650 MW核电汽轮机高压缸外缸贯穿性裂纹处理1)

2018-10-10张兴田赵冬冬黄少华

中国核电 2018年3期

刘伟,张兴田,赵冬冬,黄少华

(中核核电运行管理有限公司,浙江海盐314300)

泰山核电二期和二期扩建工程 (以下简称泰二厂)4台650 MW核电机组汽轮机系国产的HN650—6.41型核电凝汽式汽轮机,单轴四缸六排汽,包括一台高压缸和三台低压缸,带中间两台汽水分离再热器。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七级叶片,相应的静叶则由正反各三个隔板套组成,其中一级隔板套安装于高压内缸上,二、三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三段不同的承压区域,具体如图1所示。

1 缺陷介绍

1.1 缺陷产生

图1 高压外缸承压分布图Fig.1 Pressure distribution map of high pressure outer cylinder

泰二厂4号机组于2012年1月投入商业运行,2013年和2014年年初分别进行了一次换料大修。2014年4月初,4号机组在一次小修再次启动后,首次发现高压缸底部保温层滴水。2014年6月28日,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气。2014年9月7日,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,拆开漏气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。裂纹的所处宏观位置和具体形貌如图2所示。

图2 裂纹宏观位置及具体形貌照片Fig.2 Crack macroscopic position and specific morphologies photos

根据图1的高压外缸承压分布图,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。

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月至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。通过对缺陷进行打磨补焊处理,经液体渗透检查合格。但目视和液体渗透均为表面检查,不能检出高压外缸体的内部缺陷,常见的缩松、裂纹、夹渣、夹砂、铸造应力等缺陷在该部位的存在是可能的。

(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,高压外缸内部两端各装有6根支撑杆,每端左右两侧各对称布置3根。支撑杆与高压外缸同材质,为ZG15Cr2Mo1,长980 mm,直径90 mm。支撑杆的装配,是在外缸体完成翻砂铸造后,对拟安装支撑杆的外缸壁加工ϕ90.5 mm的通孔,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 (见图3)。根据现场对裂纹定位,裂纹可能位于高压缸调端海侧的第二根支撑杆与外缸壁焊缝处。

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,由于没有类似案例可以借鉴,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)、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)等五种失效模式。高压外缸材质为低合金珠光体耐热钢 (ZG15Cr2Mo1),室温Rp0.2≥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。

图3 支撑杆安装图Fig.3 Support rod installation diagram

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,每交变一次,裂纹深度增加一个Δα。运行稳定载荷 (常数值应力)对疲劳裂纹扩展的影响有限。裂纹缝隙的漏气 (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,同时采取以下行动:

1)为进一步限制温度循环和压力循环所致交变应力的幅值,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气突然增大,蒸汽漏入气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,同时加强润滑油油质化验频率。

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从而判断裂纹发展趋势。

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附近,高压缸裂纹也没有明显扩展。

2 方案准备与仿真分析

2.1 方案准备

为确保机组停运后能够快速、有效的处理高压缸裂纹,在高压缸漏气转入监督运行后即着手准备处理方案。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等几个方面进行。首先采用机械方法 (角磨机打磨等方法)清除缺陷,边打磨边观察 (采用渗透探伤检查缺陷),直至缺陷全部消除。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 (直径ϕ2.5 mm)、ERNiCr-3(直径ϕ1.6 mm),经过350℃/2 h烘干。焊前采用火焰预热,坡口及其周围150 mm范围内温度必须达到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。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。

表1 焊接修复工艺参数Table 1 Welding repair process parameters

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,如图4所示。

图4 高压外缸有限元模型Fig.4 Finite element model of high pressure outer cylinder

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μm定义为:

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。分段焊由于焊道短,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。图5为分段焊后的相对位移分布,仍然是在焊接区的位移值较高,最大位移值为0.26 mm。

从图5可以看出,除焊缝以外,焊接修复产生的最大位移在汽缸外轴封处,而位移最易造成漏气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气。通过有限元仿真计算出缸体中分面的竖直方向变形量如图6所示,最大位移为0.12 mm,可以通过调整螺栓预紧力消除间隙。

图5 相对位移分布Fig.5 Relative displacement distribution

图6 竖直方向变形Fig.6 Vertical direction deformation

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,深度已经达到50 mm左右,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,深度已到50 mm左右,也是还有缺陷存在,裂纹打磨见图7。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两根支撑杆所在区域的缸体外表面有缺陷显示存在,分别是调端海侧第一根和电端海侧第二根支撑杆。从调端海侧第一根开始编号,三根存在裂纹缺陷的支撑杆编号分别为1号、2号和8号。

图7 裂纹打磨照片Fig.7 Crack shot

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,立即联系引入专业机械加工技术人员和设备,在需修复的支撑杆外围镍基冷焊一块带中间孔的圆板,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,大大缩短了工期,提高了修复质量,如图8所示。

图8 气动镗床打坡口Fig.8 Pneumatic boring machine

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。焊接前在高压缸两端各架设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两处平整的立面,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12 mm左右的层间进行PT(渗透)检查,每隔1 h记录1次百分表读数,百分表变化较大时停止焊接。百分表监测和氩弧焊打底照片见图9。

图9 百分表监测和氩弧焊打底Fig.9 Meter monitoring and argon being welded

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),将高压缸第二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。第二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)。至此,4号机组高压缸裂纹修复工作结束。