900MW汽轮机中压缸首级静叶与第一级动叶损伤分析

王恩来，乐联敏

（1.上海上电电力工程有限公司，上海 200090；2.上海外高桥第二发电有限责任公司，上海 200137）

1 900MW机组概况

上海外高桥第二发电有限责任公司（以下简称外高桥第二发电厂）6号机组（900MW），系德国Siemens AG公司制造。采用超临界压力、单轴、四缸四排汽、中间再热凝汽式机组。中压缸为整体组装，汽轮机部分的缸体水平对分具有双缸体构造；反动式、双流2×13级反动级，每侧包括1级低反动度叶片和12级扭叶片，共26级叶片。中联门由中压主汽门与中压调门两部分阀壳合为一体，中联门安装在中压缸两侧，中联门与汽缸通过法兰直接相连无导气管；阀门支撑于弹簧支架上对汽缸附加力较小。中压主汽门与中压调门采用液压调节的油动机进行控制，阀门动态控制性能好。高压高温的再热蒸汽通过进汽通道从中压主汽门进入中压调节门，再通过扩散嘴进入中压缸内缸，如图1所示。

2 中联门及中压缸运行状况

6号机组自2004年10月投运以来，共进行B级检修2次，C级检修5次，机组运行情况正常。2012年9月3日至11月22日，进行投运后的第三次B级检修。

图1 中联门结构

2.1 中联门运行状况

1）检查中压调门 解体中压调门A，发现材质为司太利合金的阀座硬质合金密封面全周有多处裂纹，如图2所示。轻敲合金密封面有明显脱壳声。解体中压调门B，发现在阀座硬质合金密封面的5—7时点位置，有条裂纹长4～5cm。

图2 调门A阀座密封面裂缝

图3 主汽门A阀座密封面脱落

图4 主汽门B阀芯密封面脱落

2）检查中压主汽门 分别检查中压主汽门A、B阀体，发现中压主汽门A阀座硬质合金密封面几乎全部脱落，仅剩20cm，阀芯密封面有明显压痕现象，如图3所示。中压主汽门B阀座硬质合金密封面全部脱落，阀芯硬质合金密封面全部脱落，阀芯损坏严重，如图4所示。在中压主汽门A腔室和B腔室中，没有找到脱落的硬质合金密封面碎片。使用内窥镜从中低压联通管法兰孔进入中压缸内缸与外缸间，发现中压缸内缸进汽道的首级静叶与第一级动叶表面损伤严重。

2.2 中压缸运行状况

1）检查动叶 吊离中压缸上缸后，发现第一级动叶（全周）受硬质合金密封面碎片撞击，损坏较为明显，叶片表面呈现不规则细小凹坑，深度为0.1～0.5mm。金属碎片嵌入动叶与叶顶围带，如图5所示。金属碎片大小不均，颗粒度重约0.01～1.50g。第二级动叶表面（全周）受金属碎片撞击，呈现分散的少量轻微损伤点。自第三级动叶起至末级（第十三级）动叶，受金属碎片撞击损坏不明显。检查发现，末级动叶围带、次末级动叶围带（全周）有轻微磨损翻边。

图5 第一级动叶损坏严重

图6 首级静叶隔板缝内嵌有碎片

2）检查静叶 吊离转子后检查中压缸下半部分，发现首级静叶隔板缝隙内（全周）多处嵌有不规则硬质合金密封面碎片，如图6所示。首级静叶（全周）受金属碎片撞击损坏明显，而且首级静叶多处磨损与撕裂并呈现静叶流道变形现象，如图7所示。从第二级静叶起至末级（第十三级）静叶受金属碎片撞击损坏不明显。末级静叶围带（全周）有轻微磨损翻边。

图7 首级静叶磨损、撕裂及流道变形

3 首级静叶和第一级动叶损伤分析

1）叶片损伤严重 中压缸第一级动叶材质主要是12%Cr钢（压延、锻造），首级斜置静叶材质是 X12CrMoWVNbN10－1－1。中压主汽门 A阀座和B阀座硬质合金密封面脱落、中压主汽门B阀芯硬质合金密封面脱落，碎片进入中压缸进汽流道是造成中压缸首级静叶与第一级动叶损伤的直接原因。

