汽輪機(jī)末級(jí)靜葉片焊縫沖蝕原因分析及修復(fù)措施

張志國(guó)，雷霞

（中國(guó)石油蘭州石化公司石油化工廠，甘肅蘭州 730060）

1 概述

某公司24 萬t/a 乙烯裝置丙烯制冷壓縮機(jī)GB-501/T 是日本三菱公司生產(chǎn)的離心式壓縮機(jī)組，汽輪機(jī)為抽氣凝汽式，正常轉(zhuǎn)速4 738 rpm，供氣壓力3.9 MPa，溫度400℃；抽氣壓力為0.34 MPa，溫度173℃；排氣壓力為0.011 MPa（A），溫度47.7℃；復(fù)水器控制壓力為-70 kPa，溫度35℃。機(jī)組自2003年投用以來從未解體檢查汽輪機(jī)動(dòng)、靜轉(zhuǎn)子內(nèi)部情況。2019年大檢修對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)末級(jí)靜葉片焊縫處存在嚴(yán)重的沖蝕溝槽。

2 汽輪機(jī)解體檢查

2019 年裝置大檢修期間對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行解體檢查，轉(zhuǎn)子除第十一級(jí)一條圍帶有輕微碰撞變形外無明顯缺陷。將轉(zhuǎn)子清理干凈，其表面非常光滑，做表面無損檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷。將輕微變形圍帶矯形修復(fù)后做動(dòng)平衡，結(jié)論符合要求。

對(duì)上下缸體及隔板組件檢查，發(fā)現(xiàn)在第十一級(jí)（末級(jí)）靜葉柵背弧出汽側(cè)靜葉片和固定靜葉片的外環(huán)焊縫處有宏觀溝槽。溝槽寬約0.5 mm，深度約2 mm，沿焊縫方向和靜葉片彎曲一致，貫穿整條焊縫長(zhǎng)度（見圖1）。該級(jí)靜葉片本身只有少量污垢，除去污垢葉片表面圓潤(rùn)光滑無缺陷。打磨焊縫消除溝槽后做表面無損檢測(cè)，溝槽底部未見延伸裂紋。

圖1 第十一級(jí)靜葉片焊縫沖刷溝槽

機(jī)組凝液日常取樣分析pH值都在8以上，即使有不合格樣品pH 值也是偏離上限（見表1），電化學(xué)腐蝕的概率極低。機(jī)組入口蒸汽壓力和溫度受外界管網(wǎng)影響有時(shí)會(huì)偏離汽輪機(jī)設(shè)計(jì)要求。

缺陷呈現(xiàn)宏觀溝槽外觀且與流向有明顯關(guān)系特征，結(jié)合汽輪機(jī)日常運(yùn)行情況，并考慮汽輪機(jī)末級(jí)所處工作環(huán)境蒸汽濕度較大，判斷為液滴沖蝕所致。

3 沖蝕原因分析

1）沖蝕機(jī)理

表1 GB501T 凝液分析數(shù)據(jù)

在汽輪機(jī)末級(jí)蒸汽濕度大，汽流中夾帶的液滴隨蒸汽沖擊葉柵。液滴高速撞擊葉柵表面會(huì)產(chǎn)生幾倍于水錘的撞擊壓力。同時(shí)沖擊波引起高能量微射流，在高能微射流的作用下，加速破壞沖擊區(qū)域的深點(diǎn)坑。在液滴的連續(xù)撞擊下，表面材料迅速剝落，直到表面出現(xiàn)許多較深的凹坑、裂紋。由于裂紋內(nèi)部的金屬材料沒有保護(hù)層，蒸汽夾帶液滴繼續(xù)吹掃，最終出現(xiàn)宏觀溝槽。

2）末級(jí)靜葉柵焊縫沖蝕嚴(yán)重的原因

液滴沖刷速度影響沖蝕磨損量，液滴沖蝕磨損量與沖蝕速度的關(guān)系可用式（1）表示：

式中：M為液滴沖刷磨損量，VC臨界速度，n臨界指數(shù)，數(shù)值一般在2～5之間，V液滴的沖蝕速度。

臨界沖刷速度和液滴直徑的關(guān)系可用式（2）表示：

式中：C常數(shù)，VC臨界速度，d液滴直徑。

綜合（1）和（2）可以發(fā)現(xiàn)：液滴直徑增大，臨界沖蝕速度減小，液滴直徑越大，在同等條件下材料越容易出現(xiàn)沖蝕。液滴沖刷磨損量與液滴沖蝕速度和臨界速度差的n 次方成正比；液滴沖刷速度越大，磨損量越大；液滴直徑越大，沖蝕速度和臨界速度的差值也就越大，沖蝕磨損量也會(huì)增加。

