劉 偉,張興田,趙冬冬,黃少華

(中核核電運(yùn)行管理有限公司,浙江 海鹽314300)

泰山核電二期和二期擴(kuò)建工程 (以下簡(jiǎn)稱(chēng)泰二廠)4臺(tái)650 MW核電機(jī)組汽輪機(jī)系國(guó)產(chǎn)的HN650—6.41型核電凝汽式汽輪機(jī),單軸四缸六排汽,包括一臺(tái)高壓缸和三臺(tái)低壓缸,帶中間兩臺(tái)汽水分離再熱器。高壓缸為雙層結(jié)構(gòu),由高壓外缸和高壓內(nèi)缸組成,均為合金鋼鑄件,材料選用抗腐蝕性能較強(qiáng)的ZG15Cr2Mo1,可以保證壽期內(nèi)不需補(bǔ)焊。高壓缸通流為雙分流對(duì)稱(chēng)分布,高壓轉(zhuǎn)子安裝有正反各七級(jí)葉片,相應(yīng)的靜葉則由正反各三個(gè)隔板套組成,其中一級(jí)隔板套安裝于高壓內(nèi)缸上,二、三級(jí)隔板套安裝于高壓外缸上。高壓缸閥前的新蒸汽參數(shù)為:壓力6.41 Mpa、溫度279.9℃、濕度5%,通過(guò)高壓轉(zhuǎn)子做功后的排汽參數(shù)為:壓力1.03 Mpa、溫度181.4℃、濕度12.7%。高壓內(nèi)缸和隔板套的結(jié)構(gòu)布置使高壓外缸劃分為三段不同的承壓區(qū)域,具體如圖1所示。

1 缺陷介紹

1.1 缺陷產(chǎn)生

圖1 高壓外缸承壓分布圖Fig.1 Pressure distribution map of high pressure outer cylinder

泰二廠4號(hào)機(jī)組于2012年1月投入商業(yè)運(yùn)行,2013年和2014年年初分別進(jìn)行了一次換料大修。2014年4月初,4號(hào)機(jī)組在一次小修再次啟動(dòng)后,首次發(fā)現(xiàn)高壓缸底部保溫層滴水。2014年6月28日,4號(hào)機(jī)組執(zhí)行汽輪機(jī)調(diào)門(mén)試驗(yàn) (試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組降至50%額定功率運(yùn)行),試驗(yàn)結(jié)束后機(jī)組升功率過(guò)程中,高壓缸底部漏水量有增大趨勢(shì),并且排汽口的保溫層也明顯滲出水跡,懷疑漏水來(lái)自該處法蘭漏氣。2014年9月7日,4號(hào)機(jī)組再次進(jìn)行調(diào)門(mén)試驗(yàn),9月9日試驗(yàn)結(jié)束后提升功率,9月10日凌晨發(fā)現(xiàn)高壓缸調(diào)端靠左側(cè) (從汽輪機(jī)往發(fā)電機(jī)看)的保溫層出現(xiàn)直徑約1 cm的小孔并噴出蒸汽。9月11日,拆開(kāi)漏氣部位保溫層后發(fā)現(xiàn)高壓外缸上缸體出現(xiàn)長(zhǎng)約90 mm的貫穿性裂紋,裂紋沿豎直方向經(jīng)2處轉(zhuǎn)折,蒸汽通過(guò)裂紋持續(xù)噴出。裂紋的所處宏觀位置和具體形貌如圖2所示。

圖2 裂紋宏觀位置及具體形貌照片F(xiàn)ig.2 Crack macroscopic position and specific morphologies photos

根據(jù)圖1的高壓外缸承壓分布圖,裂紋區(qū)域蒸汽壓力1.03 MPa、溫度181.4℃、濕度12.7%,該部位的缸壁設(shè)計(jì)厚度為80 mm。

