某电厂汽轮机高调阀座合金裂纹分析与处理

林增雷, 管绪友

(淮南矿业集团发电有限责任公司顾桥电厂, 安徽 淮南 232100)

0 引言

汽轮机的主蒸汽室阀座长期承受高温汽流的冲刷、震动和阀杆头部的撞击等影响，容易在接触密封面附件造成破坏，影响机组的安全运行，一般为了保证阀座的密封性，通常在接触密封面堆焊一层硬质合金以增加其耐磨性。堆焊层材料通常为钴基耐热合金[1]，在高温下有相当好的抗应力松弛性能，堆焊后其焊道及近缝区会存在一定的拉伸残余应力[2]。工作中阀座与主蒸汽室之间实现过盈配合，阀座母材与堆焊层间线胀系数差异较大，其熔合线区域的应力集中，同时阀座基材与堆焊层的硬度值相差较大，在长期异常工况运行条件下，会在熔合线附近形成微裂纹，随着应力的进一步集中，最终导致裂纹进一步扩展，沿熔合线位置开裂。

随着太阳能、风能等新能源发电装机容量快速增加，天气晴朗时，火电机组负荷特别低，经常低于额定负荷的30%；阴天或者晚上时，太阳能不在发电，火电机组负荷快速拉升，形成火电厂机组负荷调整范围越来越大的新常态，一次调频动作更加快速，更加频繁，使得汽轮机高、中压调节汽阀动作，蒸汽流量快速变化，调门的阀座与阀芯所受蒸汽冲刷的力交替变化，阀芯与阀座经常接触撞击，容易在阀门密封面附近造成损坏，影响机组安全运行。

1 设备概况

1.1 设备简述

某电厂#1、#2汽轮机是东方汽轮机厂N 330-16.67/538/538型，为亚临界、一次中间再热、双缸双排汽、凝汽式汽轮机。机组汽轮机高压部分共有左右侧2个高压主汽阀，4个高压调节汽阀，对应4组喷嘴，4组喷嘴汽道数均为37只；中压部分有左右2个中压主汽阀，分别对应2个中压调节汽阀。高压调节汽阀可实现顺阀控制和单阀控制，机组在运行中可以进行两种方式的无扰切换。两种控制方式对应两种不同的进汽方式，其中顺阀方式为喷嘴调节(部分进汽)，单阀方式为节流调节(全周进汽)，高压部分4个调节汽阀根据控制系统的指令按相同的阀位开启，对应4组喷嘴同时进汽。为减小启动过程中的热冲击，机组启动时采用单阀方式，避免汽缸及转子应力过大，保证机组安全顺利启动，在达到目标负荷且温度场趋于稳定后可以切换到顺阀方式，保证较好的经济性。

1.2 现象描述

#2机组停机检修，在进行高压调节汽阀十字头改造的过程中发现#1高压调节汽阀阀座内圈(密封接触面为一堆焊层)堆焊层存在开裂现象，且有一小块堆焊层脱落。经PT检查，开裂口附近堆焊层还存在一些裂纹，如图1所示。

图1 #1高压调节汽阀阀座密封接触面

2 原因分析

2.1 制造缺陷

司太立合金在堆焊过程中温度控制欠佳，形成应力集中[3]；另外，在高压调节汽阀组装时，采用液氮冷却装配工艺，阀座收缩量大，阀座母材与司太立堆焊层间线胀系数差异较大，加大了堆焊层应力集中，最终导致裂纹进一步扩展开裂。

2.2 调门突然关闭的影响

2月20日凌晨04：54，#2机组负荷195 MW，时间04：56：56一次调频动作，#3高压调节汽阀由12%降为0%，#1、#2高压调节汽阀维持在原开度48%；时间04：57：16，负荷持续下降至148 MW(最低负荷)，此时主汽压力12.028 MPa，阀位开度80%，#1、#2高压调节汽阀维持全开，#3调门开至23%。#1轴承左侧温度由81 ℃开始上升，#2轴承左侧温度由92 ℃开始上升。时间04：57：30，负荷恢复至185 MW，#1、#2调门全开，#3调门开度52%，主汽压力11.4 MPa，阀位90.8%。

#3高压调节汽阀突然关闭，使得该高压调节汽阀的阀芯与阀座进行了撞击，可能会使阀座的密封面受到损伤。

2.3 负荷波动大

近期机组负荷波动较大，一次调频动作频繁，由于机组为顺序阀运行，低负荷时，#3、#4高压调节汽阀开度较小，一次调频动作幅度较大时，#3、#4高压调节汽阀经常性开启、关闭，使得阀芯与阀座经常接触撞击，撞击次数过多后，造成阀座密封面损伤。

2.4 阀门线性试验的影响

机组启动前，对汽轮机高、中压调节汽阀进行全开、全关试验，阀门有一个全程的开闭过程，会使阀芯与阀座受到较大的冲击力，可能会造成阀座密封面损伤。

2.5 阀座裂纹分析

2.5.1 金相检验

在开裂阀座接触密封面上(即裂纹附近)取样进行金相检验，取试样镶嵌打磨抛光，腐蚀后置于Carl Zeiss Axio Observer倒置型研究级倒置式金相显微镜下观察其状态。相关金相组织见图2所示。

