某型高压汽轮机中间喷嘴室内腔底部裂纹修理

朱远龙，殷明华

(湛江地区装备修理监修室，广东 湛江 524003)

0 前言

2006年4月，检修某型高压汽轮机主机喷嘴阀时，发现前、后主机中间喷嘴室内腔底部各有1条裂纹。裂纹方向大体平行于两喷嘴阀中心连接，向后偏离阀座边缘约15mm，在喷嘴阀座面向立壁过渡的圆弧面上，前主机裂纹长约180mm(见图1)，后主机裂纹长约220mm(见图2)。

该型高压汽轮机主机设计采用定参数运行，即低工况时蒸汽参数与高工况一致。中间喷嘴阀箱蒸汽参数为蒸汽温度400℃左右，蒸汽压力大于5MPa。采用几只喷嘴阀和与相对应的几组喷嘴组及1只旁通阀的结构。高压汽轮机汽缸为铸焊结构，在汽缸上部焊有左、右及中间3只喷嘴室，中间喷嘴室与阀箱铸成一体。中间喷嘴室安装1#、3#2只喷嘴阀，喷嘴室材质为铬钼合金。

图2 后主机阀内腔底部裂纹图片

1 裂纹产生的原因分析

1)主机在低工况工作时使用了较高的设计蒸汽参数，在初始启动条件下，阀箱热应力加大，易诱发热疲劳损伤。

2)由于阀箱铸钢件本身组织和结晶特点所限，可能存在不可避免的内部缺陷。

3)主机使用强度大且启停频繁，尤其在紧急快速启动情况下易强化疲劳热应力。

2 裂纹产生后的强度分析

如果裂纹的深度小于10mm，进行有限元理论分析静强度计算，即仅对阀箱内表面施加工作压力，计算所得的应力值只是由内表面压力引起。本计算在模型出现裂纹处的缸壁上打磨掉10mm，并对剩余厚度结构进行静强度计算。

1)建立数学模型。喷嘴阀箱为左右对称结构，计算时的几何模型为喷嘴阀箱的一半。划分网络采用四面体单元，对于结构突变的位置进行了细分，并把模型的内壁去掉10mm。网络模型划分了8万个左右单元。

2)边界条件给定。本模型计算所采用的约束设在本阀箱与汽缸连接的焊接处，3个自由度都进行约束，中间对称结构面采用垂直对称面的自由度进行约束。所加载荷仅为阀箱内表面施加的压力，计算时并没有加载温度场以及没有考虑管道推力和调节部套的重量。

3)计算和计算结果。通过计算，得到打磨处中间位置应力最大，最大应力大小为58.184MPa。裂纹处打磨去10mm后剩余厚度部分的强度可以满足使用要求，可不做进一步处理。

如果裂纹深度超出10mm，则强度不够，采用补焊办法来处理，补焊过程中可能会引起阀座等部位变形，影响到阀座密封，所以焊后应复查阀头、阀座研磨封线的密封情况，如果有变形需要重新研磨密封线，保证喷嘴阀的密封性。

3 修复解决方案

1)在裂纹中间部位或无损检测点处作试探性钻孔，孔径D 10mm以下边钻边观察，至无裂纹为止。试探性钻孔，可测量裂纹深度。测得前舱主机裂纹深度最深9mm，后舱主机裂纹深度最深15mm。为保险起见，对小于10mm的前舱主机裂纹同样和后舱主机一样采取补焊的方法进行修复。

2)沿裂纹走向清理和铲磨裂纹，在保证补焊量最小的情况下，沿裂纹走向开槽并适当加工出焊接坡口，在保证质量和操作方便的情况下，焊接坡口应尽量小，以减少焊接量，坡口的形状不应有急剧变化，表面平整，底部平缓无尖角。并将坡口及周围10～15mm范围去除锈斑油污等影响焊接质量的污物，并把喷嘴室内腔打磨光滑，在裂纹两端打止裂孔 (孔径D10mm以内，以裂纹端为圆心，一半孔在裂纹上，一半孔在未裂纹部分)防止裂纹扩展。在采用铲磨和补焊过程中，为了防止消除裂纹或补焊过程中有金属碎屑等杂物掉入喷嘴组内，必须按阀座内孔尺寸制作橡胶板封堵盘 (要有少量过盈)，封堵后四周用黄干油密封，将法兰口等处保护，避免电弧打伤。经着色探伤检查确认裂纹消除后，铲磨工作结束才可施焊。

3)分层焊接，每层焊缝金属及热影响区焊后进行着色检查，不允许存在裂纹、未熔合以及低于母材表面质量要求的夹渣、气孔等缺陷。由于焊接应力和变形直接影响着结构的修理质量和使用性能，必须锤击焊缝可使焊缝金属得到适当延展，从而减少应力和变形，每道焊缝进行锤击，锤击的程度以肉眼可见的锤印为准，并且锤印密集。最后打磨光滑过渡圆弧角，检查阀的气密性，最后做好清洁工作。

此次修理，解决了该型高压汽轮机主机喷嘴阀裂纹的难题，经过使用和定时检查、跟踪，修理质量较好，多次完成重大任务，至今使用6年多没有再出现裂纹问题。