方向變形量如圖6所示,最大位移為0.12 mm,可以通過調整螺栓預緊力消除間隙。

圖5 相對位移分布Fig.5 Relative displacement distribution

圖6 豎直方向變形Fig.6 Vertical direction deformation

3 缺陷處理

4號機組于2015年1月初進行換料大修,停機后確認裂紋處于高壓缸支撐桿及支撐桿焊縫區域,判斷裂紋起源于缸體內部支撐桿與缸體焊縫根部,并向外擴展至支撐桿與缸體母材。高壓外缸吊出后開始對裂紋進行打磨,打磨過程中發現裂紋已由縱向向橫向延伸,其中縱向最大打磨長度約190 mm,最大寬度約65 mm,深度已經達到50 mm左右,基本已位于支撐桿焊縫根部位置,但缸體部分仍有裂紋缺陷存在,橫向打磨長度約165 mm,寬度約51 mm,深度已到50 mm左右,也是還有缺陷存在,裂紋打磨見圖7。將高壓外缸吊回檢查記錄中分面間隙 (未安裝中分面螺栓),整圈中分面間隙全部記錄后將高壓缸再次吊出,對高壓缸其他支撐桿缸體外表面部位進行金相檢查時意外發現兩根支撐桿所在區域的缸體外表面有缺陷顯示存在,分別是調端海側第一根和電端海側第二根支撐桿。從調端海側第一根開始編號,三根存在裂紋缺陷的支撐桿編號分別為1號、2號和8號。

圖7 裂紋打磨照片Fig.7 Crack shot

高壓缸裂紋處理的工作量進一步增大,為了確保在大修工期內保質保量完成裂紋處理工作,立即聯系引入專業機械加工技術人員和設備,在需修復的支撐桿外圍鎳基冷焊一塊帶中間孔的圓板,氣動式鏜床固定于圓板上,對支持桿焊縫進行機械挖除和打坡口,大大縮短了工期,提高了修復質量,如圖8所示。

圖8 氣動鏜床打坡口Fig.8 Pneumatic boring machine

1號、2號和8號支撐桿焊縫挖除和坡口修磨工作結束后,轉入焊接修復工序。焊接前在高壓缸兩端各架設3塊百分表,在修復區域的缸體近端密封面和遠端密封面,各自對稱布置2只百分表監測缸體縱向形變,在調端缸體側面選擇兩處平整的立面,各自布置1只百分表監測缸體橫向形變,檢查確認百分表固定可靠讀數調零。焊接預熱達到焊接工藝要求的溫度后開始進行焊接修復,氬弧焊打底后進行手弧填充焊接,每隔12 mm左右的層間進行PT(滲透)檢查,每隔1 h記錄1次百分表讀數,百分表變化較大時停止焊接。百分表監測和氬弧焊打底照片見圖9。

圖9 百分表監測和氬弧焊打底Fig.9 Meter monitoring and argon being welded

高壓缸所有支撐桿部位缺陷均焊接修復完成后 (48 h后PT合格),將高壓缸第二次扣回檢查中分面間隙。百分表監測焊接完成后的缸體最大變形量為0.22 mm,分別為焊接修復處的近端縱向變形和調端的遠端縱向變形。第二次扣回后的中分面間隙在電端陸側軸封處變大 (由0.20 mm增加至0.25 mm),在調端海側軸封處變小 (由0.25 mm減小至0.10 mm)。至此,4號機組高壓缸裂紋修復工作結束。

4 結論

4號機組高壓外缸貫穿性裂紋修復后至今,無論是缸體中分面還是支撐桿部位,未再出現任何漏氣問題,證明裂紋處理的前期準備和現場處理工作是卓有成效的,通過引入專業機械加工技術和設備對支持桿焊縫進行挖除和打坡口,大大縮短了工期提高了修復質量,為后續處理此類缺陷積累了寶貴經驗。