楊 進(jìn)

(北京國際電氣工程有限責(zé)任公司，北京 100036)

1 閥門內(nèi)漏的危害

大型閥門 (如自動(dòng)主汽門、調(diào)速汽門、高低壓旁路門等)作為汽輪機(jī)的重要設(shè)備，一旦嚴(yán)密性不合格，將無法保證對(duì)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速的有效控制，容易發(fā)生跳機(jī)事故，給汽輪機(jī)造成毀滅性損壞［1］，因此，其可靠性、嚴(yán)密性將直接影響到汽輪機(jī)的安全運(yùn)行。

小型閥門 (如疏水閥)流動(dòng)背壓很低，處于臨界狀態(tài)［2］，單位面積流量大，蒸汽等包含的大量可用能量被循環(huán)水帶走，造成單位面積內(nèi)漏量大，同時(shí)大量蒸汽漏入凝汽器，影響了凝汽器真空，降低了機(jī)組效率。

2 閥門內(nèi)漏治理的趨勢(shì)

國家出臺(tái)了針對(duì)高能耗企業(yè)的節(jié)能政策，五大電力集團(tuán)相繼提出“節(jié)能降耗，促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展”的口號(hào)。電力企業(yè)的工作重點(diǎn)也集中到節(jié)能和提高效率方面，各個(gè)電廠在例次檢修中均把“降低熱力系統(tǒng)閥門內(nèi)漏，提高真空嚴(yán)密性”作為重點(diǎn)，治理閥門內(nèi)漏、保證閥門嚴(yán)密性成為“節(jié)能、降耗”的關(guān)鍵［3］。

隨著汽輪機(jī)技術(shù)的不斷提高和超臨界機(jī)組、超超臨界機(jī)組的投入運(yùn)行，電廠閥門的工作溫度、工作壓力也隨之提高，閥門關(guān)鍵部件的耐高溫、耐沖蝕、耐磨損、耐氧化、高溫耐沖擊等性能必須得到保證，否則會(huì)造成閥門重要部位的密封面出現(xiàn)溝痕、點(diǎn)缺陷、裂紋等 (沖刷、磨損、高溫變形導(dǎo)致)，致使密封效果差、閥門內(nèi)漏［4］。閥門密封面材質(zhì)多采用Ni基合金、Co基合金 (Stellite合金)等合金材料，一旦出現(xiàn)沖蝕、磨損、氧化等現(xiàn)象，修復(fù)成為必要且重要的工作。因此，閥門內(nèi)漏修復(fù)技術(shù)成為一門結(jié)合“新材料科學(xué)”、“精密加工技術(shù)”、“精密焊接技術(shù)”的綜合性技術(shù)。

3 閥門內(nèi)漏治理的措施

目前各個(gè)電廠針對(duì)閥門密封面缺陷的修復(fù)，主要采取“對(duì)研”的解決方法?！皩?duì)研”即閥芯與閥座密封面的相互研磨，對(duì)于解決閘板閥等平面密封閥門的缺陷是個(gè)行之有效的方法，但是對(duì)于采用曲面密封方式的閥門 (閥芯密封面為球形，閥座為雙曲面)，“對(duì)研”會(huì)在閥門密封面上造成環(huán)形凹坑、“臺(tái)階”，雖然有所謂的“密封線”，但根本達(dá)不到機(jī)組要求的密封效果，實(shí)際上是在損壞閥門的型面，給閥門造成更大的損傷。

對(duì)于小型閥門，可將其從管道上切割下來，返廠在數(shù)控機(jī)床上加工，加工出曲面后進(jìn)行精密研磨。對(duì)于大型閥門，例如主汽門、調(diào)速汽門，鑄造在閥體上，無法進(jìn)行拆卸，就需要現(xiàn)場(chǎng)對(duì)閥座和閥芯密封面進(jìn)行高精度曲面加工，以恢復(fù)閥門密封面的技術(shù)參數(shù)，保證實(shí)現(xiàn)其正常功能。

