百万核电汽轮机轴瓦制造中的问题分析

2014-12-03冀润景

热力透平 2014年4期

冀润景

（中国电能成套设备有限公司，北京 100080）

我国作为全球核电建设规模最大的国家，面临大量发电设备需要国产化的情况。在国产化试制阶段，受技术引进方的限制及片面追求进度的影响，一些交付的设备存在一定程度的质量问题，这对整个工程的工期、质量造成影响。

作为汽轮机设备中的重要承载部件，轴瓦的制造质量直接关系到汽轮机的稳定运行。而在轴瓦制造中，巴氏合金浇注质量、合金与瓦体的结合质量都是衡量轴瓦质量水平的主要指标，特别是对大规格、结合力要求高的百万核电轴瓦而言，更是如此。本文针对首批百万核电汽轮机轴瓦制造中存在的质量问题，通过对巴氏合金浇注过程的各个环节进行分析，提出建议措施。

1 轴瓦制造中的质量问题

1.1 轴瓦的技术特点和制造要求

本机组汽轮机转子（一高三低）为双轴承支撑，全部8 副汽轮机轴瓦均为单油楔球面轴瓦。其中，2 副高压轴瓦规格分别为Φ510mm、Φ560 mm，6副低压轴瓦规格均为Φ785mm。轴瓦浇注巴氏合金，牌号为WL－2。合金层与轴瓦体结合强度要求为80N／mm2，明显高于一般轴瓦。

表1 WL－2合金的化学成分要求

浇注完成、冷却后，对合金表面分三次加工至最终尺寸，其中对上半瓦要进行偏心加工，每次加工后，都要对合金表面和端部、中分面结合部位进行超声波探伤和渗透探伤检查。

1.2 轴瓦制造中的主要质量问题

轴瓦承制厂家依据自主制定的工艺，在技术引进方有限的指导下进行试制，通过鉴定，给出了合格的结论。尽管首件试制成功，但通过全面的探伤检查，厂家实际生产的轴瓦暴露出大量问题，主要有：（1）上瓦偏心加工车去一定厚度合金后，顶部出现“裸露本体”的情况，该处合金和瓦体结合线上出现大量渗透探伤线性显示；（2）中分面和端面合金与瓦体结合部位渗透探伤线性显示；（3）合金表面大量超标的超声波探伤面积显示（主要是结合不良）；（4）合金表面大量超标的渗透探伤圆形显示（主要是气孔）。以上问题如图1所示。

图1 轴瓦主要探伤缺陷

2 合金浇注过程剖析及探伤缺陷原因分析

合金浇注属于特殊过程，浇注工艺的合理性、工艺执行情况等对最终合金和瓦体的结合质量有着重大影响，而轴瓦的探伤缺陷恰恰显示出大量结合不良情况的存在。经验表明，结合不良的原因一般归结为工艺不合理或不能严格执行工艺。因此要解决轴瓦的质量问题，需从工艺着手剖析，分析工艺中存在的不合理情况以及工艺执行不到位的情况，以寻求解决问题的措施。浇注过程主要包括瓦体准备、挂锡、工装预热、合金熔炼、合金浇注及冷却等。

2.1 瓦体准备环节

瓦体材料为铸钢件，入厂后需进行120小时、650℃的脱氢热处理。之后在待浇注面加工出燕尾槽。在机加工完成规定时间内，进行挂锡和合金浇注。瓦体的准备阶段对后续挂锡质量、结合力有一定的影响，该阶段容易出现的问题有：

1）脱氢前粗加工留量较大，致使脱氢后加工量大，瓦体残余应力大，易变形［1］；同时，实际生产中存在精加工阶段消缺补焊情况，而此时因结构原因已不能回火，影响脱氢效果。有其他厂家采用锻件瓦体，加工时基本不需挖补，相应的脱氢时间也短，并能保证脱氢质量。

2）挂锡前的瓦体表面处理不干净，使挂锡不均匀、不全面；另外，挂锡前表面粗糙度不能达标，使挂锡层变厚，影响挂锡质量。实践证明［2］，粗糙度越大，锡层厚度越大。

3）因生产安排，不能在机加工完成规定时间内及时进行浇注，使表面形成氧化膜，这将影响锡与瓦体之间的结合力。因此若不能及时浇注，可采用先挂锡保护的方法，这样即使锡面出现氧化，也可通过颜色观察并处理。

2.2 挂锡环节

挂锡的作用是在瓦体和合金之间形成过渡层（FeSn－FeSn2）［3］，以增强结合力。挂锡质量是影响浇注质量的关键因素，存在的主要问题包括：

1）工艺中给出的锡液温度范围过大，不易操作。工艺要求热浸方法挂锡，锡液温度控制在260～300℃。而锡的熔点为232℃，锡液温度若太低，高出熔点不多，流动性就不好。若太高，则易使挂锡表面氧化，且温差大会造成热应力大，形成不良的过渡层。不同的文献［2，4］中给出的锡液温度有所不同，应根据实际情况，优化工艺中的锡液温度范围。

