高温高压蒸汽阀门密封面在线修复及检测技术

陈 捷，陆 云

(1.上海外高桥发电厂有限责任公司，上海 200137；2.国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437)

1 高温高压蒸汽阀门密封面的应用现状

目前，超超临界火电机组整体技术基本都引进国外技术，由国内大型供应商进行组装。但是汽轮机的关键部件都采用全进口，尤其是主汽门、调门、高旁等阀头与阀座整个系统，该部件的密封性能决定机组经济性和安全性。为了保证密封面良好的密封性，通常在密封面堆焊硬度较高耐磨层，常用的堆焊材料为司太立合金14(Stellite)。

上海市并网发电厂900 MW以上机组有6台，660 MW超超临界机组有2台，机组均存在密封面开裂的现象(见图1、图2)。密封面硬质合金一旦碎裂或脱落，直接冲入汽缸，造成汽轮机转子重大的损坏，该设备缺陷给电力生产企业带来了巨大的经济损失与安全隐患[1-3]。

图2 高主B阀座裂纹

某发电厂8号、9号两台机组自2010年投产至今，高低旁主阀已多次发生由于密封面缺陷造成的蒸汽内漏情况，造成出口温度急剧上升，投运大量减温水，机组的热效率降低，煤耗上升(增加2～3克煤耗)，经济性差。某超超临界900 MW发电机组的在长周期运行过程中，曾发生中压调门密封面整体脱落，导致高中压转子整体受损，尤其转子动叶片表面受到不同程度的损伤。同样的问题亦频繁发生，主汽门的内漏问题一直存在。

同时，此类问题已形成“家族性”共性问题，几乎涵盖所有的发电机组，尤其以上汽西门子超超临界机组主汽、调门、再热主汽、调门以及CCI高低旁主阀的阀座缺陷问题尤为突出。如采用国外的在线修复技术，费用高、周期长、焊接质量得不到保证，因此电力企业自主研发高温高压阀门在线修复与检测技术已势在必行。

2 密封面修复技术的难点

2.1 现场焊接

从阀门的特征和修复要求可以看出，高温高压蒸汽管道阀门阀座密封面的修复技术涉及到新材料、新装备、新工艺，其过程非常复杂，目前常用的修理办法是将整个汽缸缸体采用机械办法与管道割离，大型卡车运送至维修地点，在大型工厂间内进行修复后，再将部件焊接归位。这种方法不仅耗费大量时间与资金，而且不能从根本上解决问题，达不到理想的效果。现有的在线检修几乎全部依赖国外修复设备,由于外国对技术进行垄断，维修费用极高，并且效果均不理想,一般在机组投运后短周期内，就会出现重复性缺陷[4-5]。

目前，国内外多家公司针对上汽西门子超超临界机组主汽、调门、再热主汽、调门等花费了巨资并采取了不同的方法正在积极探索解决此类问题，但效果均低于产品制造验收标准。高温高压蒸汽管道阀门阀座密封面的修复技术一旦成功，其应用范围更广，可以覆盖包括高低旁主阀在内通径大于300 mm的所有高温高压蒸汽管道阀门阀座密封面的修复，涵盖所有的发电机组，现场解决“家族性”共性问题。

2.2 超声波检测

在堆焊完成后，应对该堆焊焊缝进行无损检测。从理论上说，反射超声波的面积越大，回波越高，越容易检出。实践表面，对较厚焊缝的裂纹和未熔合缺陷检测，超声波检测确实比射线照相灵敏，并且其指向性较好。

利用这一特性，堆焊层的超声波检测具有理论上的可行性。在堆焊层完好区，超声波直接穿透焊缝进入阀门本体不会有回波出现，在堆焊层与阀门本体的未结合区则有反射回波(即缺陷波)出现。

