陳鵬鵬

（江西大唐國際撫州發(fā)電有限責任公司，江西 撫州 344000）

0 前言

某1000 MW火力發(fā)電廠汽輪機軸封系統(tǒng)在運行過程頻繁出現軸封母管焊縫脫落等問題，該電廠通過歷次檢修收集軸封系統(tǒng)運行及缺陷處理等相關資料，并組織分析其頻發(fā)軸封母管焊縫脫落問題的原因，最終通過文中所述方法使問題得到有效解決。對電廠解決同類問題有著一定的借鑒和指導意義；同時對于類似情況的基建、改造項目，在投入使用前也可以參照對比分析，查找是否存在問題，提前采取措施防止類似問題發(fā)生。

1 軸封系統(tǒng)介紹

該電廠軸封系統(tǒng)運行圖如圖1所示，汽輪機的軸封系統(tǒng)采用自密封系統(tǒng)，并有防止汽輪機進水而損壞汽輪機的措施，該軸封汽源由輔汽、冷再、主蒸汽提供供汽。軸封系統(tǒng)由壓力調節(jié)裝置、蒸汽密封分流閥及軸封加熱器等設備及相應的閥門、管路系統(tǒng)構成。在機組負荷從20%到100%額定負荷之間時，蒸汽從高壓缸的軸封供到總管，從這流到低壓缸的軸封，在機組降負荷或者啟動時，到高壓缸出口部分的蒸汽壓力低于大氣壓時，有輔汽供到高壓缸和低壓缸的軸封。軸封系統(tǒng)的主要功能是向汽輪機、給水泵小汽輪機的軸封和主汽閥、調節(jié)閥的閥桿汽封供送密封蒸汽。高中壓前、后端汽封采用高低齒“尖齒”汽封，汽封片采用低硬度鐵素體材質鑲片，低壓汽封采用光軸尖齒結構的銅汽封，汽封環(huán)背襯彈簧可退讓。

圖1 軸封系統(tǒng)運行圖

軸封系統(tǒng)在正常運行時，由高中壓缸軸端漏氣至軸封供氣母管。為滿足低壓缸軸封供氣溫度要求，軸封供氣母管設置一臺噴水減溫器，通過溫度調節(jié)控制噴水量，從而實現減溫后蒸汽滿足低壓缸軸封供氣的低壓軸封系統(tǒng)。減溫水系統(tǒng)取自凝結水母管，為了降低廠用電率，增加廠內經濟效益，現場實際運行時，長期使用變頻凝結水泵，減溫水壓力為1.3～3.0 MPa；定期工作時，短期使用工頻凝結水泵，減溫水最高壓力達到3.7 MPa。在所有運行工況下，溫度調節(jié)站均自動維持低壓汽封腔室處溫度在121～200℃范圍。

如圖2所示，該電廠軸封母管噴水減溫處焊縫經常發(fā)生脫落缺陷，經過處理后過段時間仍然出現上述問題，乃至擴大到多處焊縫區(qū)域。對噴水減溫器進行監(jiān)測，發(fā)現在噴水過程中水量過大，且噴水不均勻，導致低壓軸封母管段管底存水，上管道與下管道溫差較大。

圖2 軸封母管噴水減溫處焊縫圖

2 低壓軸封母管焊縫脫落問題原因分析

該軸封系統(tǒng)在正常運行中，運行方式如下：

1）機組啟動及低負荷階段，軸封供汽由高壓輔助蒸汽提供，維持軸封供汽母管壓力在30 kPa。

2）當冷再蒸汽壓力、溫度滿足軸封供汽要求，蒸汽過熱度不低于14℃、蒸汽溫度與調端高壓缸端壁溫差不超過85℃時，由冷再供軸封并維持軸封供汽母管壓力在35 kPa。

3）當高、中壓缸軸封漏汽及主汽門、調門的門桿漏汽能滿足軸封自密封時，由軸封溢流調節(jié)門維持軸封供汽母管壓力在45 kPa。

4）低壓軸封供汽減溫水調節(jié)門的溫度設定值為180℃。

但低壓軸封母管焊縫脫落卻重復發(fā)生，其原因主要是焊接后材質不能牢固的焊接在原來的焊縫上，導致泄漏。同時監(jiān)測低壓軸封母管運行時溫度和壓力，主要由三方面造成：（1）噴水減溫器噴頭損壞；（2）運行時溫度調節(jié)不到位；（3）焊接工藝不達標。

