核电汽轮机末三级静叶隔板过程监造要点与案例

米良

（上海核工程研究设计院有限公司，上海 200030）

1 概述

随着国家对碳中和与碳达峰时间表的提出，以及常规能源的有限性以及环境问题的日益突出，以核能、风能、光伏等为代表的环保和可再生为特质的能源越来越得到各国的重视，而核能在作为一种安全、绿色、稳定的能源在上述能源中具备大规模开发、建设的先天优势。同时，基于切尔诺贝利、福岛等核事故所带来的惨痛教训，核电站的安全和质量要求也不断提升，针对核电站设备制造阶段质量的管控显得尤为重要。监理工程师对设备制造所开展的质量把控，一方面是对设备本身的质量负责，另一方面也是通过提出问题和要求，锻炼、培育合格、优秀的核电设备制造商，使其技术能力、管理质量等方面不断得到提升。本文从某核电低压汽轮机末三级静叶监造角度出发，主要介绍了对该设备过程监造中的关键控制点，同时辅以实际案例予以说明。

2 设备简介

某核电低压汽轮机单缸动静叶左右各十级，其中低1-7 级静叶为锻造扁钢制造的加工型静叶片，8-10 级（末三级）为铸造型叶片，通过内、外环焊接而成，也称特殊静叶。静叶隔板的内外环为碳钢铸件并设有汽封槽、疏水槽，由于该部位与蒸汽、疏水长期接触，为保证密封性和防腐蚀性，采用熔化极活性气体保护焊在该部位分三次堆焊不锈钢，每层厚度约为10mm。

在末三级静叶隔板的实际制造过程中，主要的工艺流程如图1 所示。

图1 末三级静叶制造的工艺流程

在实际监造过程中，普遍选取的过程控制点主要包含原材料验收（含化学成分分析、热处理、力学性能试验、渗透检测）、叶片尺寸检查、叶型检查、焊接检查、尺寸检查、清洁和防异物检查等几个方面。下文将针对以上各主要控制点进行逐一介绍和分析。

3 过程控制点分析

3.1 原材料验收

原材料验收一般采用文件检查/见证的形式开展，主要是针对静叶、内外环以及焊材等原材料的质量证明书/合格证明书中标识的相关数据（如，牌号、规格、化学分析、机械性能、供货商等）的符合性进行核查，核查重点应包括：

（1）牌号、规格、化学分析、机械性能等相关参数是否符合有关规范、标准及产品设计规格书的要求。

（2）制造厂提供的质量证明书/合格证明书与原材料实物是否对应一致。

（3）制造厂提供的质量证明书/合格证明书与原材料及焊材入厂复检记录是否一致。

（4）文件的真实性，如所提供的原材料质量证明书/合格证明书是否加盖原材料生产厂家或供货商或原材料使用方的质检专用印章。

（5）原材料供货商是否与采购合同约定的供货商一致。

文件方面的检查与设备本体检查同样重要，如果在原材料质量检查阶段遗漏问题进入设备制造的下一阶段，往往会造成整台设备的最终报废或带病运行，对项目进度和安全质量造成不可预估的风险。因此，当发现上述一个或几个方面存在问题时，应对文件作进一步检查验证，必要时可对原材料实体的检验进行现场见证，结合进一步验证情况，确定照用或报废的处理方案。

3.2 叶片检查

静叶片在汽轮机运行过程中起着集流导流蒸汽，静叶片的制造质量往往会对通流面积、蒸汽方向等方面造成影响，进而影响到机组出力和安全运行，因此叶片检查一般包含了叶型检查和尺寸检查两个方面。

叶型检查主要是通过选取多个截面，测量各截面的最大厚度和出气边厚度是否在图纸要求的公差范围内。叶型检查一般是使用叶型检查模具对静叶片不同部位进行卡合，然后使用塞尺测量模具与叶片间隙，以此来判断静叶片与标准叶型的偏离程度是否在图纸要求的公差范围内。不论是叶型检查还是叶片尺寸检查，在检查过程中应重点关注的事项包括：

