嚴(yán)長鳴

(神華四川江油發(fā)電廠，四川 江油 621709)

神華四川江油發(fā)電廠2×330 MW機(jī)組1 025 t/h鍋爐由STEIN公司生產(chǎn)。2016年解體檢查發(fā)現(xiàn)，主汽閥閥體存在4條裂紋，裂紋最大深度25 mm。通過檢測(cè)、試驗(yàn)、分析，確認(rèn)閥體裂紋系制造質(zhì)量不佳與材質(zhì)劣化較嚴(yán)重共同造成。對(duì)閥體裂紋采用打磨盡主汽閥裂紋、現(xiàn)場(chǎng)全氬弧補(bǔ)焊及熱處理的修復(fù)工藝，并提出了切實(shí)可行的防范措施。

1 主汽閥概況

電廠主汽閥閥體材質(zhì)為15CDV910-M，規(guī)格為Φ 910 mm×150 mm，設(shè)計(jì)溫度540 ℃，設(shè)計(jì)壓力18 MPa，實(shí)測(cè)厚度156 mm～217 mm，已運(yùn)行146 500 h，累計(jì)啟/停338次。停機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)鍋爐側(cè)主汽閥閥體外壁存在4條裂紋(見圖1)，最長一條裂紋長度為152 mm，深度為25 mm；閥體表面存在珠光體、貝氏體兩種金相組織，珠光體球化達(dá)4.5級(jí)；閥體表面不同部位硬度差較大，最高HBW227，最低HBW119。

圖1 主汽閥閥體外壁裂紋形貌

2 主汽閥閥體裂紋原因分析

由于不能進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，僅對(duì)主汽閥閥體表層的化學(xué)成分和金相進(jìn)行了分析，測(cè)試了閥體表面硬度。試驗(yàn)結(jié)果表明：其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求；金相組織異常，存在貝氏體和珠光體兩種組織，其中大部分碳化物已分布在鐵素體晶界上，珠光體、貝氏體區(qū)域痕跡消失殆盡，球化4.5級(jí)，實(shí)際造成閥體材料室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度下降，蠕變極限和持久強(qiáng)度也下降，閥體蠕變速度加快；硬度上下限均超過標(biāo)準(zhǔn)要求。

因鑄造閥門結(jié)構(gòu)復(fù)雜、閥體厚度差達(dá)61 mm，導(dǎo)致閥體不同部位甚至同一斷面的不同部位冷卻速度及凝固時(shí)間不同，收縮不一致，加之型芯退讓性差，收縮受阻，形成閥體收縮應(yīng)力及熱應(yīng)力均大的局面。閥體厚度差大，熱處理恒溫時(shí)間難以兼顧，使主汽閥各斷面和不同部位形成不同的金相組織，組織不同，脹縮系數(shù)存在差異，產(chǎn)生組織應(yīng)力，故鑄造閥體收縮應(yīng)力、熱應(yīng)力、組織應(yīng)力合成的殘余應(yīng)力大，在運(yùn)行中不能被徹底消除。

主汽閥運(yùn)行中工質(zhì)壓力造成的外壁拉應(yīng)力較大。

結(jié)論：較大的閥體殘余應(yīng)力及閥體材質(zhì)劣化造成的強(qiáng)度下降(許用應(yīng)力下降)與運(yùn)行時(shí)工質(zhì)壓力造成的外壁拉應(yīng)力疊加后，運(yùn)行中產(chǎn)生裂紋。所以閥體裂紋系制造質(zhì)量不佳與材質(zhì)劣化較嚴(yán)重共同造成。

3 修復(fù)工藝

3.1 處理方法選擇

因主汽閥壁厚裕量較大，單機(jī)容量300 MW機(jī)組主汽閥閥體裂紋深度較小時(shí)，通常選用打磨盡裂紋、圓整打磨槽，在裂紋兩尖端打止裂孔的辦法處理。這種處理方式的優(yōu)點(diǎn)是簡單易操作，缺點(diǎn)是減小了承載截面積，打磨槽及止裂孔處應(yīng)力集中系數(shù)變大，閥體承載能力降低，產(chǎn)生新裂紋的傾向較大。

該閥門因4條裂紋分布在較狹小區(qū)域，相對(duì)集中且最大深度25mm,按JB/T 5263—2005相關(guān)規(guī)定屬重缺陷，故不宜選用打磨盡裂紋、裂紋兩尖端鉆止裂孔的簡單處理方法，因此采用現(xiàn)場(chǎng)全氬弧補(bǔ)焊方法處理。

3.2 補(bǔ)焊及熱處理工藝

3.2.1 施工人員

打磨工作由同類閥體打磨經(jīng)驗(yàn)豐富的鉗工擔(dān)任，焊工及熱處理工應(yīng)具有焊接熱處理經(jīng)驗(yàn)，持有相關(guān)的焊工合格證及熱處理工合格證，且證書在有效期內(nèi)。

