650 MW核电汽轮机高压缸外缸贯穿性裂纹处理

刘 伟，张兴田，赵冬冬，黄少华

(中核核电运行管理有限公司，浙江 嘉兴 314000)

0 引言

某核电厂4台650 MW核电汽轮机系国产的HN650-6.41型核电凝汽式汽轮机，单轴四缸六排汽，包括1台高压缸和3台低压缸，带中间2台汽水分离再热器。高压缸为双层结构，由高压外缸和高压内缸组成，均为合金钢铸件，材料选用抗腐蚀性能较强的ZG15Cr2Mo1，可以保证寿命期内不需补焊。

高压缸通流为双分流对称分布，高压转子安装有正反各7级叶片，相应的静叶则由正反各3个隔板套组成。其中1级隔板套安装于高压内缸上，2，3级隔板套安装于高压外缸上。高压缸阀前的新蒸汽参数为：压力6.41 MPa、温度279.9 ℃、湿度5 %。通过高压转子做功后的排汽参数为：压力1.03 MPa、温度181.4 ℃、湿度12.7 %。高压内缸和隔板套的结构布置使高压外缸划分为3段不同的承压区域，如图1所示。

1 缺陷介绍

1.1 缺陷产生

该核电厂4号机组于2012年1月投入商业运行，之后于2013年和2014年年初分别进行了2次换料大修。2014年4月初，4号机组在某次小修再次启动后，首次发现高压缸底部保温层滴水。

2014-06-28，4号机组执行汽轮机调门试验(试验过程中机组降至50 %额定功率运行)，试验结束后机组升功率过程中，高压缸底部漏水量有增大趋势，并且排汽口的保温层也明显渗出水迹，怀疑漏水来自该处法兰漏汽。

2014-09-07，4号机组再次进行调门试验，9月9日试验结束后提升功率，9月10日凌晨发现高压缸调端靠左侧(从汽轮机往发电机看)的保温层出现直径约1 cm的小孔并喷出蒸汽。9月11日，拆开漏汽部位保温层后发现，高压外缸上缸体出现长约90 mm的贯穿性裂纹，裂纹沿竖直方向经2处转折，蒸汽通过裂纹持续喷出。根据图1的高压外缸承压分布，裂纹区域蒸汽压力1.03 MPa、温度181.4 ℃、湿度12.7 %，该部位的缸壁设计厚度为80 mm。

图1 高压外缸承压分布

1.2 缺陷分析

鉴于机组正在满功率运行，无法进入缸内检查，根据缺陷产生的部位和裂纹形式，分析认为产生缸体裂纹的原因可能有以下2点。

(1) 高压外缸体内部铸造缺陷萌生并逐渐扩展成贯穿性裂纹。4号机组首次大修期间(2013年1—3月)，对高压外缸上缸内壁进行目视检查，发现缸体内表面存在夹杂、砂眼、肉瘤、缺肉等共30处缺陷。对缺陷进行打磨补焊处理，经渗透检测(penetration testing，PT)检查合格；但目视和PT均为表面检查，不能检出高压外缸缸体的内部缺陷，例如常见的缩松、裂纹、夹渣、夹砂、铸造应力等缺陷。

(2) 高压外缸支撑杆与外缸壁的焊缝部位产生裂纹。为增强高压外缸缸体强度，高压外缸内部2端各装有6根支撑杆，每端左右2侧各对称布置3根。支撑杆与高压外缸同材质，均为ZG15Cr2Mo1，长980 mm，直径90 mm。

支撑杆在外缸体完成翻砂铸造后再进行装配。首先对拟安装支撑杆的外缸壁加工Φ90.5的通孔，然后将支撑杆装入通孔，内端通过螺纹与外缸体内部结构相连接，外端与外缸体外壁齐平并焊接，支撑杆布置如图2所示。根据现场对裂纹定位，裂纹可能位于高压缸调端海侧的第2根支撑杆与外缸壁焊缝处。

图2 支撑杆布置

1.3 安全评价

按照计划，4号机组将于2015年1月进行换料大修，距离发现裂纹还有近4个月的时间。对于高压缸是否能在接下来的4个月时间内安全运行，经过多方讨论，形成以下意见。

(1) 对于金属构件，主要有渐进性变形(载荷超过Rp0.2——规定塑性延伸强度)、过度变形(载荷达到某一极限导致的变形无限制增大)、塑性失稳(壁厚减薄所致)、疲劳(渐进性开裂)和快速断裂(脆断)等5种失效模式。高压外缸材质为低合金珠光体耐热钢(ZG15Cr2Mo1)，室温Rp0.2不小于275 MPa，高压外缸缺陷部位工作在塑性温区(1.03 MPa，181.4 ℃工况下ZG15Cr2Mo1脆性转变温度为38.7 ℃)，在缸体裂纹处工作条件下的失效模式为疲劳(渐进性开裂)，即疲劳裂纹萌生和扩展的疲劳累计损伤过程，发生脆性开裂及瞬间失稳的可能性较小。