在汽輪機(jī)運(yùn)行過程中末級(jí)葉柵所處環(huán)境壓力低，溫度低濕含量最大，形成液滴的直徑也最大。蒸汽在級(jí)中流動(dòng)，壓力和速度變化如圖2 所示，在靜葉片中速度逐步上升，壓力逐漸下降，在靜葉片出口速度到達(dá)最大值，蒸汽進(jìn)入動(dòng)葉片后速度和壓力都逐步下降，所以蒸汽速度最大出現(xiàn)在靜葉片中；同時(shí)因動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)方向和汽流同向，動(dòng)葉片和汽流的相對(duì)速度比靜葉片小的多，所以靜葉片所承受的沖蝕速度比動(dòng)葉片大。同時(shí)汽流在焊縫處方向改變最劇烈。由此可知汽輪機(jī)末級(jí)靜葉片焊縫處沖蝕磨損量最大，最終在焊縫處出現(xiàn)宏觀溝槽。

圖2 蒸汽在級(jí)中流動(dòng)

4 修復(fù)措施

為了阻斷溝槽生長(zhǎng)擴(kuò)展，初步制定了將焊縫溝槽打磨消除至與基體平滑過渡的方案。三菱工程師建議如果溝槽打磨消除后焊縫高度大于5 mm 可不做處理，如果打磨后高度小于5 mm 則焊縫強(qiáng)度不足，無法保證汽輪機(jī)下一個(gè)檢修周期的安全運(yùn)行。焊縫溝槽打磨消除以后，經(jīng)過測(cè)量高度不足5 mm，需要進(jìn)行修復(fù)。由于葉片較薄，厚度約5 mm，傳統(tǒng)電弧堆焊熱量輸入大，極易造成葉片出現(xiàn)焊接熱變形。如葉片變形勢(shì)必造成與之連接的隔板本體和隔板樺緣相對(duì)關(guān)系發(fā)生變化，進(jìn)而影響安裝和級(jí)間蒸汽泄漏量。故修復(fù)方案主要考慮的是如何保證隔板組件幾何尺寸不產(chǎn)生變化，所以需選擇一種輸入熱量小、無熱變形的修復(fù)方案。

4.1 激光熔覆技術(shù)基本原理

激光熔覆以不同的填料方式在被熔覆基體表面上預(yù)置涂層材料，經(jīng)激光輻照使之和基體表面一薄層同時(shí)融化，并快速凝固后形成稀釋率極低并與基體成冶金結(jié)合的表面熔覆層。從而顯著改善基體表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性。

4.2 保證幾何尺寸措施

如何保證隔板組件修復(fù)后的幾何尺寸不變是修復(fù)工作的關(guān)鍵。為了保證組件幾何尺寸不變做了以下幾方面的工作：

1）置于工作平臺(tái)

由于上下隔板組件成對(duì)安裝，為了保證兩者的匹配性修復(fù)前將其按照裝配關(guān)系放置在工作平臺(tái)上。

2）制作臨時(shí)工裝

因?yàn)楦舭褰M件外徑較大無成型夾持工具可用，故需現(xiàn)場(chǎng)制作臨時(shí)工裝。臨時(shí)工裝要保證工件在修復(fù)過程中不能有位置移動(dòng)。首先在兩個(gè)相互垂直的直徑方向制作四個(gè)支撐點(diǎn)將組件在徑向上固定。其次為防止組件的軸向變形，在修復(fù)平臺(tái)上沿隔板組件圓周方向均布8 個(gè)固定點(diǎn)，作用力和軸向平行將隔板組件壓在修復(fù)平臺(tái)上，見圖3。通過對(duì)軸向和徑向兩個(gè)方向的限制，保證隔板組件不能自由形變。

3）選擇測(cè)量點(diǎn)

根據(jù)組件特點(diǎn)、熔覆位置和測(cè)量可行性，從三個(gè)方面選擇測(cè)量點(diǎn)：

圖3 固定隔板組件

a）隔板分上下兩部分，工裝將組件固定后，中分結(jié)合處間隙能表征兩隔板的相對(duì)位置，故在中分結(jié)合間隙處設(shè)置8個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)量間隙，隔板本體4個(gè)，隔板樺緣4個(gè)。

b）因隔板本體遠(yuǎn)離修復(fù)點(diǎn)，沒有局部熱量輸入，只可能被整體拉動(dòng)，且中分面處數(shù)據(jù)最易發(fā)生變化，故取中分面附近2 處和其他3 處作為隔板直徑測(cè)量點(diǎn)。

c）隔板樺緣外徑較大且被多點(diǎn)固定，結(jié)合測(cè)量可行性選擇測(cè)量樺緣板上平面和修復(fù)平臺(tái)的高度作為測(cè)量點(diǎn)。每個(gè)測(cè)量點(diǎn)都標(biāo)記固定，如圖4所示。