3.2.2 設(shè)備及工器具

電焊機(jī)型號(hào)：Ws-400(GTAW/SMAW兩用逆變直流焊機(jī)，帶高頻引弧功能)；電源極性：GTAW(Ws)直流正接；電加熱器：履帶式加熱片+繩式加熱器；熱處理機(jī)：WDKⅢ-6120及DJK40(表計(jì)應(yīng)檢定合格)；鎧裝熱電偶；Φ100 mm，Φ180 mm角向磨光機(jī)；紅外測(cè)溫儀型號(hào)：TI120；此外還有鋼絲刷、榔頭、鏨子等。

3.2.3 焊前準(zhǔn)備

1)檢查焊材R40質(zhì)保書是否齊全，化學(xué)成分及常溫各項(xiàng)力學(xué)性能應(yīng)符合要求。

2) 檢查試驗(yàn)用各種設(shè)備和儀器儀表，在檢定校核合格期內(nèi)，并應(yīng)完好可靠。

3)焊絲應(yīng)清除表面臟物并露出金屬光澤。

4)焊前應(yīng)掌握焊材、母材和焊機(jī)性能。

5)補(bǔ)焊前應(yīng)根據(jù)無損檢測(cè)結(jié)果對(duì)裂紋位置進(jìn)行標(biāo)識(shí)，采用機(jī)械加工的方法消除裂紋，再經(jīng)無損檢測(cè)確認(rèn)裂紋已打磨干凈；對(duì)打磨槽進(jìn)行修磨至便于焊接且滿足規(guī)范要求的坡口型態(tài)(見圖2)，清理干凈坡口及周邊20 mm范圍內(nèi)的水、油、銹等雜物。

α：10～15°；δ：原裂紋深度25 mm；R：5 mm圖2 坡口型態(tài)

6)對(duì)全體施工人員進(jìn)行安全技術(shù)交底。

7)辦理用電及動(dòng)火作業(yè)票，并將安全技術(shù)措施落實(shí)到位；焊接區(qū)域不得放置易燃易爆物品，并對(duì)可燃物采取隔離措施，現(xiàn)場(chǎng)用電設(shè)施、焊接設(shè)備、熱處理電源(一次)的敷設(shè)和使用，應(yīng)由電氣專業(yè)人員拆裝；熱處理加熱電纜和補(bǔ)償導(dǎo)線，應(yīng)有醒目標(biāo)識(shí)；夜間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)照度滿足需求；應(yīng)安排專人現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)護(hù)。

8)確認(rèn)施焊環(huán)境符合作業(yè)要求。

3.2.4 預(yù)熱及層間溫度控制

1)為避免熱處理造成閥體變形及殘余應(yīng)力大的情形出現(xiàn)，預(yù)熱及熱處理應(yīng)對(duì)裂紋區(qū)域的閥體整圈進(jìn)行加熱、保溫，因裂紋最大深度僅25 mm，所以無須焊接過程中安排后熱的去氫處理環(huán)節(jié)，焊完后即進(jìn)行熱處理便可。

2)采用遠(yuǎn)紅外電加熱。焊接時(shí)坡口邊緣留10 mm左右不覆蓋加熱片。熱電偶分別布置在坡口兩側(cè)各100 mm位置，沿補(bǔ)焊區(qū)域閥體整圈每90°布置1支熱電偶，點(diǎn)焊熱電偶使其牢牢固定在閥體外壁上并避免與加熱片直接接觸。

3)熱處理機(jī)溫度表、記錄儀、熱電偶誤差應(yīng)符合DL/T 819—2010的規(guī)定，溫度控制點(diǎn)應(yīng)充分考慮測(cè)溫系統(tǒng)的誤差值。施焊前必須用手持紅外測(cè)溫儀對(duì)坡口焊接點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，確認(rèn)預(yù)熱溫度在規(guī)定的范圍后方可開始焊接。

4)按DL/T 869—2012相關(guān)規(guī)定，焊縫預(yù)熱溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在230～260 ℃，可用手持紅外測(cè)溫儀進(jìn)行輔助測(cè)溫，焊接過程中層間溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在200～300 ℃，可用手持紅外測(cè)溫儀在起焊點(diǎn)前50 mm處左右測(cè)量層間溫度，低于或高于工藝規(guī)范時(shí)應(yīng)立即停焊，待加熱或冷卻到規(guī)范要求后方可繼續(xù)施焊。

3.2.5 焊接

1) 焊接參數(shù)

要綜合考慮調(diào)節(jié)焊接電流和焊接速率兩個(gè)參數(shù)，在保證熔合良好的情況下，盡可能使用較小的焊接參數(shù)(如表1)。

2)焊接難點(diǎn)及操作要領(lǐng)

15CDV910-M鋼焊接時(shí)，熔池鋼水黏度較大、流動(dòng)性較差，焊接規(guī)范又較小，因而容易出現(xiàn)層間未熔及坡口未熔等缺陷。當(dāng)焊絲送至坡口邊緣時(shí)，電弧停留時(shí)間要適當(dāng)長一些，盡量充分熔敷，不留夾溝。