在现场实际检测的过程中，针对密封面的堆焊焊缝，应考虑以下因素。

(1)对工件中的缺陷进行精确的定性、定量仍需作深入研究。

(2)对具有复杂形状或不规则外形的工件进行超声检测有困难。

(3)缺陷的位置、取向和形状对检测结果有一定的影响。

(4)工件材质、晶粒度等对检测有较大影响。

(5)常用的手工A型脉冲反射发检测室结果显示不直观，检测结果无直接见证记录。

3 密封面堆焊层在线修复技术

3.1 高温高压蒸汽阀门密封面在线修复成套装备

高温高压蒸汽阀门在现场维修过程中，现有设备无法直接堆焊硬质合金，只能采取堆焊ERNiCrMo-3(镍基)对其进行修复。然而，镍基堆焊层的硬度现场检测结果仅有HB180—HB200左右，无法满足标准规定HRC 35～40，不能保证其表面耐磨性能和耐冲刷性能。因此，开发自动化程度高，堆焊稀释率低的方法与装备是目前亟待解决的问题。

该系统在修复方案方面,避开目前国内厂家大多采用的对阀门具有破坏性的分离解体或割除的返厂维修方案，采用在阀门工作现场对密封面进行维修；在修复装备方面，避开目前“一种阀门一个装备”的特种修复装备，采用更具柔性和智能化的机器人或专业设备来实现自动修复；修复结果能完全达到设计制造初始要求，修复后的密封面硬度、耐磨性、高温性能均等效或高于原始设计；解决了现场修复的时效性问题，设计的装备能够快速完成现场的定位安装，能够在阀门腔体内快速完成施工工艺；解决了在阀门腔体内施焊、热处理的协同性问题；通过蒸汽阀门密封面缺陷的机加工消除、耐磨层的自动堆焊、堆焊前后的预热和高温回火、堆焊层的高精度机加工、耐磨层冷态检验和高温性能评估，来实现高温高压蒸汽阀门密封面的现场在线修复。

3.1.1移动式机器人焊接系统

本试验开发了一种能够满足在电厂现场安装调试的移动式机器人焊接系统，由TIG电源、六轴联动机器人、送丝机、焊枪等主要部件组成。在实际应用中，采用了两台双驱送丝机，分别装载镍基和钴基合金或其他组合的两种焊丝，两种焊丝经过导丝管分别沿焊枪喷嘴的两边轮流送出，熔敷金属的种类、送丝速度由六轴机器人控制和切换。在接到焊接指令前，先在TIG电源控制面板上设定焊接方法和工艺参数，在机器人中设定送丝机选择、送丝速度及焊接速度等选项，通过编译调试完成的焊接轨迹，机器人带动TIG焊枪完成施焊任务。

送丝机含有两个独立的送丝机构，除了在每一个送丝盘后装有一个较直器外，在TIG焊枪前端还添加了一个拉丝装置，保证TIG焊枪旋转时不阻丝，在焊接时推拉丝装置协同工作，拉丝速度略大于推丝(送丝)速度(约5%)。通过倍福控制模块切换控制选择需要工作的送丝机，同时控制该送丝机的启停；实际施焊过程中一台送丝机实现镍基焊丝填充，另外一台送丝机实现钴基焊丝的填充。

TIG焊枪枪管采用了整体多节从粗到细的多段过渡结构，多节焊枪枪管最多可三节，最长可为1.5 m，每节的粗细和长度比例可为6：5：4或5：4：3，这样可以方便伸缩和控制距离。多节焊枪枪管采用从粗到细、长螺纹接口的过渡性结构，获得最佳的焊接时防抖动效果。

耐高温绝缘枪管不仅可以抵御堆焊硬质合金时的300℃工作环境温度，同时具有耐高电压的优良绝缘性能，满足深坑堆焊所需的长度。此外，安装在机器人夹持件上的拉丝装置外壳采用一种了具有绝缘功能的树脂或电木材料；同时，在焊枪与水冷电缆连接处裹敷了两层能够耐10 kV高压的绝缘材料，以此来保证引弧阶段高频无漏电，引弧成功率可以达到100%。

3.1.2阀门在线热处理系统

目前，现场高温高压蒸汽阀门密封面需要焊接和修复时，主要采取外壁加热传导或者将工件切割下整体进加热炉的热处理方法。但是，这些方法不仅费时费力，而且热处理的工艺要求亦无法得到满足。另外，整体进加热炉的方法存在出炉至焊接这一时间段的盲区，温度快速下降，导致工件预热温度无法得到保证。