1.2 缺陷分析

鑒于機(jī)組正在滿(mǎn)功率運(yùn)行,無(wú)法進(jìn)入缸內(nèi)檢查,根據(jù)缺陷產(chǎn)生的部位和裂紋形式,分析認(rèn)為產(chǎn)生缸體裂紋的原因可能有以下2點(diǎn):

(1)高壓外缸體內(nèi)部鑄造缺陷萌生并逐漸擴(kuò)展成貫穿性裂紋。4號(hào)機(jī)組首次大修期間 (2013年1月至3月),對(duì)高壓外缸上缸內(nèi)壁進(jìn)行目視檢查發(fā)現(xiàn)缸體內(nèi)表面存在夾雜、砂眼、肉瘤、缺肉等共30處缺陷。通過(guò)對(duì)缺陷進(jìn)行打磨補(bǔ)焊處理,經(jīng)液體滲透檢查合格。但目視和液體滲透均為表面檢查,不能檢出高壓外缸體的內(nèi)部缺陷,常見(jiàn)的縮松、裂紋、夾渣、夾砂、鑄造應(yīng)力等缺陷在該部位的存在是可能的。

(2)高壓外缸支撐桿與外缸壁的焊縫部位產(chǎn)生裂紋。為增強(qiáng)高壓外缸缸體強(qiáng)度,高壓外缸內(nèi)部?jī)啥烁餮b有6根支撐桿,每端左右兩側(cè)各對(duì)稱(chēng)布置3根。支撐桿與高壓外缸同材質(zhì),為ZG15Cr2Mo1,長(zhǎng)980 mm,直徑90 mm。支撐桿的裝配,是在外缸體完成翻砂鑄造后,對(duì)擬安裝支撐桿的外缸壁加工?90.5 mm的通孔,支撐桿裝入通孔,內(nèi)端通過(guò)螺紋與外缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相連接,外端與外缸體外壁齊平并焊接 (見(jiàn)圖3)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)裂紋定位,裂紋可能位于高壓缸調(diào)端海側(cè)的第二根支撐桿與外缸壁焊縫處。

1.3 安全評(píng)價(jià)

按照計(jì)劃,4號(hào)機(jī)組將于2015年1月進(jìn)行換料大修,距離發(fā)現(xiàn)裂紋還有近4個(gè)月的時(shí)間。對(duì)于高壓缸是否能在接下來(lái)的4個(gè)月時(shí)間內(nèi)安全運(yùn)行,由于沒(méi)有類(lèi)似案例可以借鑒,經(jīng)過(guò)多方討論,形成以下意見(jiàn):

1)對(duì)于金屬構(gòu)件,主要有漸進(jìn)性變形 (載荷超過(guò)Rp0.2)、過(guò)度變形 (載荷達(dá)到某一極限導(dǎo)致的變形無(wú)限制增大)、塑性失穩(wěn) (壁厚減薄所致)、疲勞 (漸進(jìn)性開(kāi)裂)和快速斷裂 (脆斷)等五種失效模式。高壓外缸材質(zhì)為低合金珠光體耐熱鋼 (ZG15Cr2Mo1),室溫Rp0.2≥275 MPa,高壓外缸缺陷部位工作在塑性溫區(qū) (1.03 MPa、181.4℃工況下ZG15Cr2Mo1脆性轉(zhuǎn)變溫度為38.7℃),在缸體裂紋處工作條件下的失效模式為疲勞 (漸進(jìn)性開(kāi)裂),即疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的疲勞累計(jì)損傷過(guò)程,發(fā)生脆性開(kāi)裂及瞬間失穩(wěn)的可能性較小。

圖3 支撐桿安裝圖Fig.3 Support rod installation diagram

2)根據(jù)疲勞裂紋擴(kuò)展理論和工程經(jīng)驗(yàn),疲勞裂紋主要在交變應(yīng)力 (溫度循環(huán)和應(yīng)力循環(huán)所致)作用下擴(kuò)展。在交變的拉、壓應(yīng)力作用下,裂紋相應(yīng)經(jīng)歷銳化、鈍化過(guò)程,每交變一次,裂紋深度增加一個(gè)Δα。運(yùn)行穩(wěn)定載荷 (常數(shù)值應(yīng)力)對(duì)疲勞裂紋擴(kuò)展的影響有限。裂紋縫隙的漏氣 (蒸汽流)也可能對(duì)現(xiàn)有裂紋尖端起到一定的鈍化作用。在運(yùn)行參數(shù)相對(duì)較低的情況下,交變應(yīng)力的幅值較小。因此,判斷不會(huì)發(fā)生快速斷裂。