（1）测量人员是否具备制造厂相应授权。

（2）检查所用千分尺、叶型检查模型是否在检定有效期内。

（3）测量前应使用千分尺检查塞尺厚度是否准确，塞尺、叶型检查模型是否存在生锈、破损等情况。

（4）叶片尺寸和叶型是否在图纸要求的公差范围内。

由于叶片数量较多，监造人员在进行叶片尺寸和叶型检查时，往往结合实际叶片数量确定合适的比例采用抽检的形式进行，同时对制造厂出具的全检记录进行文件检查。

3.3 焊接检查

3.3.1 检查分析

静叶片拂配与内外环焊接完成后，一般采用渗透检验（PT）的形式对焊接质量进行检查，检查过程中应关注的事项包括：

（1）探伤人员是否具备相应的渗透探伤资质。

（2）渗透液、显像剂、清洗剂是否为同一厂家生产，且在有效期内；可通过要求制造厂使用探伤剂做试块，看试块上缺陷是否显示清晰来判断液剂的有效性。

（3）探伤面是否存在无铁锈、氧化皮、焊接飞溅、铁屑、毛刺以及各种防护层，一般要求表面粗糙度Ra≤25um。

（4）施加的（可选用喷涂、刷涂、浇涂）渗透剂是否完全覆盖被检工件表面，并在整个渗透时间内保持润湿状态。

（5）渗透剂温度和工件表面温度是否在5℃-50℃范围内，在此温度范围内渗透剂持续时间一般不应小于10min。在喷涂显像剂时被检面温度不应高于50℃，现象时间通常为5-10min。

（6）检查缺陷情况时，表面照度是否大于1000LX；为辨认细小显示时，观察时可辅以5-10 倍放大镜。

在渗透检查过程中，要务必保证探伤范围覆盖所有焊接位置，在实际操作过程中往往对较大处，明显处焊接位置（如静叶片内外焊接位置）的检查较为重视，局部凹槽（如汽封槽堆焊面）等位置往往关注度不够，容易造成设备质量控制不严格，留下质量隐患。

3.3.2 案例分析

以某核电机组末三级静叶渗透检查发现问题为例，在对其汽封槽堆焊面检查过程中发现存在多处大于5mm 的圆形缺陷，最大可达13mm×10mm,具体位置及情况详见图2。

图2 缺陷位置图

依照厂内验收标注，渗透探伤后以下缺陷不可接受：a.裂纹、线性缺陷显示；b.5mm 以上圆形缺陷；c.4 个以上相连圆形缺陷，间距小于1.5mm。

由于已发现缺陷已经超出厂内标准可接受范围，因此各方针对缺陷从对机组性能影响、强度分析、长期稳定性分析、缺陷模拟等方面进行了评估。

在性能影响方面，通过对实际运行情况分析发现，安装汽封块后，在机组运行过程中考虑蒸汽压力及蒸汽流向，汽封槽座面（seat surface）为主要受力点和密封面，若保证汽封槽座面的密封性良好，则漏气量不会增加，相应的，机组性能及经济性就不会受到影响。因此，为保证座面位置的密封性，该位置出现的相关缺陷后续需进行修补处理，避免因漏气量增大影响机组性能。

在强度分析方面，结合机组运行过程中的工况，末三级蒸汽温度在40-80℃之间，蒸汽压力小于0.1Mpa，由此在运行过程中蒸汽对汽封块产生的持续性轴向推力小于0.1Mpa，汽封块对汽封槽产生的压力相对较小。

通过有限元计算分别对末三级隔板汽封槽进行分析发现，运行条件下，汽封槽受力位置主要集中在受力面方向（图3），第8-10 级隔板汽封槽处所受最大应力值分别为3.9Mpa、2.9Mpa、3.5Mpa，在将最大承受应力σmax 与材料屈服强度σys 比值计算可以得出汽封槽所受应力远低于屈服强度（图4），因此在连续推力作用下，汽封槽的结构强度可以满足要求。