(2) 根据疲劳裂纹扩展理论和工程经验，疲劳裂纹主要在交变应力(温度循环和应力循环所致)作用下扩展。在交变的拉、压应力作用下，裂纹相应经历锐化、钝化过程，每交变1次，裂纹深度增加1个Δα。运行稳定载荷(常数值应力)对疲劳裂纹扩展的影响有限。裂纹缝隙的漏汽(蒸汽流)也可能对现有裂纹尖端起到一定的钝化作用。在运行参数相对较低的情况下，交变应力的幅值较小。因此，判断不会发生快速断裂。

(3) 根据高压外缸缸体结构及裂纹位置(壁厚均匀且无配合密封面)，即使缸体裂纹继续扩展，也不会造成无法修复的情况发生。

1.4 监督运行

根据以上意见，4号机组高压缸进入监督运行状态，继续维持满功率运行，同时采取以下操作。

(1) 为进一步限制温度循环和压力循环所致的交变应力的幅值，4号机组不参与节日期间电网升降负荷调峰，退出一次调频。

(2) 鉴于调门状态良好，为减小交变应力幅值较大的疲劳循环次数，在距离停机大修的近4个月内不再安排调门试验。

(3) 主控操作员加强对汽轮发电机组的监视，重点监督轴承振动、缸体差胀、轴承金属温度等运行参数是否出现异常变化。

(4) 为防止高压缸裂纹漏汽突然增大，蒸汽漏入汽轮机前轴承箱而导致润滑油乳化，将汽轮机润滑油主油箱负压在控制范围内由-700 Pa调低至-430 Pa，同时加强对润滑油油质化验的频率。

(5) 设计专用工装将泄漏蒸汽引导至带液位显示的集水槽内，通过观察积水量变化来判断裂纹发展趋势。使用3 mm厚的不锈钢板制作导流工装和带排水阀的集水槽，要求导流工装的配合面规整，安装导流工装时使其尽量与外缸壁贴合，并使用钢丝对导流工装进行绑定;确认牢靠后覆盖保温层，再次用钢丝将保温层进行固定，最后涂抹石膏层。导流工装示意如图3所示。导流工装安装后，高压缸漏汽基本都被收集至集水槽内，由专人每天将排水阀关闭1 h，监测收集到的漏水量，测量导流工装的温度，完成后再打开排水阀;根据漏水量和温度等数据掌握裂纹发展趋势。

图3 导流工装示意

通过近4个月对高压缸漏水量的连续监测，直至大修停机前，高压缸漏水量稳定在34 L/h左右，高压缸裂纹也没有明显扩展。

2 处理方案准备与仿真分析

2.1 处理方案准备

处理方案主要按照停机检查裂纹、机械打磨裂纹、焊接修复裂纹和焊后无损检查的顺序进行。首先采用机械方法(角磨机打磨等方法)打磨裂纹，边打磨边观察(采用渗透探伤检查缺陷)，直至裂纹缺陷全部消除。然后根据DL/T 753—2001《汽轮机铸钢件补焊技术条件》标准要求，采用机械打磨方式制备U型坡口。焊材选用ENiCrFe-3焊条(Φ2.5)、ERNiCr-3(Φ1.6)，经过350 ℃，2 h烘干。焊前采用火焰预热，坡口及其周围150 mm范围内温度必须在100—150 ℃。焊接方法为手工氩弧焊打底。手工电弧焊填充，焊接工艺参数如表1所示。焊后检查采用机械打磨方式，对焊接修复后的焊缝进行表面打磨，去除焊缝余高，利用液体渗透检验方法对修复后的焊缝及其周围母材进行检验。若发现超标缺陷，应及时打磨去除缺陷，重新焊接，直至全部合格。

2.2 有限元仿真

为分析焊接修复工作对高压缸缸体产生的焊接变形和残余应力分布，采用有限元建模和热源加载方法进行仿真计算。温度场分析及位移场分析采用直接耦合的方法进行，缸体单元采用热力耦合单元。在焊缝位置及孔的位置单元尺寸较小，约1—2 mm，其他位置为20—50 mm，节点规模约10万个，高压外缸有限元模型如图4所示。