2）密封面内外温差较大 机组解列24h后，当主蒸汽压力、再热蒸汽压力小于0.15MPa，高压进口管道蒸汽温度小于370℃，中压缸内缸金属壁温小于400℃时，投入快冷装置。此时，中压调门、中压主汽门阀座的温度约为400℃，现场环境温度约为28℃，阀座硬质合金密封面内外温差约为350℃。较大的温差应力引起合金密封面与阀体（阀芯）焊缝处产生裂缝和起壳，最终导致硬质合金密封面碎片掉落，随再热蒸汽进入中压缸进汽道，损伤中压缸首级静叶与第一级动叶。

3）密封面与阀体面的焊融不佳 针对中压调门A阀座硬质合金密封面焊缝面呈现多处裂纹和起壳问题，对取下的部分硬质合金密封面材料样品进行材质分析，发现合金密封面与阀体表面的焊接融合度不良。而垂直安装的中压主汽门阀座，在液压执行机构作用下以及阀芯自重作用关闭时的向下撞击力非常大，使得发生裂纹的硬质合金密封面加速老化和碎裂，随着再热蒸汽进入中压缸进汽道冲刷首级静叶与第一级动叶。

4）合金材质的硬度偏高 将中压调门A内取出的一块硬质合金密封面碎片作为堆硬层小样，厚约5mm，宽约60mm，对异种合金材料焊接进行光谱分析，检测结果如表1所示。

表1 光谱分析结果

由硬质合金密封面（堆硬层）和阀座（基体）分离面的形貌宏观检验表明，堆硬层与基体的分离不是一般断裂，而是一种剥落，说明堆硬层和基体融合度不好。标准Stellite 21（司太利合金粉末）硬度为HRC28，而硬质合金密封面（堆硬层）的实测硬度为维氏显微硬度，接近500（合HRC45以上），这一检测结果说明硬质合金材质的硬度较高，这可能与机组停服役过程中，中压主汽门阀座与阀芯的撞击硬化有关。

4 检修与处理

1）剔除撞击粘连在第一级动叶汽道与围带处的合金密封面碎片，剔除嵌入静叶与隔板缝隙内合金密封面碎片，避免残余金属碎片在机组启动和运行时掉落损伤后级动叶与静叶。为了防止粘连的金属碎片在运转时掉落，可能引起中压缸转子失去平衡，产生振动，影响机组安全运行，对中压缸第一级动叶根部表面做超声波探伤，对第一级动叶表面（全周）做着色探伤。

2）为了降低因第一级动叶表面受金属碎片撞击影响以及首级斜置静叶变形，在处理过程中为了保证喷嘴端壁面的几何形状以及调节级和第一级喷嘴与动叶相对距离，使用微型合金磨头打磨首级静叶表面裂纹处，在打磨撕裂部分做圆滑过渡处理并进行着色探伤。

3）打磨末级动叶围带、次末级动叶围带翻边处；打磨末级静叶围带翻边处。

4）处理中压缸首级静叶和第一级动叶的原则，是不改变Siemens AG公司设计制造将蒸汽中颗粒轨迹作为密度和速度的函数进行模型分析后制作的流道几何形状，减少高温高压蒸汽在中压缸第一级动叶流道内动能损失、首级静叶流道内涡流损失。

5 预防措施

1）措施一 机组运行和调停时，要密切注意中压主汽门和中压调门再热蒸汽流量的变化趋势，切实做好对应阀门再热蒸汽泄漏量的记录。在机组检修期间，要对泄漏量较大的中压主汽门、中压调门，检查其阀座与阀芯硬质合金密封面的密封度、是否起壳、着色探伤、检查有无裂纹等安全状况。要及时处理损坏的合金密封面，避免碎片随再热蒸汽冲入中压缸进汽道损伤动叶与静叶。

2）措施二 机组停役后，快冷装置的投用除严格控制再热蒸汽压力小于0.15MPa，高压进口管道蒸汽温度小于370℃，中压缸内缸金属壁温小于400℃的同时，快冷装置投用开始时真空泵空气抽吸量调节控制真空度要小于或等于50%，避免低温空气大量进入，引起阀座硬质合金密封面内、外过大温差应力，产生裂纹与起壳。

6 结语

由于超临界900MW汽轮机中压缸首级静叶和第一级动叶的备品制造较长，故这次B级检修未能从根本上解决中压缸首级静叶和第一级动叶损伤问题。外高桥第二发电厂已经与德国Siemens AG制造商进行积极商务与技术洽谈，设备部已经着手制订详细机组检修计划，实施中压缸首级静叶和第一级动叶的更换准备工作。