2.1 噴水減溫器噴頭損壞分析

噴水減溫器是向調溫水蒸氣直接噴入霧化冷卻水，使之蒸發(fā)為水蒸氣并與調溫水蒸氣良好混合以降低調溫水蒸氣溫度的裝置。

該廠低壓軸封母管噴水減溫器的結構如圖3所示，管道內流動著過熱蒸汽，噴水減溫器如果能正常工作時，能將冷卻水變成霧化水蒸氣，加大與管道內流通水蒸氣的接觸面積，從而更好更全面的減溫，而當噴水減溫器噴頭損壞時，從噴水減溫器出口流出的水就直接是冷卻水，冷卻水與水蒸氣接觸，使得部分水蒸氣能達到降溫效果，而大部分蒸氣卻起不到冷卻效果，水溫過低直接液化成液態(tài)水，積聚在管道底部，水蒸氣在管道頂部流動，長期運行過后，管道內上下壓力差變大，管道熱應力變大，容易塑性變形，造成焊縫脫落穿孔[1]。

圖3 噴水減溫器結構圖

在機組運行過程中，由于通過二級減溫器筒體（聯箱）的蒸汽溫度較高，達到434℃，當減溫水沒有投入時，減溫水進水管溫度與過熱蒸汽溫度相同，當投入減溫水時，進水管的管壁溫度接近減溫水的溫度，只有160℃，這樣，進水管在溫差交變應力的作用下，其焊口處易產生裂紋最終導致其斷裂。

2.2 運行時溫度調節(jié)不到位分析

為了汽輪機本體部件的安全，對軸封供汽的溫度有一定要求。如果供汽溫度與汽輪機本體部件溫度（特別是轉子的金屬溫度）差別太大，將使汽輪機部件產生很大的熱應力，這種熱應力將加劇汽輪機部件壽命損耗，同時造成汽輪機動、靜部分的相對膨脹失調，損壞汽封片和轉子軸頸，直接影響汽輪機機組的安全。一般來說，對于高、中壓缸軸封供汽溫度的合適范圍是150~260℃；低壓缸軸封的供汽溫度應在150℃左右。

因此，軸封供汽母管向高、低壓端軸封供汽的管道上均設置噴水減溫器，在汽輪機運行的各種工況下調節(jié)供汽溫度，將軸封供汽的溫度控制在合適范圍。減溫水來自主凝結水，由凝結水經處理裝置后引出。

溫度調節(jié)僅僅只有噴水減溫器來調節(jié)，噴水減溫調節(jié)的溫度范圍大，精確性低，波動較大，受凝結水壓力和溫度的影響。該廠凝結水泵是變頻泵，低負荷時，凝結水流量和溫度均小于正常水平，故而噴水減溫不能達到很好的效果，反而使得軸封系統(tǒng)內溫度和壓力更高，容易出現故障；在高負荷時，凝結水流量和溫度能滿足需求，噴水減溫能夠達到相應的效果。

2.3 焊接工藝不達標分析

焊縫采用電弧焊，電弧焊是目前最廣泛的焊接方法。在焊接焊縫過程中常常因為外部缺陷及內部缺陷導致焊縫不合格，機組一旦運行起來，軸封母管的焊縫立馬又出現問題。

外部缺陷指的是缺陷位于焊縫外表面，用肉眼或者低倍放大鏡就可以看得到；內部缺陷指的是缺陷位于焊縫內部，這類缺陷可以用無損探傷檢驗或者是破壞性檢驗方法來發(fā)現。

焊接缺陷容易造成應力集中及脆斷。該廠低壓軸封母管焊縫缺陷主要是由以下幾個原因組成。

2.3.1 焊接形狀及尺寸不符合要求

在焊接的過程中，由于焊縫在底部，管壁材質是碳鋼T11，管壁厚度8 mm，管徑329 mm，而焊縫材質是不銹鋼材質，焊接坡口角度極易不當，造成焊縫高低不平，寬窄不均，波紋粗劣，焊縫質量嚴重不合格，如圖4所示。

圖4 焊縫缺陷形狀

2.3.2 裂紋

如圖5所示，該廠在處理焊縫時，焊接材料是不銹鋼，鋼材強度很大。同時在不利焊接下，管道內水未去除干凈，焊接熔池里溶解了水中的氫離子，焊縫金屬快速冷卻后，大部分氫快速過飽和溶解劑在焊縫金屬中，在焊接殘余應力的作用下，氫逐漸向產生應力和應變集中的熱影響區(qū)擴散，并在某些微區(qū)域集合。當氫濃度達到某一臨界值時，變脆的金屬在微小的應變下開裂。并使得開裂部位進一步的擴展，而且會形成宏觀裂紋。

圖5 冷裂紋形狀

3 低壓軸封母管焊縫脫落處理方法

綜合2.1、2.2和2.3分析可知，低壓軸封母管焊縫脫落主要由三方面造成：（1）噴水減溫器噴頭損壞；（2）運行時溫度調節(jié)不到位；（3）焊接工藝不達標。

針對噴水減溫器噴頭損壞的問題，公司委托有技術能力的鍋爐制造廠家或科研院所對1、2號汽機二級減溫器噴嘴裝置進行振動校核，校核的目的是摸清目前噴嘴裝置的自振頻率及滿負荷（215 MW）工況下卡門渦流的頻率（激振頻率）數值，同時比較二者之間的關系是否滿足激振頻率/自振頻率小于0.75，如不滿足，則需要對噴嘴裝置進行重新設計。重新設計可采取的措施有增加進水管管徑、在噴頭端或在噴管上加裝托架、改進隔板（鋼碗）設計等。如經過校核滿足條件，則應委托鍋爐制造廠家或科研院所赴現場對噴嘴裝置損壞情況進行檢查，進一步分析隔板（鋼碗）的彈性吸振功能是否消失以及其他可能導致焊口斷裂損壞的原因。

