汽輪機隔板開裂原因分析及處理

賀衛國 王建 黃強

摘要：介紹了某廠9E燃氣輪機聯合循環機組中的汽輪機一、二級隔板多處開裂，從隔板結構和運行工況分析裂紋產生的原因，提出了現場修復方案，為同類型機組修復開裂隔板提供參考。

關鍵詞：汽輪機;隔板;裂紋;冷焊

0引言

某電廠安裝有兩套S109E燃氣-蒸汽聯合循環機組，其配置型式為1臺燃機+1臺汽輪機+2臺發電機+1臺余熱鍋爐，兩班制運行方式。汽輪機由哈爾濱汽輪機廠制造，型號為N60-/5.6/O.56/527/255。該汽輪機為雙壓、單軸、單缸、沖動、凝汽式機組，整個汽缸由汽缸前部、汽缸中部和排汽缸組成。汽缸內部裝有高壓蒸汽室、高壓內缸、三級隔板套和前后汽封。高壓內缸裝有1～6級隔板，其后的I級隔板套安裝有7～11級隔板，II級隔板套安裝有12～14級隔板，III級隔板套安裝有15～16級隔板;17、18級直接裝在汽缸上。第一套機組于2004年5月投運，在2018年11月，機組第三次大修，發現汽輪機一、二級隔板，均有較長的開裂缺陷，直接影響到隔板的繼續使用。為保證機組安全投入運行，對隔板開裂進行了原因分析，并采取現場焊接的方法，實現了隔板現場修復。

1汽輪機隔板開裂原因分析

機組大修，汽輪機解體后發現一級隔板上半內環有長約100mm的斷續性裂紋（如圖1），二級隔板上半外環有兩處嚴重開裂，有一處長度達280mm（如圖2），一處長度約120mm。

隔板結構如圖3、4所示，其中1為隔板外環，5為隔板內環，3為導葉片，2為外圍帶，4為內圍帶。

汽輪機隔板體材質為ZG20CrMoV，是鑄鋼件。由于材料中Cr元素的質量分數較大，在澆注時，其液態金屬的流動性不好，充滿鑄型的能力差，容易形成如氣孔、砂眼、疏松、縮孔鑄造缺陷，經過長期的高溫運行，這些缺陷可能會發展成裂紋。另外，隔板結構較復雜（見圖5），汽輪機靜葉鑲嵌隔板環上（靜葉材料為1Cr11MoV），隔板環（內外）材料為12Cr1MoV，與鑄鋼隔板體焊接而成，是合金鋼與鑄鋼件的焊接，焊接厚度較大，需要嚴格的預熱、熱處理和防止隔板變形的工藝，焊接產生的殘余應力，容易造成鑄鋼件的拉裂，特別在有外力作用時，脆硬的鑄鋼材料容易開裂。這次發現的長裂縫，在隔板外圈鑄鋼件上。在裂紋打磨消除過程中，發現靜葉鑲嵌焊接時形成的焊縫存在嚴重的焊縫未焊透、孔穴，未熔合等嚴重的缺陷，用超聲波探傷方法，檢查靜葉的焊縫質量，發現隔板焊縫斷續存在未焊透，未融合，孔穴等嚴重焊接缺陷。這些焊接缺陷，消弱了焊縫隔板的強度，特別在機組運行啟停頻繁的惡劣運行工況下，焊接缺陷的擴展，產生開裂或長裂紋。這次隔板外出加工，更換阻汽片的運輸中，又受到運輸過程汽車顛簸形成的沖擊外力，造成了裂紋的迅速擴展，形成了長裂縫。

2汽輪機隔板裂紋現場修復

汽輪機一、二級隔板裂紋缺陷較嚴重，直接影響到隔板的正常使用，存在嚴重的安全隱患，需要對其缺陷進行修復。考慮到現場無熱處理條件，參照汽輪機鑄鋼件補焊技術導則，采取冷補焊工藝進行修復。補焊修復工藝如下：