如果閥門密封面損傷嚴(yán)重，出現(xiàn)大于1 mm深度的溝痕、壓痕、拉傷等線狀、點(diǎn)狀缺陷，若采用曲面機(jī)械加工的方法，不僅工作量大，還會(huì)導(dǎo)致合金層變薄、密封面使用壽命縮短;若采用電焊或氬弧焊接修補(bǔ)損傷部位，可能引起溫度無法控制、焊材脫落、閥門焊接應(yīng)力小及現(xiàn)場(chǎng)操作困難等一系列問題，若密封面材料為Stellite合金，則現(xiàn)場(chǎng)焊接極難保證完成。應(yīng)用微弧焊精密焊接技術(shù)，可完全解決以上焊接問題。

結(jié)合高精度曲面加工技術(shù)和微弧精密焊接技術(shù)可修復(fù)大部分電廠閥門密封面的缺陷，達(dá)到治理閥門內(nèi)漏的目的。

4 閥門內(nèi)漏治理的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 高精度曲面加工技術(shù)

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門和主汽門密封面在運(yùn)行時(shí)，由于受高溫高壓汽流的沖擊磨損、氣蝕及工作時(shí)汽流中雜質(zhì)的損傷而造成漏氣，同時(shí)密封面由于長(zhǎng)期在高溫高壓狀態(tài)下工作。受材料高溫蠕變和高溫持久強(qiáng)度的影響，球面出現(xiàn)曲線變形、壓坑等，從而導(dǎo)致密封線斷線或密封線變寬 (整體寬度達(dá)8 mm以上)，不能滿足嚴(yán)密性要求，此時(shí)可通過高精度曲面加工技術(shù)進(jìn)行修復(fù)［5］。

4.1.1 調(diào)節(jié)汽門和主汽門密封面技術(shù)參數(shù)

a． 閥座密封面一般設(shè)計(jì)為雙曲面，曲面方程為

式中，t、θ為參變量。

b． 閥芯密封面一般設(shè)計(jì)為球面，球面方程為

式中，β、θ為參變量［6］。

4.1.2 技術(shù)說明

a． 根據(jù)上述原理，測(cè)繪需修復(fù)的主汽門、調(diào)速汽門閥座、閥芯密封面的各項(xiàng)參數(shù)及型面。

b． 結(jié)合數(shù)控計(jì)算機(jī)仿型技術(shù)，對(duì)測(cè)繪的閥座和閥芯密封面參數(shù)進(jìn)行數(shù)控加工，制造研磨胎具，其端面跳動(dòng)應(yīng)不大于0.02 mm。

c． 根據(jù)所測(cè)主汽門、調(diào)速汽門閥座參數(shù)，制造電動(dòng)研磨機(jī)，其同軸度不大于0.02 mm。d． 制造法蘭口定位盤，其精度為0.02 mm。e． 現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試研磨機(jī)、法蘭口定位盤、研磨胎具，保證各項(xiàng)參數(shù)正常。

f． 配合使用各種砂紙進(jìn)行研磨加工。

g． 加工完畢后，閥芯、閥座尺寸精度達(dá)到0.03μm，表面粗糙度達(dá)到0.8μm。

h． 現(xiàn)場(chǎng)紅丹粉著色檢查，密封線100%連續(xù)接觸。

4.1.3 典型案例

a． 華能伊敏電廠為2臺(tái)前蘇聯(lián)50萬kW機(jī)組，由于主汽門、調(diào)速汽門密封面氧化皮過厚，閥門尺寸較大 (最大尺寸約700 mm)而很難處理，導(dǎo)致機(jī)組長(zhǎng)期嚴(yán)密性不合格。于2006～2008年利用3次大修機(jī)會(huì)，對(duì)2臺(tái)機(jī)組的閥座、閥芯密封面進(jìn)行高精度曲面加工后 (單臺(tái)機(jī)組修復(fù)工期約為15 d)，啟機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)機(jī)組嚴(yán)密性全部達(dá)標(biāo)。

