張守文，余化文，熊　偉，雷　鵬，湯少輝，李培宇

(華能玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán)　317604)

?

1 000 MW汽輪機(jī)中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)門(mén)螺栓斷裂原因分析

張守文，余化文，熊偉，雷鵬，湯少輝，李培宇

(華能玉環(huán)電廠，浙江 玉環(huán)317604)

汽輪機(jī)中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)門(mén)閥蓋螺栓斷裂嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行。針對(duì)1 000 MW超超臨界百萬(wàn)汽輪機(jī)中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)門(mén)螺栓斷裂問(wèn)題，從宏觀檢查、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)和緊固工藝等方面，對(duì)華能玉環(huán)電廠#4機(jī)組中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)門(mén)螺栓斷裂進(jìn)行了分析，并提出了相關(guān)的解決辦法和應(yīng)對(duì)措施，有效地預(yù)防了汽輪機(jī)中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)門(mén)螺栓大面積斷裂的可能，為機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。

1 000 MW；超超臨界；汽輪機(jī)；中壓主汽門(mén)；中壓調(diào)門(mén)；螺栓斷裂；原因分析

華能玉環(huán)電廠是國(guó)內(nèi)首臺(tái)建設(shè)百萬(wàn)千瓦超超臨界機(jī)組，裝機(jī)容量4×1 000 MW，汽輪機(jī)由上汽——西門(mén)子聯(lián)合設(shè)計(jì)制造的一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、雙背壓、凝汽式汽輪機(jī)，型號(hào)為N1000-26.25/600/600，鍋爐由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)的超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐，型號(hào)為HG-2953/27.46-YM1，主要運(yùn)行方式為純滑壓運(yùn)行。

汽輪機(jī)額定工況下中壓主汽門(mén)前溫度600℃，壓力5.443 MPa。汽輪機(jī)中壓主汽門(mén)垂直安裝，中壓調(diào)門(mén)水平安裝。一個(gè)中壓主汽門(mén)和一個(gè)中壓調(diào)門(mén)為一個(gè)閥組，兩個(gè)中壓汽門(mén)閥組對(duì)稱(chēng)布置在汽輪機(jī)中壓缸兩側(cè)。汽輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，中壓主汽門(mén)及中壓調(diào)門(mén)維持全開(kāi)。中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)門(mén)均非自密封結(jié)構(gòu)，閥門(mén)端蓋的密封是通過(guò)螺栓緊固力來(lái)保證汽門(mén)端蓋密封[1]。

1　螺栓斷裂原因分析

2015年5月華能玉環(huán)電廠4號(hào)汽輪機(jī)中壓主汽門(mén)和中壓調(diào)門(mén)解體檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)螺栓有斷裂情況。

1.1汽門(mén)螺栓缺陷情況

汽輪機(jī)中壓主汽門(mén)螺栓材質(zhì)為Alloy783，規(guī)格為M90×6×385 mm，單側(cè)汽門(mén)閥蓋螺栓在裝數(shù)量為24套。中壓調(diào)門(mén)螺栓材質(zhì)為Alloy783，規(guī)格為M72×6×330 mm，單側(cè)汽門(mén)閥蓋螺栓在裝數(shù)量為20套。

A側(cè)中壓主汽門(mén)螺栓A1～A24，宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)缺陷或異常，超聲檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)缺陷反射信號(hào)。B側(cè)中壓主汽門(mén)螺栓B1～B24，編號(hào)為B19的1根螺栓存在缺陷反射信號(hào)。其他螺栓宏觀檢查未發(fā)現(xiàn)缺陷或異常，超聲檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)缺陷反射信號(hào)。

A側(cè)中壓調(diào)門(mén)螺栓A1～A20，宏觀和超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)A1、A4、A5、A12、A13、A14、A15、A17、A20螺栓頭或根部螺紋共有9根斷裂或者開(kāi)裂。B側(cè)中壓調(diào)門(mén)螺栓B1～B20，共計(jì)20根，宏觀和超聲檢測(cè)B12、B13、B14、B15、B16、B18螺栓頭部或根部螺紋處共有6根螺栓斷裂。

