600MW超临界高压旁路阀内漏原因及处理方案

东莞市华鑫激光科技有限公司 罗雄光 晋俊超 广东能源茂名热电厂有限公司 陈其忠

1 设备及缺陷概况

某电厂#7机组系东汽轮机厂生产的600MW 超临界压力汽轮机组，型号CC600/523 － 24.2/4.2/1.0/566/566，是典型的超临界、一次中间再热、冲动式、单轴、三缸四排汽、双抽汽凝汽式汽轮机。其主蒸汽高压旁路阀为德国博普公司产品，型号为DCE4.140.300/700。2020年机组调峰停运期间发现高压旁路阀无法紧密闭合，内漏蒸汽泄露且泄漏量较大。停机拆解发现：阀座密封面台阶平面处有大面积连续的金属崩裂，约占台阶平面圆周的40%；紧邻缺陷处，阀座和阀芯密封面出现较大面积的冲蚀凹坑，深约2～5mm；与阀芯配合的流量套筒局部有连续金属崩裂，约占圆周25%，严重影响机组的运行安全和热效率。

高压旁路阀是汽轮机组旁路系统中非常重要的设备，机组启动期间或事故时，锅炉流过来的蒸汽不能被汽轮机所接收时需要开启该阀门。尤其是开机过程中往往出现未饱和蒸汽长时间冲刷，对阀门的损伤特别大。在机组正常运转期间，高压旁路阀必须保证紧密关断以避免蒸汽泄露造成能量的损失。

图1 （a）阀座密封面（b）阀芯密封面（c）阀芯流量套筒

2 阀座裂纹原因分析

经电厂和维修单位多方讨论，了解到此高压旁路阀前期经维修过，认为此次高压旁路阀内漏由以下因素引起：维修厂家在对阀座、阀芯密封面损坏部分进行补焊时焊接材料硬度不够或焊后内应力过大，长时间高温高压环境下服役出现变形，致使阀座、阀芯与阀芯流量套筒间的形位公差超标，运动受阻，产生微裂纹；阀芯流量套筒和阀座平面产生微裂纹后，经高温蒸汽湍流引起的长期高频率机械振动，致使金属疲劳断裂；阀门关闭过程中，阀芯对阀座施加很大的冲击力，在冲击力作用下Stellite合金产生裂纹，裂纹沿着Stellite 合金及其与母材结合处不断扩展，形成崩裂；阀芯与阀座紧密闭合运动达到“机械零位”时，与阀芯紧密配合的流量套筒与阀座正面碰撞，过大的冲击力致使阀座产生裂纹。

3 处理方案

由于高压旁路阀采用德国原装进口阀门，返厂维修困难，电厂内无备件且备件备货时间长。综合分析以下因素：此项目要求48小时完工，时间紧迫、不容出现异常；待维修阀座与阀体经焊接为一体，阀口内径约200mm，阀座距阀口深约500mm，空间狭小，拆卸回厂维修工艺复杂且工期较长，难以满足电厂要求；阀座母材为马氏体耐热钢，焊接性能差，密封面焊材是钴基Stellite6合金，硬度高，开裂风险大，现场焊接条件艰苦，施工难度大；狭小空间内，常规机械加工方法难以施展。综合权衡利弊后决定采取在线预热、分段焊接、去应力热处理→在线精镗→超声波冲击强化振动去应力→手工精研的方案。

3.1 焊接工艺的选择

经现场光谱分析检测，高压旁路阀阀芯阀座母材材质美标马氏体型耐热钢F91锻件硬度高、焊接性能差、开裂风险高。考虑到补焊处为阀门的密封面，因此要求堆焊的材料具有良好的耐热、耐腐蚀、耐磨损性能，且能在650℃左右保持不变。因此选用适合于高温高压阀门密封面用的肯纳司太立原厂钴基合金Stellite6焊丝，其堆焊层硬度为37～43HRC，为增强其抗冲击性能，以塑韧性极好的ERNiCrMo-3镍铬钼-3焊材打底。考虑到原金属崩裂位置，台阶平面边缘需要塑韧性极好的耐热、耐腐蚀材料，选用ERNiCrMo-3镍铬钼-3焊材。其中阀芯和流量套筒可拆卸维修，难点在于阀座的在线补焊，阀座所处空间狭小，缸口内径约200mm，阀座距离缸口约500mm，焊接环境恶劣。