3)根據(jù)高壓外缸缸體結(jié)構(gòu)及裂紋位置 (壁厚均勻且無(wú)配合密封面),即使缸體裂紋繼續(xù)擴(kuò)展,也不會(huì)造成無(wú)法修復(fù)的情況發(fā)生。

1.4 監(jiān)督運(yùn)行

根據(jù)以上意見(jiàn),4號(hào)機(jī)組高壓缸進(jìn)入監(jiān)督運(yùn)行狀態(tài),繼續(xù)維持滿(mǎn)功率運(yùn)行,同時(shí)采取以下行動(dòng):

1)為進(jìn)一步限制溫度循環(huán)和壓力循環(huán)所致交變應(yīng)力的幅值,4號(hào)機(jī)組不參與節(jié)日期間電網(wǎng)升降負(fù)荷調(diào)峰,退出一次調(diào)頻。

2)鑒于調(diào)門(mén)狀態(tài)良好,為減小交變應(yīng)力幅值較大的疲勞循環(huán)次數(shù),在距離停機(jī)大修的近4個(gè)月內(nèi)不再安排調(diào)門(mén)試驗(yàn)。

3)主控操作員加強(qiáng)對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)視,重點(diǎn)監(jiān)督軸承振動(dòng)、缸體差脹、軸承金屬溫度等運(yùn)行參數(shù)是否出現(xiàn)異常變化。

4)為防止高壓缸裂紋漏氣突然增大,蒸汽漏入氣輪機(jī)前軸承箱而導(dǎo)致潤(rùn)滑油乳化,將汽輪機(jī)潤(rùn)滑油主油箱負(fù)壓在控制范圍內(nèi)由-700 Pa調(diào)低至-430 Pa,同時(shí)加強(qiáng)潤(rùn)滑油油質(zhì)化驗(yàn)頻率。

5)設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝將泄漏蒸汽引導(dǎo)至帶液位顯示的集水槽內(nèi),通過(guò)觀察積水量變化從而判斷裂紋發(fā)展趨勢(shì)。

通過(guò)近4個(gè)月對(duì)高壓缸漏水量的連續(xù)監(jiān)測(cè),直至大修停機(jī)前,高壓缸漏水量穩(wěn)定在34 L/h附近,高壓缸裂紋也沒(méi)有明顯擴(kuò)展。

2 方案準(zhǔn)備與仿真分析

2.1 方案準(zhǔn)備

為確保機(jī)組停運(yùn)后能夠快速、有效的處理高壓缸裂紋,在高壓缸漏氣轉(zhuǎn)入監(jiān)督運(yùn)行后即著手準(zhǔn)備處理方案。處理方案主要按照停機(jī)檢查裂紋、機(jī)械打磨裂紋、焊接修復(fù)裂紋和焊后無(wú)損檢查等幾個(gè)方面進(jìn)行。首先采用機(jī)械方法 (角磨機(jī)打磨等方法)清除缺陷,邊打磨邊觀察 (采用滲透探傷檢查缺陷),直至缺陷全部消除。然后根據(jù)DL/T 753-2001《汽輪機(jī)鑄鋼件補(bǔ)焊技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)要求,采用機(jī)械打磨方式制備U型坡口。焊材選用ENiCrFe-3焊條 (直徑?2.5 mm)、ERNiCr-3(直徑?1.6 mm),經(jīng)過(guò)350℃/2 h烘干。焊前采用火焰預(yù)熱,坡口及其周?chē)?50 mm范圍內(nèi)溫度必須達(dá)到100～150℃。焊接方法為手工氬弧焊打底,手工電弧焊填充,焊接工藝參數(shù)如表1。焊后檢查采用機(jī)械打磨方式,對(duì)焊接修復(fù)后的焊縫進(jìn)行表面打磨,去除焊縫余高,利用液體滲透檢驗(yàn)方法對(duì)修復(fù)后的焊縫及其周?chē)覆倪M(jìn)行檢驗(yàn)。若發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷,應(yīng)及時(shí)打磨去除缺陷,重新焊接,直至全部合格。