2）工艺未给出对挂锡层厚度的控制措施。锡层虽有利于结合，但硬而脆，应尽量薄。过厚的挂锡层易氧化，结合力降低。一些工厂利用锡液流动性好的特点，采取垂直抖动方式，使锡层尽量薄。实践证明锡层厚度随粗糙度的改善和抖动次数增加而减薄。

3）工艺中未规定挂锡前预热瓦体。瓦体若不预热，因温差大造成热应力大，会形成不良的过渡层。但温度不宜过高，否则瓦体表面会氧化。具体预热温度应根据经验制定，有的文献给出温度为270～300℃［3］。实践也证明，厂家往往忽视挂锡前的预热。

4）未严格执行挂锡时间，导致挂锡不完全。

2.3 工装预热环节

浇注中工装的温度，会局部影响浇注质量，温度过高会使合金局部过热，不利于结晶；过低则过早结晶使随后的结晶过程不均匀。严重时使局部产生热裂倾向。因此对工装进行合适的预热非常必要，而实际浇注时，往往存在不能按工艺严格执行，忽视预热要求的情况。

2.4 合金熔炼环节

经调查分析，合金熔炼过程存在的问题有：

1）不能严格控制旧料的用量。往往受成本影响，回炉旧料的数量超过工艺要求。回炉旧料中的杂质可能对合金金相组织、硬度、夹杂物有一定影响，但不会直接造成脱胎。

2）熔炼、浇注温度（390～420℃）的范围不合理。巴氏合金液体冷却中，首先结晶析出针状ε相（Cu6Sn5），随后降温过程中方形结晶β′相（SnSb），β′相易偏析，先形成的ε相呈骨架状分布在液相中，防止β′上浮形成偏析。如果合金液体温度过低，则流动性差，浇注时易产生冷隔、气孔及砂眼缺陷；若过高，则会增加熔化过程中合金烧毁的可能性，并使合金组织粗大，影响力学性能。锡基合金的ε相结晶温度为370℃［5］，一般浇注温度应高于初始结晶温度50～100℃。因此可在工艺规定范围内，使浇注温度接近420℃。

2.5 合金浇注及冷却环节

尽管经验表明，相对静态浇注、离心浇注能消除合金中的气孔、夹渣缺陷，得到更精细的组织［7］，但因ε相比重大，受离心力作用会在结合部位聚集，产生较大偏析。曾有国内百万火电机组离心浇注轴瓦运行不满2年就发生合金层剥落的问题［8］，原因是结合部位ε相比重过多，使合金变硬，韧性不足，在交变和冲击载荷下碎裂和剥落。本轴瓦结合力要求80N／mm2，远高于同类项目机组50～60N／mm2的要求，因此，只能采用静态浇注。该环节出现的问题有：

1）浇注方法不合理。采用直立连续浇注方法，合金层从液态冷却至固态时是作为一个整体，由于轴承合金WL－2（α＝19.32×10－6）与瓦体ZG225－450（α＝12.9×10－6）线膨胀系数相差大，在合金从固相线以下冷却到常温过程中，两种金属的收缩变形量不同，产生一定的内应力，可能导致结合不良。其次，结晶过程中ε相（Cu6Sn5）因比重大出现偏析，实践中曾出现过在下部取样进行化学分析时，铜含量明显过高。另外，浇注时下部首先凝固，上部液体因浇注空间面积大而且宽度窄，补缩距离长而来不及补缩，易造成缩孔和疏松。实践表明［6］，采取间歇浇注的方法，能一定程度上解决或缓解上述问题。同时，还有厂家尝试底注方法，在解决补缩问题的同时，也能避免从顶部浇入时气泡不易排出的情况，改善浇注质量。

2）冷却方式不能起到效果。合理地控制各部位温度，是结合力达到要求的关键。通过对比试验，合理的温度如图2所示：瓦面中下部A 最低，由此向瓦面放散性升高，两边高于中部、上部高于下部，模具内表面温度应显著高于瓦面温度，一般应控制在250～290℃，这样可增大合金挤向瓦面的凝缩力，加强结合力。

图2 冷却时合理的温度分布

而在实际浇注时按传统离心浇注方式用水枪喷水，无法控制温度分布。某工厂针对此情况，设计出一种半环形空心钢制水管，浇注时水管围绕瓦体背部布置，水管面向瓦背设置很多喷水孔，水由水管两头以一定的压力进入，从喷水孔中喷出进行冷却。而且，还可通过提升水管，达到不同高度的冷却，此工装一定程度上解决了冷却时的温度分布要求。

3）忽视一些细节。如工作衔接不好，未能保证挂锡后在5分钟内浇注，使得锡层可能出现氧化，影响结合，也使得瓦体浇注前245℃的温度难以保证。