本试验开发了一种高温高压蒸汽阀门密封面现场在线热处理系统，其能够根据现场高温高压蒸汽阀门密封面结构和环境的复杂性，确保在焊接或修复过程中满足热处理工艺要求，并且做到轻型化、小型化，便于现场安装和操作，避免由于阀体结构复杂和壁厚太大导致的密封面裂纹倾向性。

当需要热处理时，先利用阀门端盖螺栓将工装固定在阀盖上，再将加热线圈固定在L型移动盘上，连接好加热电源和感应线圈的水冷电缆。焊接或修复前，感应线圈通过升降台工装先移动到阀体的阀盖法兰口，然后再进入到阀门腔体内直至密封面的内孔位置。对于外壁热处理，其主要由控制系统、60 kW中频感应加热电源、柔性风冷外加热电缆组成，其加热电缆可直接缠绕在不规则阀体外壁，从阀门开始预热到整个焊接结束时其一直处于工作状态，在阀门外壁形成一道“热坝”，防止过度散热，以保证密封面加热效果，内壁和外壁热处理同时开始工作，预热温度恒定后，只退出内加热线圈，外壁热处理继续恒定温度，以保证焊接或修复过程中的层间温度，完成焊接或修复后，内加热线圈进入，与外加热线圈以相同的升温速率、恒温时间、降温速率开始进行焊后热处理，直至整个热处理过程全部完成。

3.2 狭小空间内的焊道及轨迹规划

阀门内部空间狭小不利于整个焊接过程调试和焊接过程检测，如采用单层单道则无法完成修复方案，需要多层多道的方案。为了满足多层多道的焊接工艺，建立空间几何坐标图，根据送丝速度和焊接速度确立每次焊接的堆高及熔宽，采用焊接偏移程序来完成焊道实施，在Z方向确立层高，在Y方向确立焊道偏移。为了确保整个过程中由于计算误差和偏移误差引起的波动，在焊接过程增加了Z方向的弧压跟踪，以确保弧压、熔池的大小和宽度、焊缝的厚度一致性。在实际编程过程中用采样器进行输出端电压采样，同时将该信号作为输入端与基准电压进行比较，为了标定基准电压，先对在标准弧长(弧长3 mm)位置的电压进行了标定，由于弧长与电压存在一定的关系，经过多组参数标定线性关系相关参数，如此可以通过弧压跟踪及时校准Z向弧长，在整个焊接过程中只要确立偏移量就可以保证焊接按照预期的轨迹和速度进行焊接。

此外，为了避免局部热量过高，有时需要采用分段退焊的方法来完成堆焊。

3.3 阀门基材上堆焊耐磨层的材料及工艺问题

考虑修复结果要能完全达到设计制造初始要求，修复后的密封面硬度、耐磨性、高温性要能均等效或高于原始设计，本试验对材料和加工工艺进行了优化。

3.3.1优化过渡层材料

结合试验室实际工况条件和质量可靠性以及冲击、腐蚀、磨损特性指标比较，焊材选择Stellite 6合金材料。过渡层焊接材料应选择能满足高温高压蒸汽阀门的工况条件要求，同时必须考虑到与基体和焊材良好的结合性能。实践表明，镍基625合金系列的焊接材料ERNiCrMo-3在700℃以下能保持优异的高温性能，其高温强度、高温抗氧化性能、高温抗腐蚀性能等各项指标明显优于镍基WE182系列中的焊接材料ERNiCr-3。

3.3.2焊接、热处理协同工艺

综合考虑阀体材质(SA182-F91/92)和Stellite6堆焊工艺要求，预热温度和层间温度均应控制在300～350℃。为了避免因冷热交变应力造成堆焊层开裂，施焊处和未焊处的温差应小于30℃。通过施焊、热处理的协同技术，采用如图3所示的修复流程工艺，保证了热加工过程中质量和效率。

图3 阀门密封面修复流程图

3.3.3工艺优化

考虑到阀体材质(SA182-F91/92)的特殊性，为了避免局部热输入太大，焊接时通过焊接电流、速度、弧长等参数控制熔池大小均匀一致，根据实际工艺条件优化焊接方向、电流、参数模式等，采用分段退焊法、分区域焊接来保证焊缝的一致性和均匀性，消除焊后的气孔、裂纹等缺陷。