表1 焊接修復(fù)工藝參數(shù)Table 1 Welding repair process parameters

2.2 有限元仿真

為分析焊接修復(fù)工作對(duì)高壓缸缸體產(chǎn)生的焊接變形和殘余應(yīng)力分布,采用有限元建模和熱源加載方法進(jìn)行仿真計(jì)算。溫度場(chǎng)分析及位移場(chǎng)分析采用直接耦合的方法進(jìn)行,缸體單元采用熱力耦合單元。在焊縫位置及孔的位置單元尺寸較小,約1～2 mm,其他位置為20～50 mm,節(jié)點(diǎn)規(guī)模約10萬(wàn),如圖4所示。

圖4 高壓外缸有限元模型Fig.4 Finite element model of high pressure outer cylinder

焊接時(shí)殼體內(nèi)的溫度場(chǎng)非常不均勻,焊道內(nèi)的壓縮塑性變形必然導(dǎo)致殼體在焊完后出現(xiàn)殘余變形。焊后殘余相對(duì)位移μm定義為:

其中ux、uy、uz分別為x(軸向)、y(豎直)、z(橫向)方向的位移。為降低焊接變形,采用分段焊、控制層間溫度的方法,模擬了焊道長(zhǎng)度為70 mm情況下,打底焊+填充焊的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)。分段焊由于焊道短,總的熱輸入累積效果小,因此將產(chǎn)生較小的位移和變形,這種控制變形的方法廣泛地應(yīng)用于焊接變形控制技術(shù)。圖5為分段焊后的相對(duì)位移分布,仍然是在焊接區(qū)的位移值較高,最大位移值為0.26 mm。

從圖5可以看出,除焊縫以外,焊接修復(fù)產(chǎn)生的最大位移在汽缸外軸封處,而位移最易造成漏氣的是軸封處缸體中分面的豎直方向變形,因?yàn)榇颂幾冃芜^(guò)大將直接導(dǎo)致缸體中分面間隙過(guò)大而漏氣。通過(guò)有限元仿真計(jì)算出缸體中分面的豎直方向變形量如圖6所示,最大位移為0.12 mm,可以通過(guò)調(diào)整螺栓預(yù)緊力消除間隙。

圖5 相對(duì)位移分布Fig.5 Relative displacement distribution

圖6 豎直方向變形Fig.6 Vertical direction deformation

3 缺陷處理

4號(hào)機(jī)組于2015年1月初進(jìn)行換料大修,停機(jī)后確認(rèn)裂紋處于高壓缸支撐桿及支撐桿焊縫區(qū)域,判斷裂紋起源于缸體內(nèi)部支撐桿與缸體焊縫根部,并向外擴(kuò)展至支撐桿與缸體母材。高壓外缸吊出后開(kāi)始對(duì)裂紋進(jìn)行打磨,打磨過(guò)程中發(fā)現(xiàn)裂紋已由縱向向橫向延伸,其中縱向最大打磨長(zhǎng)度約190 mm,最大寬度約65 mm,深度已經(jīng)達(dá)到50 mm左右,基本已位于支撐桿焊縫根部位置,但缸體部分仍有裂紋缺陷存在,橫向打磨長(zhǎng)度約165 mm,寬度約51 mm,深度已到50 mm左右,也是還有缺陷存在,裂紋打磨見(jiàn)圖7。將高壓外缸吊回檢查記錄中分面間隙 (未安裝中分面螺栓),整圈中分面間隙全部記錄后將高壓缸再次吊出,對(duì)高壓缸其他支撐桿缸體外表面部位進(jìn)行金相檢查時(shí)意外發(fā)現(xiàn)兩根支撐桿所在區(qū)域的缸體外表面有缺陷顯示存在,分別是調(diào)端海側(cè)第一根和電端海側(cè)第二根支撐桿。從調(diào)端海側(cè)第一根開(kāi)始編號(hào),三根存在裂紋缺陷的支撐桿編號(hào)分別為1號(hào)、2號(hào)和8號(hào)。