1.2螺栓斷裂宏觀形貌

圖2螺栓斷口顏色相對(duì)暗灰，無(wú)明顯塑性變形，呈現(xiàn)出疲勞斷裂的性質(zhì)，疲勞源為沿內(nèi)壁多處，隱約可見(jiàn)貝殼紋，瞬斷區(qū)為沿貝殼紋方向(如圖2中箭頭所示)，斷口呈脆性斷裂與疲勞斷裂混合特征。

圖1　螺栓斷裂宏觀形貌

圖2　螺栓斷口宏觀形貌

電燒蝕坑放大形貌如圖3所示，螺栓電燒蝕宏觀形貌如圖5所示。通過(guò)圖3和圖4可見(jiàn)，螺紋下方的燒蝕處呈小坑狀且燒蝕坑較深，燒損面積不大，金屬液體飛濺嚴(yán)重，出現(xiàn)“卷邊”的形貌特征。燒蝕坑邊緣，有燒蝕坑尖端處存在微裂紋存在，呈放射狀向螺栓上部蔓延。

圖3　電燒蝕坑放大形貌

圖4　螺栓電燒蝕宏觀形貌

1.3汽門(mén)螺栓化學(xué)成分

華能玉環(huán)電廠1、2號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)中主汽門(mén)、調(diào)門(mén)螺栓為原裝進(jìn)口，3、4號(hào)機(jī)組螺栓為國(guó)產(chǎn)螺栓。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)光譜復(fù)查，機(jī)組斷裂螺栓光譜均符合制造廠材料技術(shù)要求(見(jiàn)表1)。表1中，單位是質(zhì)量百分比。

表1　螺栓材料化學(xué)成分

1.4汽門(mén)螺栓硬度測(cè)量

制造廠給出的Alloy783螺栓硬度合格范圍為:27

表2　A側(cè)中壓主汽門(mén)螺栓硬度測(cè)量結(jié)果

表3　B側(cè)中壓主汽門(mén)螺栓硬度測(cè)量結(jié)果

表4　A側(cè)中壓調(diào)門(mén)螺栓硬度測(cè)量結(jié)果

表5　B側(cè)中壓調(diào)門(mén)螺栓硬度測(cè)量結(jié)果

1.5汽門(mén)螺栓金相組織

沿螺栓燒蝕處橫截面取樣進(jìn)行金相組織觀察，如圖5、圖6、圖7所示。圖5明顯可見(jiàn)裂紋沿螺栓內(nèi)壁燒蝕處向外壁擴(kuò)展。采用王水腐蝕后，可見(jiàn)螺栓為奧氏體組織，晶粒沒(méi)有發(fā)生明顯的塑性變形，同時(shí)發(fā)現(xiàn)兩根螺栓均存在沿晶裂紋，貫穿整個(gè)視場(chǎng)(見(jiàn)圖6)。在更高倍數(shù)下觀察晶界，印證了裂紋走向?yàn)檠鼐?，局部裂紋呈龜裂狀，還可見(jiàn)在奧氏體基體上有鳩灰色棒狀碳化物析出，特別是三叉晶界上此類(lèi)棒狀碳化物富集較為嚴(yán)重，晶內(nèi)則分布著點(diǎn)狀析出物(見(jiàn)圖7)。

圖5　螺栓裂紋(未腐蝕)

圖6　螺栓金相組織

圖7　螺栓晶界析出

2　螺栓斷裂原因分析

2014年2月，玉環(huán)電廠第一次發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組中壓主汽門(mén)Alloy783螺栓斷裂1根，運(yùn)行近8年。2015年5月，玉環(huán)電廠4號(hào)機(jī)組Alloy783螺栓檢查發(fā)現(xiàn)有大量斷裂，運(yùn)行近8年。2015年6月，玉環(huán)1號(hào)機(jī)組Alloy783螺栓檢查發(fā)現(xiàn)有大量斷裂，運(yùn)行近9年。