圖4 固定點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)

4）測(cè)量數(shù)據(jù)

在對(duì)隔板組件進(jìn)行激光熔覆前定點(diǎn)測(cè)量隔板組件的初始數(shù)據(jù)，如表2所示。

4.3 熔覆材料的選用

激光熔覆材料一般要根據(jù)使用性能要求和與熔覆基體的匹配情況來選配。目前激光熔覆材料的設(shè)計(jì)和選用主要考慮以下幾個(gè)方面。

1）線膨脹系數(shù)相近

激光熔覆層中產(chǎn)生裂紋的重要原因之一就是熔覆材料與基體金屬二者的線膨脹系數(shù)存在差異。激光熔覆的工藝特點(diǎn)是基材和熔覆層加熱和冷卻速度極快，過程也不同步，若兩者線膨脹系數(shù)差異太大，則激光熔覆過程中熔覆層易產(chǎn)生裂紋、開裂甚至剝落。結(jié)合相關(guān)研究，激光熔覆層材料與基材線膨脹系數(shù)之差應(yīng)滿足下式：

表2 隔板組件初始/復(fù)核尺寸對(duì)比 mm

式中：σ1、σ2分別為熔覆層與基材的抗拉強(qiáng)度；Δα 為兩者的線膨脹系數(shù)之差；ΔT 為熔覆層溫度與室溫的差值；E為熔覆層的彈性模量；γ為泊松比。

2）熔點(diǎn)匹配

熔覆材料與基材金屬的熔點(diǎn)不能相差太大，否則難以形成與基材良好冶金結(jié)合且稀釋度小的熔覆層，熔覆質(zhì)量大大降低。

3）熔覆材料對(duì)基材的潤(rùn)濕性

潤(rùn)濕性與表面張力密切相關(guān)，表面張力越小液態(tài)流動(dòng)性越好，越容易使熔覆層液相均勻鋪展在金屬基體表面，具有良好潤(rùn)濕性的材料在激光熔覆過程中可以獲得表面成形良好的熔覆層。

4）激光熔覆材料的選用主要按照使用性能和工藝性能選用的原則

通過光譜檢測(cè)確定隔板組件的葉片材質(zhì)接近1Cr13，支撐環(huán)接近35CrMo。由于該設(shè)備缺陷的產(chǎn)生是由于液滴沖蝕所致，根據(jù)使用性應(yīng)選擇一種耐磨、耐蝕材料。鎳基合金粉末具有良好的潤(rùn)濕性、耐蝕性、高溫自潤(rùn)滑作用，主要適用于局部要求耐磨、耐熱蝕及抗熱蝕的構(gòu)件。根據(jù)《常見激光熔覆耐磨材料的性能和用途表》結(jié)合鎳基合金粉末膨脹系數(shù)與大多數(shù)合金鋼接近的特點(diǎn)，所以選擇鎳基合金粉末。修復(fù)單位根據(jù)用方提供的使用性能要求和基體材質(zhì)推薦使用Ni24自配鎳基合金粉末。

5 修復(fù)

將隔板組件加熱到80℃，選用全固體光纖激光機(jī)進(jìn)行熔覆。為了保證熔覆質(zhì)量，修復(fù)前隨機(jī)選取一條缺陷焊縫，單層熔覆，做無損檢測(cè)。確認(rèn)無損檢測(cè)合格后再進(jìn)行全面熔覆。根據(jù)激光熔覆修復(fù)工藝，選擇光斑直徑3 mm、激光功率2.4 kW、掃描速度10 mm/s的工藝參數(shù)。多層熔覆，每層熔覆厚度約0.5 mm，三層熔覆后焊縫高度恢復(fù)到5 mm以上。熔焊后將隔板組件溫度控制在300℃，保溫4小時(shí)。最后對(duì)激光熔覆部位作無損檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

6 尺寸復(fù)合

修復(fù)后測(cè)量焊縫高度均大于5 mm，滿足設(shè)備的強(qiáng)度要求，去除固定工裝復(fù)核修復(fù)后各點(diǎn)數(shù)據(jù)如表2 所示，與修復(fù)前對(duì)比基本無變化，修復(fù)后未影響隔板組件的回裝及使用。

7 結(jié)論

應(yīng)用激光熔覆技術(shù)對(duì)焊縫沖蝕溝槽進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)了焊縫強(qiáng)度。由于激光熔覆熱量輸入小，可以完全避免常規(guī)焊接修復(fù)后無法控制焊接熱變形的缺點(diǎn)，為今后此類控制幾何尺寸的設(shè)備修復(fù)提供了很好的借鑒。