圖7 裂紋打磨照片F(xiàn)ig.7 Crack shot

高壓缸裂紋處理的工作量進(jìn)一步增大,為了確保在大修工期內(nèi)保質(zhì)保量完成裂紋處理工作,立即聯(lián)系引入專(zhuān)業(yè)機(jī)械加工技術(shù)人員和設(shè)備,在需修復(fù)的支撐桿外圍鎳基冷焊一塊帶中間孔的圓板,氣動(dòng)式鏜床固定于圓板上,對(duì)支持桿焊縫進(jìn)行機(jī)械挖除和打坡口,大大縮短了工期,提高了修復(fù)質(zhì)量,如圖8所示。

圖8 氣動(dòng)鏜床打坡口Fig.8 Pneumatic boring machine

1號(hào)、2號(hào)和8號(hào)支撐桿焊縫挖除和坡口修磨工作結(jié)束后,轉(zhuǎn)入焊接修復(fù)工序。焊接前在高壓缸兩端各架設(shè)3塊百分表,在修復(fù)區(qū)域的缸體近端密封面和遠(yuǎn)端密封面,各自對(duì)稱(chēng)布置2只百分表監(jiān)測(cè)缸體縱向形變,在調(diào)端缸體側(cè)面選擇兩處平整的立面,各自布置1只百分表監(jiān)測(cè)缸體橫向形變,檢查確認(rèn)百分表固定可靠讀數(shù)調(diào)零。焊接預(yù)熱達(dá)到焊接工藝要求的溫度后開(kāi)始進(jìn)行焊接修復(fù),氬弧焊打底后進(jìn)行手弧填充焊接,每隔12 mm左右的層間進(jìn)行PT(滲透)檢查,每隔1 h記錄1次百分表讀數(shù),百分表變化較大時(shí)停止焊接。百分表監(jiān)測(cè)和氬弧焊打底照片見(jiàn)圖9。

圖9 百分表監(jiān)測(cè)和氬弧焊打底Fig.9 Meter monitoring and argon being welded

高壓缸所有支撐桿部位缺陷均焊接修復(fù)完成后 (48 h后PT合格),將高壓缸第二次扣回檢查中分面間隙。百分表監(jiān)測(cè)焊接完成后的缸體最大變形量為0.22 mm,分別為焊接修復(fù)處的近端縱向變形和調(diào)端的遠(yuǎn)端縱向變形。第二次扣回后的中分面間隙在電端陸側(cè)軸封處變大 (由0.20 mm增加至0.25 mm),在調(diào)端海側(cè)軸封處變小 (由0.25 mm減小至0.10 mm)。至此,4號(hào)機(jī)組高壓缸裂紋修復(fù)工作結(jié)束。

4 結(jié)論

4號(hào)機(jī)組高壓外缸貫穿性裂紋修復(fù)后至今,無(wú)論是缸體中分面還是支撐桿部位,未再出現(xiàn)任何漏氣問(wèn)題,證明裂紋處理的前期準(zhǔn)備和現(xiàn)場(chǎng)處理工作是卓有成效的,通過(guò)引入專(zhuān)業(yè)機(jī)械加工技術(shù)和設(shè)備對(duì)支持桿焊縫進(jìn)行挖除和打坡口,大大縮短了工期提高了修復(fù)質(zhì)量,為后續(xù)處理此類(lèi)缺陷積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。