焊縫接頭應(yīng)錯(cuò)開，收弧時(shí)應(yīng)略做停留，將熔池完全填滿后再引向坡口邊緣處熄弧。并延長收弧時(shí)衰減電流的時(shí)間。

清理與檢查，每焊完一層(道)需用角磨機(jī)徹底清理焊道溝槽等，特別是中間接頭及坡口邊緣位置、焊道收弧位置，清理完后目視檢查無裂紋等缺陷后再施焊下一層(道)。

表1 GTAW工藝參數(shù)

焊接順序：為減小焊接殘余應(yīng)力，先補(bǔ)焊4個(gè)打磨槽中最長最深的一個(gè)打磨槽→補(bǔ)焊遠(yuǎn)離最長最深的2個(gè)打磨槽中的一個(gè)→焊最長最深打磨槽附近的一個(gè)打磨槽→焊剩余的1個(gè)打磨槽。

3.2.6 焊后熱處理

1)焊后應(yīng)立即進(jìn)行熱處理，加熱設(shè)備、熱電偶布置與預(yù)熱及保持層間溫度相同，按DL/T 819—2010相關(guān)規(guī)定，加熱寬度從焊縫中心起每側(cè)不小于壁厚的7倍；保溫寬度為每側(cè)比加熱寬度增加2倍壁厚；焊后熱處理保溫厚度40～60 mm為宜。

2)按DL/T 819—2010相關(guān)規(guī)定，確定熱處理參數(shù)：恒溫溫度為740±10 ℃、恒溫時(shí)間2 h、焊件內(nèi)外壁溫差≤20 ℃、升降溫速率≤60 ℃/h(降溫至300 ℃以下可不控制)，示意圖如圖3所示。

圖3 熱處理曲線示意圖

3.3 焊縫及母材檢測(cè)試驗(yàn)

熱處理完畢后，進(jìn)行外觀檢查，按DL/T 869—2012有關(guān)要求進(jìn)行，外觀質(zhì)量應(yīng)達(dá)到Ⅰ類焊縫標(biāo)準(zhǔn)；打磨焊縫使其與母材平滑過渡；外觀檢查合格后進(jìn)行超聲及磁粉探傷、硬度測(cè)試、金相分析，所有檢測(cè)試驗(yàn)項(xiàng)目必須合格。

3.4 不合格焊縫返修

若發(fā)現(xiàn)焊縫及附近區(qū)域母材存在超標(biāo)缺陷，應(yīng)采用原坡口制備及焊接熱處理工藝重新進(jìn)行焊接和熱處理，直至檢驗(yàn)合格。

4 防范措施

該主汽閥若發(fā)生泄漏將造成機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，若發(fā)生爆漏則可能釀成災(zāi)難性后果，故應(yīng)采取下列防范措施。

1)在該主汽閥周圍設(shè)置安全圍欄，掛上“高溫危險(xiǎn)”“禁止逗留”等安全警示標(biāo)識(shí)。

2)機(jī)組啟動(dòng)過程中，嚴(yán)格按照升溫升壓曲線控制升溫升壓速率。

3)禁止主汽壓力超過184 bar、主汽溫度超過555 ℃運(yùn)行。

4)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行每值應(yīng)派人對(duì)主汽門及其旁路門檢查一次，主要看有無蒸汽泄漏和聽有無泄漏燥聲，且嚴(yán)禁長時(shí)間在該區(qū)域停留，嚴(yán)禁到主汽門所在平臺(tái)近距離觀察。

5)該閥門自處理裂紋后每累計(jì)運(yùn)行1 000 h應(yīng)安排專項(xiàng)檢測(cè)試驗(yàn)：對(duì)閥體進(jìn)行100%無損檢測(cè)、100%硬度測(cè)試，必要時(shí)做金相分析。

6)雖然自2016年補(bǔ)焊后，經(jīng)過3次檢查，至今未發(fā)現(xiàn)新裂紋，但要保障主汽閥安全可靠地運(yùn)行，應(yīng)于2018年將其更換為鍛造主汽閥。

5 結(jié)語

綜上所述， 鑄造主汽閥質(zhì)量不佳及材質(zhì)劣化較嚴(yán)重是造成主汽閥外壁產(chǎn)生裂紋的主要原因；對(duì)存在裂紋的閥體“打磨盡裂紋+現(xiàn)場(chǎng)全氬弧補(bǔ)焊”的修復(fù)工藝，可用于材質(zhì)無劣化或劣化程度較輕的閥體修復(fù)，也可用于閥體材質(zhì)劣化較嚴(yán)重的閥體應(yīng)急修復(fù)；基于大型鑄造閥體存在殘余應(yīng)力大、易出現(xiàn)組織異常、性能欠佳等先天不足的情況，為保障主汽閥安全可靠地運(yùn)行，對(duì)材質(zhì)劣化較嚴(yán)重及劣化嚴(yán)重的鑄造主汽閥宜更換為鍛制主汽閥。