螺栓斷裂產(chǎn)生原因有以下幾種情況：(1)螺栓安裝預(yù)緊力過(guò)大，導(dǎo)致螺栓提前失效；(2)材料Alloy783生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，需要多次熱處理，生產(chǎn)制作廠可能存在工藝不到位情況；(3)汽機(jī)啟、停過(guò)程中螺栓承受較大應(yīng)力，當(dāng)螺栓剩余承載面積不足以抵抗應(yīng)力時(shí)螺栓發(fā)生斷裂；(4)螺栓熱緊時(shí)電加熱棒破損，擊穿空氣介質(zhì)后燒蝕螺栓內(nèi)壁，形成燒蝕坑，燒蝕坑誘發(fā)了裂紋的萌生及擴(kuò)展。在高溫、高應(yīng)力狀態(tài)、高震動(dòng)頻率的工作環(huán)境下，造成螺栓缺口敏感脆性和疲勞綜合作用引起的沿晶脆晶斷裂。

3　解決辦法及對(duì)應(yīng)措施

(1) 嚴(yán)格按照制造廠新提供的螺栓緊固方案執(zhí)行。在測(cè)量方法上要求以熱緊時(shí)參考弧長(zhǎng)，即螺栓按規(guī)定力矩冷緊后進(jìn)行加熱，螺栓緊過(guò)的弧度不能超過(guò)伸長(zhǎng)量折算后的弧度(伸長(zhǎng)0.1 mm約轉(zhuǎn)過(guò)9°)。為使測(cè)量更加準(zhǔn)確，制造廠對(duì)新螺栓測(cè)量孔底部進(jìn)行了改進(jìn)，由原來(lái)的錐形更改為平面底，最大程度上減少了測(cè)量誤差。中壓主汽門(mén)端蓋螺栓伸長(zhǎng)量降低至0.29～0.34 mm，中壓調(diào)門(mén)端蓋螺栓伸長(zhǎng)量降低至0.24～0.29 mm，并明確要求螺栓熱緊時(shí)加熱棒溫度不超過(guò)700℃。

(2) 制定汽門(mén)螺栓檢查滾動(dòng)計(jì)劃，對(duì)于檢查發(fā)現(xiàn)存在硬度超標(biāo)的螺栓或者存在缺陷的螺栓采取更換處理，并做好詳細(xì)檢測(cè)、更換臺(tái)賬，以備追溯分析。

(3) 建議螺栓熱緊時(shí)采用渦流感應(yīng)加熱器加熱，如仍使用電加熱棒加熱，則應(yīng)每過(guò)一段時(shí)間對(duì)電加熱棒進(jìn)行一次全面的檢查，防止加熱棒在使用過(guò)程中爆裂。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)1 000 MW機(jī)組運(yùn)行年限的增多，熱力系統(tǒng)承壓部件和螺栓斷裂失效的事件會(huì)越來(lái)越多，如果能及時(shí)有效的對(duì)失效部位進(jìn)行細(xì)致、認(rèn)真的檢查和分析，并制定有效的措施進(jìn)行預(yù)防，可有效的防止不安全事件的發(fā)生，以確保機(jī)組長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]郭建亭.高溫合金材料學(xué)(上冊(cè))[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

(本文編輯：趙艷粉)

Bolt Fracture Cause Analysis for MV Main Throttle Valve and Control Valve of 1000 MW Steam Turbine

ZHANG Shou-wen, YU Hua-wen, XIONG Wei, LEI Peng, TANG Shao-hui, LI Pei-yu

(Huaneng Yuhuan Power Plant, Yuhuan, 317604, China)

The bolt fracture of steam turbine MV main throttle valve and control valve poses a serious threat to the safe operation of the unit. For this problem in 1 000 MW ultra-supercritical turbines, this paper analyzes this bolt fracture problem of No. 2 Unit in Huaneng Yuhuan Power Plant from the perspective of macroscopic inspection, chemical composition analysis, metallographic examination and fastening technology, etc., and puts forward some relevant solutions and measures. This research can effectively prevent the large-scale bolt fracture of steam turbine MV main throttle valve and control valve, and protect the safe and stable operation of the unit.

1000 MW；ultra-supercritical; steam turbine; MV main throttle valve; MV control valve; bolt fracture; cause analysis

10.11973/dlyny201604016

張守文(1982)，男，工程師，汽機(jī)點(diǎn)檢，從事電廠汽機(jī)工作。

TK263.5

A

2095-1256(2016)04-0483-04

2016-03-17