此外，考虑现场焊接过程中工件不能动，整个过程涉及各种焊接位置与姿态，综合考虑了焊接的电流、电压、焊接速度及熔滴过渡模式。

3.4 在线修复过程的实时监控

(1)焊接过程实时监控。考虑到现场修复石，堆焊工作面距离法兰端面距离较远，超超临界机组有时需要达到1 200 mm以上，在该状态下，焊机的焊枪伸入阀腔内进行自由焊接作业时，基本无法通过肉眼监测施焊过程。此外，由于焊接时阀门腔体内一直处于高温状态(约250～300℃)，焊接区域此时的电弧光强度很亮，常规的视频监控设备无法在本试验中使用。为此，本试验设计了能够耐受高温作业环境并且添加了特殊滤波片的实时视觉监控装置，通过该装置能够在修复过程中实时观测到焊接过程的熔池及熔滴过渡形态。

(2)热处理过程实时监控。堆焊过程中的热处理参数及工艺控制将直接影响焊后堆焊层的性能，所以为了对热处理过程进行监控，本试验配备了实时温度曲线记录仪，通过数据屏蔽线连接电脑，利用热处理专用软件实时观测热处理温度和设备运行状况。

(3)机械加工过程实时监控。为了了解密闭空间机加工的实时状态，利用WIFI和摄像头可实现远程实时监控整个加工状态。

4 密封面堆焊层检测技术

4.1 检测设备要求

超声探伤仪：A型脉冲反射式超声探伤仪，其工作频率按-3 dB测量应至少包括0.5～10 MHz范围。超声仪器各性能的测试条件和指标要求应满足相关要求。

探头：圆形晶片直径一般不应大于40 mm，方形晶片任一边长一般不大于40 mm。考虑到堆焊层的厚度，宜选用5 MHz的双晶直探头，焦点为5～10 mm；

试块：采用承压设备无损检测标准NB/T47013—2015《承压设备无损检测》上所推荐使用的T3型试块。

对比试块：采用与被检工件材质相同或声学特性相近的材料，并采用相同的焊接工艺制成。其母材、熔合面和堆焊层中均不得有大于或等于φ2 mm平底孔单量直径的缺陷存在。试块的堆焊层表面状态应和工件堆焊层的表面状态相同。

4.2 检测对象要求

检测面：应保证工件被检部分能得到充分检测和现场堆焊层的实际情况，仅能选择堆焊面侧。

4.3 检测步骤

4.3.1超声波检测仪器校准

采用承压设备无损检测标准NB/T47013—2015上所推荐的阶梯试块校准超声波检测仪器线性。

4.3.2检测灵敏度校准

采用纵波双晶直探头从堆焊层检测时，可利用T1型试块来调整检测灵敏度。将探头放置(手指正常用力)在试块的堆焊层表面上，移动探头使其获得最大φ3 mm平底孔当量波幅，调整仪器表盘上的衰减器，使其回波幅度为满刻度的80%，作为基准灵敏度。现场扫查时，再提高6 dB。母材厚度至少为堆焊层厚度的两倍。

从堆焊层侧检测堆焊层内部缺陷或堆焊层层下再热裂纹，应正常移动探头，使其获得最大φ1.5 mm横通孔当量波幅，调节衰减器使回波幅度为满刻度的80%，经过反复测试，最大限度使探头的焦点深度位于堆焊层和母材的结合部位，以保证在焦点区域有较高的灵敏度和信噪比。

4.3.3操作要点

扫查覆盖率：按照标准规定的要求，必须保证探头每次扫查覆盖区域大于探头直径的15%，同时应确保检测时超声束能扫查到工件的整个被检区域。

移动速度：移动速度不应过快，须满足不超过150 mm/s。

波形分析：发现缺陷波形时，应与专用试块缺陷检测时显示的类似波形进行比对，进一步确定缺陷的性质。

4.3.4注意事项

采用双晶直探头检测时应垂直于堆焊方向进行扫查，探头的隔声层应平行于堆焊层方向。

扫查灵敏度应在基准灵敏度基础上提高6 dB，缺陷当量尺寸应采用6 dB法确定。

4.4 司太立合金堆焊层缺陷评定方法

根据标准NB/T47013—2015《承压设备无损检测》超声篇附录G中关于缺陷评定和质量分级，对于堆焊层与基体的未结合缺陷，当缺陷长径小于等于25 mm的未结合区域评为Ⅰ级，缺陷长径小于40 mm的未结合区域评为Ⅱ级，超过Ⅱ级的缺陷评为Ⅲ级。