从图2中可以看出，该裂纹沿阀座基材与堆焊层熔合线位置开裂，堆焊层中还存在有一些微裂纹，堆焊层金相组织为树枝状晶，奥氏体组织，基材组织为回火马氏体组织。

(a)12.5× (b)50×

(c)100× (d)200×

(e)200×

2.5.2 硬度检验

采用布氏硬度计在金相试样表面进行硬度试验。试验条件：负荷187.5 kgf、钢球直径2.5 mm、负荷保持时间15 s，每组试样测试三次，试样结果取其平均值，试验结果见表1。

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表1 试样的硬度检测结果

从表中可以看出，该阀座基材的硬度值为214.84 HBW，堆焊层的硬度值为458.38 HBW。

2.6 分析

该阀座基材为回火马氏体组织，堆焊层为树枝状晶，奥氏体组织；阀座基材的硬度值为214.84 HBW，堆焊层的硬度值为458.38 HBW。阀座基材与堆焊层的金相组织和硬度值未见异常，沿阀座基材与堆焊层焊缝熔合线位置处发生开裂。

阀碟与阀座通过司太立堆焊层接触，运行时负荷波动大，高压调节汽阀频繁开启和关闭，阀芯对阀座有很大的冲击力，在冲击载荷的作用下，高硬度区域产生裂纹，在应力的诱导下，裂纹沿着司太立合金和基材结合处不断扩散，形成大裂纹。

3 处理过程

3.1 准备工作

1)解体需更换的高压调节汽阀，取出阀芯件，并制作封堵物对高压主汽阀底部管道进行封堵。

2)拆除高压调节汽阀外部保温，暴露阀座对应外部区域。

3)在高压调节汽阀阀壳外部搭建脚手架及木板、满足人员站立需求。

3.2 高压主汽调阀阀座更换

1)打磨去除高压主汽调阀座敛缝部分。

2)将新底板的20 mm坡口朝上，并与阀座拆卸工具连杆组合后安装到位。

3)连杆顶部用手拉葫芦拉紧、千斤顶受力后，使用手保焊将底板与阀座整圈堆焊固定。焊材选用J507焊条，焊前表面清理并预热至200～250 ℃，焊接电流80～160 A。

3.3 阀座拆卸

2)对阀壳外部的阀座过盈安装，对应区域进行均匀火焰加热，加热时应互相配合、不断移动加热位置，不可将火焰长时间停留于一点。

3)加热过程中应注意干冰消耗情况，并及时添加。

4)待测温枪监测阀壳外壁温度均匀加热至200 ℃以上后，同步操作两千斤顶，顶起工装顶板，每顶起一段距离后，拉紧葫芦，旋松下螺母，泄压千斤顶，旋紧上螺母，再同步顶起两千斤顶，直至阀座脱出阀壳内孔。

5)吊出阀座、封堵下部管口。

3.4 数据测量

1)使用内径千分尺或加长摇表，测量阀壳内的阀座安装孔直径尺寸。

2)如内孔存在较多氧化皮，影响测量精度，应进行打磨处理；同时检查阀壳内孔是否存在贯穿性划痕等缺陷。

3)测量时应沿垂直方向至少测量A、B两个区域的直径数据，每个区域至少测量4个方位，从而保证数据准确性。

3.5 新阀座安装

1)清理新阀座，检查阀座外径尺寸，应与阀壳内孔满足(0.16～24 mm)安装过盈量要求。

2)对阀座接触带进行PT探伤检查，无裂纹显示。

3)干冰熏冷阀座、火焰加热阀壳至少60 min后，使用阀座吊装工具将新阀座安装到位。

4 预防措施

1)运行中，控制负荷的波动幅度，提前通过滑压偏置，控制#3、#4高压调节汽阀的开度，尽量降低阀门的关闭次数。

2)机组停运后，尽量减少高压主汽阀及高压调节汽阀的全行程开闭次数。

3)负荷低于30%BMCR时，及时将汽轮机由顺序阀切为单阀运行，防止高、中压调节汽阀频繁开关。

4)定期进行汽轮机高、中压主汽阀和高、中压调节汽阀严密性试验，检查阀门的严密性，试验不合格时，对阀门进行解体检查。

5)机组大修时，对高中压主汽阀和高、中压调节汽阀进行解体检查，及时处理阀芯、阀座的缺陷，避免缺陷扩大，影响机组安全运行。

5 结语

该汽轮机高压调节汽阀阀座堆焊层开裂是由于其熔合线区域应力集中，在长期负荷波动较大的工况运行条件下发生的。在采取文中所述的预防措施后，没有出现阀座密封面裂纹、脱落等类似现象。为今后同类型机组汽轮机高压调节汽阀阀座密封面堆焊层裂纹缺陷的预防和治理提供了经验和借鉴。