阀座在线补焊前，将补焊表面的凹坑和尖角等缺陷做焊前处理，再将不光滑处打磨圆滑并对补焊处进行光谱分析，确认裸露原母材后进行PT 着色探伤检测。补焊前用氧乙炔火焰枪对补焊处进行圆周面预热到200℃，先用ERNiCrMo-3焊阀座台阶平面、再用Stellite6焊接阀座密封面。分段焊接，每段焊接长度约30mm 左右，减少热输入，层间温度控制在230℃以下，焊接过程中对焊缝进行锤击，焊后立即用氧乙炔火焰枪圆周加热，用红外测温枪测温，温度在270℃左右保持30min。填充保温棉，做去应力回火处理。待冷至室温后，去除焊接高点，PT 着色检查焊接质量，无气孔、夹渣、微裂纹等焊接缺陷。

3.2 机械加工

根据机械原理该阀门关闭时有三处定位：阀杆与阀杆密封组件、阀芯与流量套筒以及阀芯与阀座。因此机械加工精度要求高，不仅要求尺寸精度，同时阀杆、阀芯和阀座密封面必须要有非常好的同轴度，否则会影响阀门关闭的严密性。利用阀芯及阀芯流量套筒可拆卸维修的特点，焊前预留基准位（另一端），焊后经车削后高精密磨床进行磨削，再经研磨抛光。鉴于阀座机加工局限于现场，以阀座内孔为基准安装镗孔机进行在线镗削加工，预留单边0.20mm 磨削余量，PT 着色检查焊接质量，无气孔、夹渣、微裂纹等焊接缺陷。

超声波冲击强化振动应力。介于本案例裂纹沿原补焊位置开裂，本次维修方案创新性的引进超声波冲击强化振动应力消除工艺，降低焊接件的拉应力和变形并产生残余压应力，有效的抑制微裂纹的萌生，提高焊接部位的抗疲劳强度。

阀座在线研磨。根据阀座尺寸和线型角度等制作专业的研磨工装；以阀座内孔为基准，安装专业研磨工装对阀座密封面和台阶平面进行粗磨，磨削至单边剩余尺寸0.1mm；逐级更换细砂带，对密封面和台阶平面进行精密研磨；密封面精密研磨处理后光洁度达到Ra0.6，用红丹粉测试，压线连续无断线；以阀座内孔为基准安装阀芯、阀芯流量套筒等，用红丹压线测试阀芯与阀座接触情况，以阀芯为基准，高级钳工精研阀座至红单压线连续，无断线。

3.3 现场验收及阀门回装

现场验收：堆焊处PT 着色、超声波探伤检查无任何气孔、夹渣、漏焊、微裂纹等缺陷；阀座密封型面与原型面相同，垂直度≤0.03mm，同轴度≤0.02mm，表面粗糙度为0.6μm；阀座、阀芯密封面红丹粉着色检查，密封线连续均匀，100%连续接触；阀座补焊处硬度不小于330HV。

阀门回装：清洗干净各部件，组装阀芯组件。安装密封圈、阀盖等，保证阀门开闭顺畅无卡涩。

图2 经维修后的阀座及阀芯组件

通过几次对600MW 机组高压旁路阀内漏的应急处理，获得以下经验：此类阀门不仅具有阀门类的开闭功能，同时也起高压蒸汽降温减压的作用，结构复杂，组件间配合精密，对阀芯和阀座的变形量要求严格；修复阀芯、阀座时一定要确定合适的焊接材料，且焊接时进行必要的预热及焊后去应力热处理，制定防止阀芯、阀座变形的措施；创新性的引进超声波冲击强化振动应力消除工艺，降低焊接件的拉应力和变形并产生残余压应力，提高焊接件的抗疲劳强度；阀芯与阀座间接触面壁薄，属于薄弱又核心的部件，建议原厂设计人员引起重视。