2.1缺陷消除及坡口制作

分別對一級隔板上半內環、二級隔板上半外環所有裂紋進行打磨，打磨方法采用角向磨光機或電動磨頭等機械方法打磨，邊打磨邊用肉眼或借助5-10倍放大鏡觀察，直到徹底消除裂紋為止，打磨出焊縫孔穴，內部有雜物，需用酒精清洗潔凈，并對打磨區域進行滲透探傷檢查，確認裂紋已全部消除。裂紋挖除后，將坡口修理成方便補焊的V型坡口，坡口最終形狀應表面平緩，在焊口兩側周圍10mm及其表面范圍內清理干凈，全部呈現金屬光澤，并用酒精或丙酮對打磨好的位置進行清洗，將油污等雜質去除干凈。為了防止裂紋在修復時進一步擴展，根據裂紋深度選取Φ5的鉆頭在裂紋兩端打止裂孔。止裂孔距離裂紋尖端約3mm，止裂孔深度大于裂紋深度3-5mm。

2.2焊接變形監測

為保證焊接變形控制在1mm內，焊接過程必須進行變形監控，焊前把隔板固定在焊接工裝平臺上，隔板兩側架設2個方向百分表，監測變形量， 焊接過程變形量明顯時（變形數值超過0.5mm），應立即停止焊接，待冷卻后觀測，或嚴格控制焊接速度或焊接溫度，保證變形控制在要求范圍內。

2.3焊接工藝

焊材選擇：采用型號為ENi6182/SNi6082鎳基焊絲和焊條冷焊材料;

焊前預熱：采用火焰加熱，對隔板焊接坡口兩側處局部預熱，預熱范圍為坡口及兩側，預熱溫度80-100℃，均勻加熱，使用紅外線測溫儀進行現場溫度監測。

2.4焊接過程控制

為減小變形，對長度較長的補焊區域采用分段焊接，如把280mm長補焊區域分成4段，每70mm一段，按順序編為1、2、3、4段，在預熱溫度下，1、3，2、4交替焊接，采用多層多道焊接，先沿坡口表面用焊絲敷焊2mm-3mm的打底層，然后再用焊條補焊，在填充補焊時，用紅外線測溫儀進行檢測，道間溫度不高于預熱溫度的上限100℃。采用電焊施焊時，各焊道焊后可采用手錘立即趁紅熱狀態進行錘擊，使用錘頭直徑為5mm，焊接完成后用機械方法進行打磨，并測量焊接變形量。

2.5焊后檢查

用角磨機將焊縫余高磨平，然后進行拋光。用5-10倍放大鏡對補焊區域先進行100%的外觀檢查，再用滲透探傷檢查，補焊區域不得存在裂紋、未熔合、氣孔等外觀缺陷。

2.6尺寸恢復：在焊口檢驗合格后，全面用磨光機手工加工隔板到尺寸要求范圍內 。

3結語

對于頻繁啟停的汽輪機，隔板制作過程遺留的焊接缺陷，很容易在運行中產生開裂現象，在檢修中，現場采用鎳基焊材冷焊的修復方法，工藝簡單，檢修效率高，安全可靠，可以有效解決隔板開裂問題，延長隔板的使用時間。

冷焊修復后的隔板，運行半年后復查，均未發現異常，說明該修復方案在修復隔板裂紋缺陷上，具有較強的適用性，是高頻率啟停運行機組隔板開裂修復較好的選擇。

參考文獻：

[1]許春義.湛江發電廠給水泵汽輪機隔板裂紋的分析及焊接修復[J].廣東電力，2004（6）：104-107.

[2]DL-T 753-2015.汽輪機鑄鋼件補焊技術導則[S].

作者簡介：

賀衛國（1968-），男，山西交城人，北京國際電氣工程有限責任公司高級工程師，一直從事火力發電廠金屬監督、焊接、電廠設備檢修技術管理工作。