b． 大唐盤山電廠為8臺(tái)東方汽輪機(jī)有限責(zé)任公司30萬kW機(jī)組，主汽門、調(diào)速汽門密封面氧化皮層厚度達(dá)到2 mm，且分為2～3層，嚴(yán)重影響機(jī)組嚴(yán)密性。于2006～2008年利用3次機(jī)組大修機(jī)會(huì)對(duì)5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)機(jī)組全部高壓主汽、中壓主汽、調(diào)速汽門進(jìn)行密封面高精度曲面加工修復(fù)后，嚴(yán)密性試驗(yàn)全部達(dá)標(biāo)。

圖1中閥座、閥芯密封面表面粗糙度達(dá)到0.8 μm，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)紅丹粉著色檢查，密封線100%連續(xù)接觸，壓線寬度小于3 mm。

高精度曲面加工技術(shù)將大型數(shù)控加工技術(shù)轉(zhuǎn)化成小型的現(xiàn)場(chǎng)精密加工技術(shù)，應(yīng)用于電廠閥門修復(fù)，解決了原來需要將大型件切割下來運(yùn)至原制造廠、在大型設(shè)備上檢修加工的難題，檢修工期縮短、加工成本降低，使大型件的快速檢修成為可能，達(dá)到電廠運(yùn)行的要求。

圖1 高壓調(diào)速汽門閥座、閥芯密封線壓線情況

4.2 微弧精密焊接技術(shù)

4.2.1 微弧精密焊接的工作原理

微弧精密焊接將電源儲(chǔ)存的高能電子在幾μm內(nèi)向工件放電，瞬時(shí)電流密度達(dá)到1×106A/cm2，并轉(zhuǎn)換為熱能和其它形式的能量，將電極材料冶金結(jié)合到工件表面，使其性能得到顯著強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)了表面幾何構(gòu)型的復(fù)原修復(fù)。其高能冷焊過程是基于氣態(tài)環(huán)境里的電蝕現(xiàn)象和陽極材質(zhì)在脈沖放電時(shí)向陰極轉(zhuǎn)移的理論實(shí)現(xiàn)的。工作示意圖見圖2

4.2.2 微弧精密焊接在閥門修復(fù)上的優(yōu)越性

a． 焊接層與閥體母材結(jié)合力強(qiáng)。在冷焊過程中，接觸區(qū)域被電極瞬間加熱至12 000～25 000℃，因而形成良好的冶金結(jié)合，焊接層與母材間致密、結(jié)合力極強(qiáng)、無脫落。

b． 常溫焊補(bǔ)時(shí)閥體不發(fā)生變形。由于整個(gè)操作過程均為窄脈寬、大頻率，閥體幾乎無熱量的輸入，因而不會(huì)產(chǎn)生過熱燒傷和變形，焊補(bǔ)附近金相組織不改變，無應(yīng)力集中現(xiàn)象。焊接閥門無需進(jìn)行熱處理，焊接根據(jù)閥門的使用性能要求來選擇焊條，如Ni基合金或Stellite合金。焊接過程不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，閥門修復(fù)完后不必進(jìn)行淬火或回火處理。

c． 焊接層可有較大范圍的變化。焊接過程有氬氣保護(hù)，沉積層可根據(jù)工件使用要求在面積和厚度上進(jìn)行控制。

d． 優(yōu)越的再焊性?？蓪?duì)閥門密封面損傷部位多次焊接，以保證閥門的使用性能。若閥門密封面修復(fù)使用一段時(shí)間后又出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，可進(jìn)行再修復(fù)。修復(fù)后的密封面由于表面硬度增強(qiáng)，使用壽命延長(zhǎng)。

e． 焊接層可進(jìn)行機(jī)械加工。閥門密封面焊接完后，可根據(jù)要求進(jìn)行車削、磨削、研磨、拋光等，以達(dá)到要求的尺寸和表面光潔度。

f． 可長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，焊接速度快、工作效率高，可到現(xiàn)場(chǎng)工地進(jìn)行在線原位焊接。

