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158型汽轮机隐蔽缺陷原因分析及处理关瑞中（福建晋江天然气发电有限公司，福建晋江36 2 2 5 1）摘要：介绍15 8 型汽轮机在首次整机大修过程中，在缸体内部出现的隐蔽缺陷，通过对设计、制造、运行及技术监测结果的全面分析，判定缺陷产生的原因，并有针对性的制定消除缺陷的技术措施进行处理，经过再次检修验证了方案的正确性，使一些重大隐蔽缺陷得以消除，大大提高了设备的健康水平和机组的可靠性。关键词：S109FA发电机组；15 8 型汽轮机；隐蔽缺陷；激光熔覆中图分类号：TK2680引言158型汽轮机是在美国GE公司设计的D10型汽轮机的基础上改进而来，是S109FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组配套的主机设备，分为高中压缸和低压缸两部分，高中压共用一根转子和一个缸体，高压端与燃气轮机连接，低压转子与发电机转子连接。某电厂安装有4台套S109FA单轴燃气-蒸汽联合循环发电机组，汽轮机形式为三压、一次中间再热、单轴、双缸双排汽、冷凝式汽轮机；级数为高压12 级、中压9 级、低压6 x2级；其技术参数为高压缸进汽压力为9.6 5 MPa、温度为5 6 5，中压缸进汽压力为2.18 MPa、温度为5 6 5，低压缸进汽压力为0.3MPa、温度为30 0。在对多台蒸汽轮机在大修解体时，发现隔板裂纹及缸体变形等平时运行时不易发现的隐蔽性较强的缺陷。1隐蔽缺陷1.1隔板裂纹某电厂1#机组2 0 16 年第一次进行联合循环机组整机大图5 应变分析结果出。同材料下其他直径封头的安全压力P=DxPa,式中,D2000为封头实际直径。其他材料椭圆封头安全压力P-xP,式中，235,为该材料的屈服强度,P.为该直径下Q235B材料封头的安96设备管理与维修2 0 2 3No10（上）文献标识码：BDOl:10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10.32ESTRH2.871e-0042.655e-0042.439e-0042.223e-0042.007e0041.791e-0041.575e-0041359e-0041.144e-0049.277e-0057.118e-0054.9590-0052.800e-005修，大修项目主要包括汽轮机高中压缸及低压缸本体揭缸解体检修、燃气轮机整机检修、发电机抽转子检修等。在汽机本体揭缸解体后，对汽轮机缸体、隔板、叶片及中分面螺栓等高温部件进行着色、超声检测，检测部件表面及组织内部是否存在裂纹等隐蔽缺陷，检测结果显示高压一、二级隔板、中压一级隔板多处出现裂纹，位置在喷嘴与内环之间的焊缝处，且裂纹最深处达70mm，几乎是贯穿性裂纹。某电厂2#机组2 0 18 年第一次进行联合循环机组整机大修，主要检修项目与上述1#机组检修项目基本一致。在对隔板等高温部件进行无损检测时，发现中压第一级隔板围带处裂纹。上半部隔板发现4道裂纹，下半部隔板发现3道裂纹，裂纹长度6 0 130mm，上、下部隔板中分面静叶处各有1道裂纹，长度6 0 mm。1.2缸体裂纹某电厂2#机组在2 0 18 年的大修过程中，无损检测结果显示高中压缸上缸过桥段出现裂纹，长度约36 0 mm、深度约5 0 mm。在3#机组第二次大修期间，通过无损检测，在高中压缸下缸、中人全压力，为工业生产中封头的应EHA2000用提供参考依据。1.8参考文献1 GB 150-2011,压力容器 S.2唐超.