图3 第十级静叶隔板汽封槽应力分布图

图4 末三级隔板汽封槽最大承受应力与材料屈服强度比值计算

在长期稳定性分析方面，对于缺陷来说，依照破坏力学理论，应力强度因子反映了缺陷顶端附近区域个点应力的强弱程度，在对缺陷的长期稳定性分析过程中，通过计算缺陷位置的应力强度因子ΔK，并与相应的临界强度因子ΔKth 进行对比，可以评判三种情况下缺陷是否存在进一步扩大的可能，若ΔK＜ΔKth，则相关缺陷不会扩展，若ΔK≥ΔKth,则相关缺陷会出现进一步扩展，其中缺陷处应力强度因子计算公式如下：

其中：ΔK：应力强度因子；

a：缺陷深度；

c：缺陷长度；

σ：应力值。

通过计算对比可以发现，末三级隔板汽封槽处应力强度因子远小于临界强度因子（图5），因此在持续压力作用条件下，三种缺陷均不会出现进一步扩展的可能。若假定应力强度因子等于临界强度因子，即ΔK=ΔKth。在此情况下求得末三级静叶汽封槽堆焊面缺陷大小需至少在160mm 以上，通过对比可知，目前发现的缺陷大小均大大小于该数值，通过这种方式，进一步印证了在持续压力作用下，现有缺陷不会出现进一步扩大的可能。

图5 末三级隔板应力强度因子与临界强度因子比值

通过以上分析4 方面分析情况及评估结论，最终确定该问题的处理依照以下原则开展：

（1）对汽封槽表面重新目视检查及PT 检测，确定不锈钢堆焊面缺陷大小位置。

（2）鉴于汽封槽的非受力面及非密封面处缺陷对机组性能及结构强度不会造成影响，对于处在汽封槽非密封区域及非受力区域的缺陷不作处理，对于处在汽封槽密封区域及受力区域的缺陷依照厂内工艺及标准要求进行修补处理（图6）。

图6 修补位置示意图

（3）鉴于汽封槽受力面及密封面处缺陷预计会增加漏气量并对机组性能造成影响。

3.4 尺寸检查

末三级隔板最终需与汽轮机低压内缸进行装配和安装，因此隔板加工后尺寸是否在图纸约定的公差范围内直接影响后续的装配与到厂安装工作，在实际检查过程中，应重点关注：

（1）叶片节距、喉部尺寸是否在图纸要求的公差范围内。（2）定位螺栓位置尺寸是否符合图纸要求。

（3）是否需对隔板进行修磨调整，如需应在调整完成后再次测量。

3.5 清洁度、防异物检查

3.5.1 检查分析

在相关加工制造工序基本完成后，还应对末三级静叶的本体开展清洁度与防异物检查，检查过程中应重点关注：

（1）中分面、螺栓定位面是否存在拉毛、凹坑的缺陷。（2）内部是否存在异物、锈蚀等情况。

（3）所有中分面螺栓均已取下，螺栓是否有咬死情况。（4）对于需长期存储的，是否做好防锈保护措施。

3.5.2 案例分析

某核电项目末三级静叶隔板在发货前检查中发现，静叶隔板中分面定位销及销孔等位置存在拉毛的情况，主要原因为制造厂在总装过程中多次拆合缸，保护措施不足造成。后对发现的拉毛情况及时要求制造厂去除高点并将相关内容在监造工作报告中进行记录。

4 结论

末三级静叶隔板作为汽轮机内部重要部件之一，对保证汽轮机的出力和安全运行起着至关重要的作用。除了在制造过程中，需要监理工程师以认真负责的工作态度，扎实过硬的技术能力，严格开展设备监造工作，及时发现质量问题和隐患以外，还需要通过多种手段及评估方法，在充分考虑各种因素的条件下科学、全面地对问题进行分析，与制造厂共同制定出最佳处理方案，保证设备到场后的安全稳定运行。