4.2.3 微弧精密焊接在閥門修復(fù)上待解決的問題

圖2 微弧焊接工作示意圖

微弧焊接屬于精密焊接，每次焊接量小于0.01 mm，對(duì)于較小缺陷的焊補(bǔ)具有突出優(yōu)勢(shì)，對(duì)于較大缺陷的焊補(bǔ)，雖然其修補(bǔ)后的效果相同，但耗費(fèi)較多人力和時(shí)間。在檢修工期較短的情況下，需安排好現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間。

4.2.4 典型案例

a． 江蘇華能淮陰電廠于2005年低壓旁路閥閥座出現(xiàn)裂紋，密封面材質(zhì)為Stellite合金，無法進(jìn)行氬弧焊或電焊，后使用微弧精密焊接技術(shù)將裂紋修補(bǔ)，現(xiàn)場(chǎng)研磨密封面修復(fù)成功 (見圖3)。

圖3 低壓旁路閥修復(fù)前后圖像

b． 山西大唐國際陽城電廠于2005年5號(hào)機(jī)組1號(hào)中壓調(diào)速汽門閥座密封面下方出現(xiàn)約12 mm×90 mm×1.8 mm的沖刷區(qū)，材質(zhì)為Stellite合金，現(xiàn)場(chǎng)無法進(jìn)行氬弧焊接或電焊，Siemens德國專家建議使用镋削設(shè)備修復(fù)密封面，中方考慮到斯太力合金層減薄會(huì)造成閥門的使用壽命縮短和安全問題，故采用微弧精密焊接技術(shù)修補(bǔ)密封面缺陷，使用高精度曲面加工技術(shù)修復(fù)密封面型面的技術(shù)方案，工期12 d，至今未出現(xiàn)任何問題 (見圖4)。

微弧精密焊接技術(shù)能夠保證基體閥門不發(fā)熱、密封面不變形、不咬邊、修復(fù)區(qū)無殘余應(yīng)力、無裂紋、冶金結(jié)合強(qiáng)度高，尤其適合發(fā)電設(shè)備重要部件磨損、裂紋等缺陷的修復(fù)，降低了研磨工作強(qiáng)度，提高了閥門的使用壽命，大幅度降低了成本，經(jīng)濟(jì)效益顯著，為電廠節(jié)省了大量的資金。

表1 各大電廠檢修情況

圖4 修復(fù)過程圖像

5 應(yīng)用

目前，高精度曲面加工、微弧焊精密焊接2項(xiàng)技術(shù)已在各大電力公司得到高度重視和大力推廣，并應(yīng)用在眾多內(nèi)國外機(jī)組和閥門中，正在逐步形成一個(gè)高精度、快速的閥門檢修新技術(shù)。

各大電廠檢修情況見表1。

6 結(jié)束語

高精度曲面加工技術(shù)和微弧精密焊接技術(shù)相結(jié)合可解決主汽門、調(diào)速汽門等大部分電廠大型閥門內(nèi)漏的修復(fù)工作。修復(fù)后閥門的材料性能、尺寸精度可達(dá)到甚至超過原閥門的等級(jí)，提高了閥門的使用性能，延長(zhǎng)了閥門的使用壽命。隨著技術(shù)應(yīng)用的不斷深入，甚至可擴(kuò)展到軸類、泵類、缸體類的修復(fù)，可解決電廠內(nèi)沉積多年的技術(shù)難題?！伴y門修復(fù)”已從簡(jiǎn)單的機(jī)械加工上升到“精密加工”、“精密焊接”、“材料科學(xué)”相結(jié)合的一個(gè)新的技術(shù)層面。

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