外压标准形封头的计算法设计 J.石油化工设备,19 9 2(6)：17-19.3唐超，陈纤.外压凸形封头设计计算方法探讨 J石油化工设备，1990(6):27-29.【4徐毅，李喜华.外压容器的设计计算 J.机械工程师,19 9 7(2)：19.5谢铁军，寿比南，王晓雷，等固定式压力容器安全技术监察规程释义 M.北京：新华出版社，2 0 10.1.41.61.21.41.01.20.80.61.00.80.60.40.2母材厚度/mm图6 封头安全内、外压曲线【编辑张韵维护与修理0.40.268101218压进汽口处发现两处裂纹，长度约15 0 mm，深度在5 0 mm左右(图1)。裂纹长度36 0 mma）2#机组高中压缸上缸图1高中压缸缸体裂纹1.3高中压缸缸体中分面变形某电厂3#机组2 0 19 年第一次进行联合循环机组整机大修，主要检修项目与1#机组检修项目基本一致。在缸体中分面密封性检查时，发现高中压外缸中分面有明显漏气痕迹（螺栓编号19#35#），汽缸下半中分面过桥位置有约0.5 0 mm厚的氧化皮，汽缸上半中分面过桥处局部有约0.10 mm凹痕。空缸试扣检查结合面间隙超标，自由状态外侧最大间隙为1.7 0 mm，内侧最大间隙为1.5 0 mm;冷紧1/3螺栓外侧最大间隙为0.45 mm，内侧最大间隙为0.5 0 mm;热紧1/3螺栓外侧最大间隙为0.2 0 mm，长度2 0 mm，内侧最大间隙为0.10 mm，长度15 mm。汽缸中分面螺栓紧固按照伸长量设计标准的上限值的技术措施，机组启动后中分面仍有漏汽现象，将2 1#、2 3#、2 5#、2 7#螺栓螺母拧紧弧长增加15 螺栓伸长量增加约0.13mm，仍无法消除漏汽现象。自由状态下中分面间隙如图2 所示。2原因分析某厂联合循环发电机组为两班制运行的调峰机组，每天早上在用电高峰来临之前机组启动并网为电力系统提供电力能源，晚上用电低谷时机组与电网解列停机。启动运行状态有热态启动，即当天晚上机组停运与电力系统解列、第二天早上机组启动与电力系统并网；温态启动，即当天晚上机组停运与电力系统解列、隔1 2 天后机组启动与电力系统并网；冷态启动，即当天晚上机组停运与电力系统解列、3天以后机组启动与电力系统并网。机组启动与电力系统并网时间、停运与电力系统解列时间，则根据电网需求、按照省调度中心的指令进行启停机操作。2.1隔板及缸体产生裂纹在机组启停过程中，高中压缸由于进汽、退汽操作造成内部温度一直处在不断的变化之中。正常运行时缸温有6 0 0，热态启动即停机退汽后至第二天启动前缸温降至45 0 左右，出现15 0 的温度变化；温态启动会出现约2 5 0 的温度变化；冷态启动出现约5 5 0 的温度变化。一冷一热、一膨胀一收缩，使高温状态下的金属部件不断受冷热交替的变化，金属部件在多次频繁的冷热之间交替变化后产生交变应力，金属材料组织之间会因疲劳而产生裂纹或变形。2.2高中压缸体变形(1)缸体材料为ZG15Crlmo1V的铸件,属于珠光体耐热钢，导热系数小，热膨胀系数大。在两班制运行、机组每天启停的运行工况下，金属在升温、降温两端不断的变化，汽轮机在启动和1.71.35裂纹长度15 0 mm1b）3#机组高中压缸下缸停机过程中上下缸容易产生温差，通常情况下上缸的温度高于下缸，上缸温度高热膨胀就大，下缸温度低热膨胀就小。长期的冷热交替变化和上下缸温差造成的膨胀不均匀，使缸体出现永久性变形。机组在运行时由于螺栓将上下缸紧固在一起成为一个整体，变形表现的并不明显，但在机组大修将缸体中分面螺栓拆除后，使上下缸体在自由状态下时，变形就显现出来了。