某電廠高壓調(diào)門閥體失效原因分析與修復

陳海鑫，姚祥宏，陳亮

1.浙江浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責任公司 浙江寧波 315200

2.蘇州熱工研究院有限公司 江蘇蘇州 215004

1 序言

浙能鎮(zhèn)海發(fā)電有限責任公司4#機組汽輪機為215MW N215-12.75-535/535型超高壓、中間再熱、單軸三缸三排汽、水冷抽汽凝汽式汽輪機，由北京重型電機有限責任公司設(shè)計制造。汽輪機進氣溫度為535℃，于1986年投產(chǎn)運行，累計運行超過22萬h。

在第9次A級檢修中發(fā)現(xiàn)主汽調(diào)門（乙側(cè)）閥體上出現(xiàn)裂紋（長約400mm、深約85mm），挖取尖端和中間部位（見圖1）進行理化檢驗，分別編號為94、95。閥體材質(zhì)為ZG15Cr1Mo1V，裂紋處閥體壁厚約90mm。使用型號Thermo Niton XL3t 980合金成分儀對來樣進行半定量定性光譜分析，參照GB/T 5613—2014《鑄鋼牌號表示方法》，試樣Cr、Mo、V含量符合標準要求。

圖1 取樣位置

2 理化檢驗

2.1 宏觀檢測

對試樣進行宏觀檢測，如圖2所示。94號樣中間部位裂紋中段充滿氧化物，表面有兩條裂紋，匯合于2截面處；95號樣截斷后左側(cè)沿裂紋斷開，斷口表面有較厚的氧化皮，呈紅褐色，氧化時間較長。

圖2 裂紋宏觀形貌

浸蝕后宏觀形貌如圖3所示。試樣1裂紋兩側(cè)組織有明顯差異，試樣2表面與內(nèi)部組織有明顯差異。裂紋均垂直于表面，試樣2裂紋寬約1mm，開口較試樣1、3截面大，表明此處裂紋從中間往兩側(cè)擴展開裂。

圖3 浸蝕后形貌

2.2 金相檢測

對上述3個試樣進行顯微觀察，如圖4所示。試樣1典型的鑄造組織，晶粒粗大，金相組織為鐵素體+粒狀貝氏體+彌散碳化物，如圖4a所示；部分晶粒細小，組織為粒狀貝氏體，似焊縫組織，如圖4b所示；表面裂紋被氧化物填充滿，裂紋中間有二次裂紋，如圖4c所示；裂紋尖端分叉斷開，尖端似沿晶開裂，如圖4d所示。

圖4 微觀組織觀察

對試樣2橫截面進行顯微觀察，距表面約4mm位置晶粒變細，金相組織為鐵素體+粒狀貝氏體，似焊接熱影響區(qū)組織，如圖5所示。對試樣3橫截面進行顯微觀察，距表面約5mm位置晶粒變細，金相組織為鐵素體+粒狀貝氏體，似焊接熱影響區(qū)組織，如圖6所示。

圖5 似焊接熱影響區(qū)組織

圖6 似焊接熱影響區(qū)組織

2.3 顯微硬度檢測

根據(jù)DL/T 438—2016《火力發(fā)電廠金屬技術(shù)監(jiān)督規(guī)程》要求，ZG15Cr1MoV材質(zhì)硬度要求為140～220HBW（140～220HV）。未挖取試樣前在閥體表面進行硬度檢查，存在明顯偏差，最高為218HBW，最低為173HBW，但均符合標準要求。

對試樣2、試樣3截面進行顯微硬度檢測，位置區(qū)域如圖7所示，硬度結(jié)果見表1。試樣2的①、②位置近表面顯微硬度高于標準要求，其余區(qū)域置均符合標準要求，③位置近表面硬度也接近標準最高限。試樣3的①、②位置硬度值均符合標準要求。

圖7 顯微硬度試驗位置

表1 硬度結(jié)果 （HBW）

2.4 掃描電鏡觀察

對試樣1、試樣2、試樣3進行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)母材上有較多夾雜類孔洞，里面遺留產(chǎn)物經(jīng)能譜檢測為硫化物，屬鑄造常見缺陷（見圖8），但未發(fā)現(xiàn)缺陷有擴展現(xiàn)象。

圖8 鑄造缺陷

2.5 失效原因分析

從閥體裂紋表面看，中間開口較兩側(cè)寬，橫截面方向，中間開口較兩側(cè)更寬，裂紋從中間位置向兩側(cè)擴展。硬度檢測發(fā)現(xiàn)中間部位硬度值較兩側(cè)高，中間位置現(xiàn)場金相檢測發(fā)現(xiàn)有焊縫組織，推斷該位置為補焊區(qū)域[1，2]。