對于運行時溫度調節(jié)不到位，可以改變噴水減溫器的來水，用密封水升壓泵出口管的水代替凝結水泵出口水，這樣能夠保證機組在運行時噴水減溫的水量和溫度都能夠符合機組運行要求，便于調溫。具體實施如圖6所示。

圖6 管道改造示意圖

針對焊接工藝的問題，積極查詢相關資料，了解管壁材質、厚度及焊接工藝，經查閱圖紙并咨詢金屬、焊接專業(yè)：噴嘴入口與進水管的連接焊口為異種鋼焊接，即進水管為12CrlMoV，屬于珠光體低合金熱強鋼，而噴嘴入口為25Cr2MoVA，屬于中碳耐熱合金鋼，其綜合力學性能良好，熱強性較高，但可焊性較差，在通常情況下，焊接時有形成裂紋的傾向。焊前應預熱，焊后應熱處理，只有有限的焊接熱規(guī)范可能獲得較好的焊接性能，因此該異種鋼焊口有可能因焊接缺陷或焊后熱處理不規(guī)范造成焊口產生裂紋，噴嘴入口與進水管對接施焊時，還可能存在錯用焊材、夾渣、裂紋等焊接缺陷，以上原因均可能導致異種鋼焊口部位產生裂紋，長期運行后最終斷裂。

經金屬室對斷裂焊口檢驗確定，焊材未用錯（R317），硬度合格，經與金屬、焊接專業(yè)討論，存在如下可能性：推測焊接后未立即進行熱處理，導致產生延遲裂紋，后隨減溫器筒體整體熱處理，硬度合格，但裂紋已經產生。分析認為熱處理不規(guī)范產生延遲裂紋是造成焊口斷裂的重要原因。

減溫器的噴嘴入口與進水管之間是異種材質焊接，減溫器設備制造廠要在焊材選用、焊接、焊前預熱，焊后熱處理等環(huán)節(jié)嚴格執(zhí)行焊接工藝，并建立完善的焊接質保體系，做到壓力到位、責任到人。制造廠焊工施焊后在焊縫處要打上焊工鋼印號，便于追溯責任及提高施焊質量。把減溫器噴嘴入口與進水管選擇同種材質（如同為12Cr1MoV），避免存在異種材質焊接問題。

今后公司機組檢修中對減溫器各部位焊口進行重新焊接時，則應在焊接和熱處理的過程中加強過程控制和質量監(jiān)督。

上述改造改進了噴水減溫器的運行模式以及對噴水減溫器噴頭進行了更換，同時對焊縫進行細致的處理，解決了軸封母管焊縫脫落的問題。

4 關于低壓軸封母管焊縫脫落問題的思考

通過上述分析、改造與實際效果驗證，可看出該軸封系統(tǒng)在設計上存在的問題。軸封系統(tǒng)在運行過程中未進行細致監(jiān)測，管道內存在積水，同時上下管道溫度差過大，造成焊縫脫落、穿孔等一系列問題，加之缺陷處理過程不夠完全按照規(guī)程，缺陷重復發(fā)生。

因此，除了上述的在原設計基礎上進行改造外，解決問題最根本的辦法還是對軸封系統(tǒng)的重新設計。一方面噴水減溫器及其后的軸封母管盡可能向低壓軸封傾斜，確保母管低溫側末端低于噴水減溫器，且在母管末端底部增設疏水點，接入噴水減溫器后低壓軸封母管疏水管路應增大管道直徑，保證管道底部疏水暢通，閥門應長期開啟狀態(tài)。另外一方面更換新型噴頭，霧化效果更好，混合降溫更加充分，滿足現場管路需求。而不必采用改造中所使用的噴水減溫器水源，同樣簡化了結構、降低故障風險，能夠使設備更加可靠[2]。

5 結語

汽輪機軸封系統(tǒng)的穩(wěn)定，直接關系到汽輪機能否安全和經濟運行。對于設備調試和生產運營期間出現的一系列不正?，F象，必須引起足夠的重視。一方面，在運行中應加強監(jiān)控，及時發(fā)現異常情況，并采取有效措施，防止事故的擴大；另一方面，對長期存在而且反復發(fā)生的設備缺陷，不得視而不見，如果缺陷得不到有效解決的，就必須進行更改，以確保設備正常運行。對上海1000 MW汽輪機軸封系統(tǒng)改造的研究和現場實踐，不僅解決了問題也提高了機組運行的安全性和經濟性，具有一定的實用價值，值得同類型其他機組借鑒。