（2)汽轮机缸体在制造过程中，由于回火处理不够充分，存放消除应力的时间较短，残留的铸件应力及加工应力没有得到充分的释放，在机组组装投运一段时间后，在高温与应力相互作用下，导致缸体出现变形。（3)机组在运行过程中，上下缸温差要求在5 0 以下，且越低越好，而机组运行一段时间后，因为下缸保温下沉等因素，使缸体与保温之间产生缝隙，出现上下缸温差增大甚至超过标准值(5 0）的现象。3隐蔽缺陷处理3.1隔板裂纹的处理叫（1)清理：打磨待补焊隔板上半中分面叶根、叶顶裂纹处呈金属光泽，打磨后进行PT着色探伤检查，若无缺陷则采用丙酮清理，补焊区域及周围2 0 mm范围不允许有油污等影响焊接的质量污物存在，若发现缺陷，打磨去除后重新检查及清理。(2)焊接：采用手工钨极氩弧焊进行补焊，焊前对补焊部位预热5 0 15 0，焊材及焊接工艺参数如下：焊丝为ERNiCr-3；规格为2.0；极性为直流正接；电流为9 0 140 A。导叶出汽边111110.9110.80.60.200.5过桥处高！0.550.5+0.75141.310.41中压！缸1.410.311111.41图2 高中压缸中分面间隙0.750.500.500.550.450.451.311.5维护与修理设备管理与维修2 0 2 3No10（上）97进行补焊，需在出汽边待补焊位置下部垫紫铜板，之后采用氩弧焊补出叶片型线，待后续修磨。(3)清磨：按设计要求对焊接处进行打磨清理，与母材圆滑过渡，满足PT探伤要求。(4)钳修：钳工修磨进出汽边补焊处至与导叶型线相符。(5)检查：对补焊处进行着色探伤检查，要求不得有裂纹、未熔合、气孔，夹渣等缺陷。如发现超标缺陷，按上述工艺进行返修。3.2缸体裂纹的处理(1)消缺：采用旋转锉最小量将缺陷去除干净，消除前要记录裂纹长度，消缺时旋转锉从裂纹两端向中间运动以消除缺陷。采用 8 mm金刚钻头在裂纹两端打止裂孔，止裂孔距离裂纹尖端5 mm,深度大于裂纹深度5 mm,PT着色探伤检查确认缺陷去除干净。(2)打磨：用旋转锉修磨消缺区域，与母材圆滑过渡，不得有棱角尖角区域，修磨出适宜焊接的坡口,将止裂孔最深处四周修磨圆滑以便于焊接。将坡口及两侧5 0 mm范围内打磨至露出本体金属光泽。(3)清理：焊接前将坡口表面及其周围30 5 0 mm的范围内的水、油、油漆、污垢等影响焊机质量的杂质清理干净直至露出本体金属光泽,用丙酮清理焊接坡口及附近2 0 mm区域范围，不得有影响焊接的污物杂质存在。（4)焊接：先采用敷焊层焊接，再进行填充焊焊接，两种焊接方式相同的要求有焊接方法均采用手工电弧焊。焊接参数：焊接材料ENiCrFe-1;规格2.0/3.2；极性直流正接；电流2.0焊条5 0 8 0 A、3.2 焊条8 0 110 A。不同的要求有：敷焊层焊接。预热及道间温度要求：焊前用氧气乙炔火焰将坡口及周围2 0 mm范围区域均匀预热至2 0 0 2 5 0，焊接过程中道间温度保持在此温度区间，用红外线测温仪随时监控温度的变化。焊条用前烘干并存放在保温桶内随用随取。焊接要求：在保证焊接质量的前提下，采用小电流、短弧窄道分段对称焊接；沿坡口内表面均匀焊接3 5 mm敷焊层；焊接过程中及时清渣，如发现裂纹、未熔合夹渣及气孔等缺陷，及时清除重焊；焊接过程中要保证道间温度符合要求，焊后立即保温冷至5 0 以下。检查：用砂轮机抛光焊缝表面，对焊缝表面及附近2 0 mm范围内区域进行PT着色探伤检查确认无缺陷后进入填充焊焊接工序；填充焊焊接。预热及道间温度要求：焊前不需要预热，焊接过程中道间温度50,用红外线测温仪随时进行监控温度的变化。