試樣2橫截面裂紋近表面處顯微硬度值高于標準要求，該區(qū)域存在補焊，與金相檢測結(jié)果吻合。金相組織老化評級為3～4級，裂紋尖端顯示裂紋穿晶擴展。掃描電鏡檢查發(fā)現(xiàn)，鑄件存在較多夾雜孔洞。

綜上所述，可確定裂紋存在時間較長，裂紋在應(yīng)力作用下從中間向兩側(cè)、從外往內(nèi)擴展。由于表面補焊處造成開裂，裂紋在應(yīng)力作用下緩慢擴展的可能性較大。閥體存在夾雜類孔洞、疏松、縮孔、等鑄造缺陷，但周圍未發(fā)現(xiàn)擴展跡象，與裂紋形成無直接關(guān)系[3]。

3 焊接修復

3.1 裂紋清除

在裂紋兩端及中間打多個止裂孔，采用砂輪和旋轉(zhuǎn)銼磨除裂紋（見圖9）[4]；當裂紋區(qū)域逐漸縮小時，采用滲透檢測對裂紋位置進行精準定位；裂紋缺陷全部打磨清除，滲透檢測確認，如圖10所示。

圖9 止裂孔

圖10 滲透檢測

3.2 預熱與氬弧焊

1）采用遠紅外加熱方式對待修復區(qū)域進行打底焊的焊前預熱。使用測溫槍檢測待焊坡口溫度應(yīng)≤150℃。

2）溫度達到要求后，用ERNiCr-3，φ2.4mm焊絲進行氬弧焊打底，打底層為2層，將整個補焊區(qū)域坡口四周和底部焊接層隔離焊接。打底層厚度3～4mm，要求連續(xù)施焊，焊道排列整齊，焊道之間要求1/3的覆蓋量，打底層與坡口邊緣基材圓滑過渡。

3）打底焊結(jié)束后等待冷卻至室溫，先對焊層表面進行宏觀檢查，隨后對打底層表面打磨，進行滲透檢測，確認無缺陷后，再進行填充焊。

3.3 填充焊

1）待打底層和基體金屬冷至室溫后，采用φ3.2mm，ENiCrFe-3焊條進行多層多道填充焊，斷續(xù)進行，每道焊接要等焊縫冷至50℃以下（手摸不燙）再焊，如圖11所示。

圖11 填充焊

2）填充焊應(yīng)使起弧、熄弧區(qū)交錯分布，避免集中在同一部位，同時要求避免在坡口兩端和不圓滑的拐角處起弧和熄??；焊接時使用小電流、快速焊、窄焊道、焊條不作橫向擺動，盡量減小熱輸入。焊接時采用短弧、收弧時填滿弧坑，不要將電弧移至基材上熄弧。采用逆向分段或跳躍焊道焊接，使應(yīng)力分布合理[5]。

3）期間斷續(xù)進行補焊，不要集中在一處連續(xù)補焊；除去打底層和蓋面層外，其余每個焊道焊接完成后在紅熱狀態(tài)下立即進行錘擊來釋放應(yīng)力，如圖12所示[6]。

圖12 錘擊釋放應(yīng)力

3.4 檢驗

1）在填充焊過程中，為避免在層間出現(xiàn)裂紋、夾渣、氣孔等缺陷，采用宏觀檢測、滲透檢測的方法來防止缺陷或清除缺陷[7]。

2）焊后檢驗。待修復區(qū)域完全冷卻至室溫，進行宏觀檢測，同時進行表面打磨工作，使得焊縫與母材圓滑過渡。對修復區(qū)域進行滲透檢測，沒有發(fā)現(xiàn)超標缺陷，符合技術(shù)要求，如圖13所示。

圖13 焊后滲透檢測

4 結(jié)束語

通過理化檢驗和裂紋產(chǎn)生的原因分析，發(fā)現(xiàn)是由于原補焊位置開裂導致閥體的失效，通過對主汽調(diào)門（乙側(cè)）閥體裂紋成功修復，消除了電廠設(shè)備的重大隱患，進一步提高了設(shè)備的安全性。更換一臺高壓調(diào)閥需要花費幾十萬元，此次修復高壓調(diào)閥給電廠帶來了較好的經(jīng)濟效益，同時對以后處理閥體類似缺陷積累了一定的經(jīng)驗。