图4 高压外缸有限元模型

焊接时壳体内的温度场非常不均匀，焊道内的压缩塑性变形必然导致壳体在焊完后出现残余变形。焊后残余相对位移

其中：ux，uy，uz分别为 X(轴向)、Y(竖直)、Z(横向)方向的位移。为降低焊接变形，采用分段焊、控制层间温度的方法，模拟了焊道长度为70 mm情况下，打底焊+填充焊的温度场、应力场、位移场。由于分段焊焊道短，总的热输入累积效果小，因此将产生较小的位移和变形，这种控制变形的方法广泛地应用于焊接变形控制技术。分段焊后的相对位移显示是在焊接区的位移值较高，最大位移值为0.26 mm

除焊缝以外，焊接修复产生的最大位移在汽缸外轴封处；而位移最易造成漏汽的是轴封处缸体中分面的竖直方向变形，因为此处变形过大将直接导致缸体中分面间隙过大而漏汽。通过有限元仿真计算出缸体中分面的竖直方向变形量，最大位移为0.12 mm，可以通过调整螺栓预紧力消除此间隙。

表1 焊接修复工艺参数

3 缺陷处理

4号机组于2015年1月初进行换料大修，停机后确认裂纹处于高压缸支撑杆及支撑杆焊缝区域，判断裂纹起源于缸体内部支撑杆与缸体焊缝根部，并向外扩展至支撑杆与缸体母材。高压外缸吊出后开始对裂纹进行打磨，打磨过程中发现裂纹已由纵向向横向延伸，其中纵向最大打磨长度约190 mm，最大宽度约65 mm，深度约50 mm，基本已位于支撑杆焊缝根部位置，但缸体部分仍有裂纹缺陷存在；横向打磨长度约165 mm，宽度约51 mm，深度约50 mm，也还有缺陷存在。裂纹打磨如图5所示。

将高压外缸吊回，检查、记录中分面间隙(未安装中分面螺栓)，整圈中分面间隙全部记录后将高压缸再次吊出，对高压缸其他支撑杆缸体外表面部位进行金相检查时意外发现，2根支撑杆所在区域的缸体外表面有缺陷存在，分别是调端海侧第1根和电端海侧第2根支撑杆。缺陷如图6所示。从调端海侧第1根开始编号，3根存在裂纹缺陷的支撑杆编号分别为1号、2号和8号。

图5 裂纹打磨照片

新发现的缺陷导致高压缸裂纹处理的工作量进一步增大，为了确保在大修工期内保质保量完成裂纹处理工作，立即引入专业机械加工技术人员和设备。先在需修复的支撑杆外围镍基冷焊1块带中间孔的圆板，再将气动式镗床固定于圆板上，对支持杆焊缝进行机械挖除和打坡口。这样大大缩短了工期，提高了修复质量。

图6 共模缺陷

1号、2号和8号支撑杆焊缝挖除和坡口修磨工作结束后，转入焊接修复工序。焊接前，在高压缸2端各架设3块百分表，在修复区域的缸体近端密封面和远端密封面，各自对称布置2只百分表监测缸体纵向形变；在调端缸体侧面选择2处平整的立面，各自布置1只百分表监测缸体横向形变，检查确认百分表固定可靠读数调零。焊接预热达到焊接工艺要求的温度后开始进行焊接修复，氩弧焊打底后进行手弧填充焊接，每隔约12 mm的层间进行PT渗透检测检查，每隔1 h记录1次百分表读数，百分表读数变化较大时停止焊接。

高压缸所有支撑杆部位缺陷均焊接修复完成后(48 h后PT合格)，将高压缸第2次扣回检查中分面间隙。百分表监测焊接完成后的缸体最大变形量为0.22 mm，分别为焊接修复处的近端纵向变形和调端的远端纵向变形。第2次扣回后的中分面间隙在电端陆侧轴封处变大(由0.20 mm增加至0.25 mm)，在调端海侧轴封处变小(由0.25 mm减小至0.10 mm)。最终焊接修复完成，如图7所示。至此，4号机组高压缸裂纹修复工作结束。

图7 裂纹修复完成效果

4 结束语

4号机组高压外缸贯穿性裂纹修复后至今，无论是缸体中分面还是支撑杆部位，再未出现任何漏汽问题，证明裂纹处理的前期准备和现场处理工作及时、有效。通过引入专业机械加工技术和设备对支撑杆焊缝进行挖除和打坡口，大大缩短了工期，提高了修复质量，为后续处理此类缺陷积累了经验。