焊接要求：在保证焊接质量的前提下，采用小电流、短弧窄道分段对称焊接；焊接时引弧、熄点错开，焊肉向工件本体圆滑过渡；焊接过程中及时清渣，如发现裂纹、未熔合夹渣及气孔等缺陷，及时清除重焊；焊接过程中需保证道间温度5 0。(5）焊后质量检验：焊后将焊缝表面打磨修整光滑，与母材本体圆滑过渡。在焊缝处及附近2 0 mm范围内区域按NB/T47013承压设备无损检测进行着色及超声波无损探伤检测，不得出现任何裂纹、未熔合夹渣及气孔等缺陷，即可判定为合格。如发现上述缺陷及时消缺补焊，同一位置累计补焊次数不超过2 次。3.3高中压缸缸体中分面变形的处理3.3.1修前检测(1)汽缸上缸检测：左侧存在0.8 mx0.15m区域凹陷,汽缸98设备管理与维修2 0 2 3No10（上）右侧存在1.2 5 mx0.15m区域凹陷，最深处凹陷达0.5 mm。(2)汽缸下缸检测：右侧中段存在多处10 mmx10mm铸造缺陷及两处裂纹缺陷，最长裂纹达30 mm，裂纹深度达2 6 mm。(3)空缸中分面间隙检测：缸体整体间隙超标，局部区域间隙在0.9 mm以上，外延间隙为0.15 1.7 mm；内壁间隙为0.31.5 mm。（4)缸体材料检测：进行光谱检测，确定缸体材料，以此为依据选择化学成分与其一致或接近的修复材料。3.3.2缸体修复采用激光熔覆工艺进行修复。其特点是热输人小、热影响区小，且工件不变形，熔覆层与母材结合强度高，熔覆层成分调整范围大；激光熔覆工艺能实现由底层、中间层及面层组成的各具特点的梯度功能材料的熔覆加工。底层具有与基体浸润性好、结合强度高等特点，中间层具有一定强度和硬度、抗裂性好等优点，面层具有较好的耐蚀性、耐磨性，使被修复工件的安全性及使用性能更加有保障。其工艺要求是基体材料在激光加工过程中表面微熔，微熔层仅为0.0 5 0.1mm，热影响区为0.1 0.2 mm；激光加工过程中工件本体温升不超过8 0。根据缸体母材选择 NiCr-3(镍基)材料。3.3.3修复后探伤检测对缸体凹陷及变形部位进行激光熔覆修复后，通过超声波冲击强化振动去除应力，进行PT着色无损探伤检查，确保修复部位完整、无气孔、裂纹等缺陷。3.3.4研磨修复及间隙检测先研平上半缸并以此为基准，刮研下半缸结合面。首先在清理干净的上缸结合面上均匀涂一层红丹粉，扣空缸并冷紧1/3螺栓，消除汽缸垂弧后，用塞尺测量中分面内外间隙。根据测量数据及在汽缸结合面上压出的痕迹分析确定下缸结合面上应刮研的部位及需刮研金属厚度。为防止刮修过量，在汽缸结合面上选定的刮研基准点，面积大于 30 mm。从刮研量最大部位开始，逐渐向四周扩大，每次修磨量尽量小。修磨时以上缸为基准在结合面纵向及横向反复对研，检查接触情况。研磨后空扣缸检查，冷紧1/3螺栓最大间隙为0.0 5 mm塞尺通不过、热紧1/3螺栓最大间隙0.0 2 mm塞尺通不过为止。4结束语汽轮机本体出现的裂纹及缸体变形等隐蔽缺陷，与机组的两班制运行方式存在着直接关系，要尽可能减少机组启停次数、增加机组运行在网时间，来减少因机组频繁启停、进汽或退汽时温度的变化对金属部件的影响。同时，在日常的维护过程中，也要做好缸体的保温工作，减少因上下缸温差过大对缸体变形的影响。通过对隔板、缸体裂纹的补焊处理、对缸体变形的激光熔覆的处理，汽轮机各高温部件恢复了原有的状态和性能，消除了本体内部裂纹及缸体变形等潜在的隐患和中分面漏汽现象，提高了机组的安全性和经济性，有力保障连续不断地为电网提供可靠的电力能源。1哈尔滨汽轮机厂有限责任公司.汽轮机工艺规程 Z.参考文献维护与修理【编辑毕来金