4.5 现场检测案例

某发电厂为1 000 MW超超临界发电机组，机组正常发电时汽轮机未见异常反应，在2015年度B级检修时，拆除高压主汽门时，发现密封面部分已经脱落，采用上述在线修复技术进行堆焊。堆焊完成后，为检查高压主汽门阀座堆焊层与阀门本体的结合状况，对合金堆焊层焊接质量进行超声检验。阀体材料国外牌号为X12CrMoWVNbN1011，经现场直读式光谱仪器分析，断裂的密封面堆焊层材料成分为司太立合金，与设计图纸相符。

依据提出的检测工艺对重新堆焊的高压主汽门阀座进行100%超声检测，检测结果发现两处堆焊层未熔合缺陷：1号缺陷的位置为堆焊层焊缝中间、缺陷深度约为4.3 mm、缺陷指示长度30 mm，检测结果为不合格；2号缺陷位置为堆焊层焊缝边缘(靠近内侧)、缺陷深度约为4.0 mm、缺陷指示长度25 mm，检测结果为不合格。由于受到探头和仪器组合性能、检测人员状态、检测表面条件及操作工艺手法等因素的影响，缺陷的当量、起点、深度、指示长度等数据均与真实的缺陷存在一定的误差。

针对该超标缺陷，电厂组织相关专家进行了安全隐患的专项讨论，鉴于当时发电形势的需要，决定采取监督运行方式，着重加强日常运行、检修检查，结合每次检修队超标缺陷进行跟踪检查，并做好与原有缺陷的比对工作，确保该设备隐患处于可控状态。

5 密封面在线修复技术及超声检测

本试验通过研发在线修复设备，无需将密封面损坏的高温高压蒸汽阀门主体割离电站机组蒸汽管道，采用焊接机器人和现场数控切削装备，完成蒸汽阀门密封面在线切削、预热、焊接、检测的修复工艺，不仅节约了发电企业的设备和检修成本，缩短了检修工期，也为类似设备的检修提供了方法和途径。

研发设备具备能在发电机组现场修复的功能，适用于阀门密封面现场360°全位置焊接要求，能够满足发电机组高中压主汽门和调门、高旁、低旁等不同位置阀门密封面的修复要求。

研发设备做到了全自动化可在线监测，具有离线编程、离线仿真，具备示教视觉检测功能，具有钨针烧损程度和焊接过程监控功能。阀门密封面超声波检测工艺经现场验证，完全符合标准的要求，同时得到西门子公司专家的认可。

6 结语及建议

(1)采用双晶直探头进行现场超声检测时，由于其堆焊层表面光洁度及端面的不规则性，应进一步考虑综合灵敏度的补偿、指示长度和缺陷当量精确测量。

(2)超声检测时采用专用的试块，即在相同的材料基体上采用相同的工艺进行堆焊，同时在该试块上加工成不同深度的矩形槽或横通孔，以便于采用相同的标准进行评判。

(3)堆焊层和基体的结合面边缘出现类似未熔合缺陷，缺陷现象产生的原因主要是镍基合金堆焊层的硬度值偏低。因此，如现场采用镍基焊条堆焊时，为进一步优化焊接工艺，提高镍基合金堆焊的硬度值，现场堆焊最后三层盖面时，可采用ErNiCrMo-3镍基材料，使其表面硬度达到HB220以上。但增加钼元素后，堆焊层的可焊性较差，注意适当提高预热温度或重新进行预热，并严格控制焊接时层间温度。

(4)从最终机加工工艺和现场焊接设备上可采用同一个固定装置，并且保证其同心度，尽可能较少更换装置时预热温度对焊接质量的影响，提高工作效率。

参考文献：

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