汽轮机末级静叶片焊缝冲蚀原因分析及修复措施

张志国，雷霞

（中国石油兰州石化公司石油化工厂，甘肃兰州 730060）

1 概述

某公司24 万t/a 乙烯装置丙烯制冷压缩机GB-501/T 是日本三菱公司生产的离心式压缩机组，汽轮机为抽气凝汽式，正常转速4 738 rpm，供气压力3.9 MPa，温度400℃；抽气压力为0.34 MPa，温度173℃；排气压力为0.011 MPa（A），温度47.7℃；复水器控制压力为-70 kPa，温度35℃。机组自2003年投用以来从未解体检查汽轮机动、静转子内部情况。2019年大检修对汽轮机进行解体检查，发现末级静叶片焊缝处存在严重的冲蚀沟槽。

2 汽轮机解体检查

2019 年装置大检修期间对汽轮机进行解体检查，转子除第十一级一条围带有轻微碰撞变形外无明显缺陷。将转子清理干净，其表面非常光滑，做表面无损检测，未发现缺陷。将轻微变形围带矫形修复后做动平衡，结论符合要求。

对上下缸体及隔板组件检查，发现在第十一级（末级）静叶栅背弧出汽侧静叶片和固定静叶片的外环焊缝处有宏观沟槽。沟槽宽约0.5 mm，深度约2 mm，沿焊缝方向和静叶片弯曲一致，贯穿整条焊缝长度（见图1）。该级静叶片本身只有少量污垢，除去污垢叶片表面圆润光滑无缺陷。打磨焊缝消除沟槽后做表面无损检测，沟槽底部未见延伸裂纹。

图1 第十一级静叶片焊缝冲刷沟槽

机组凝液日常取样分析pH值都在8以上，即使有不合格样品pH 值也是偏离上限（见表1），电化学腐蚀的概率极低。机组入口蒸汽压力和温度受外界管网影响有时会偏离汽轮机设计要求。

缺陷呈现宏观沟槽外观且与流向有明显关系特征，结合汽轮机日常运行情况，并考虑汽轮机末级所处工作环境蒸汽湿度较大，判断为液滴冲蚀所致。

3 冲蚀原因分析

1）冲蚀机理

表1 GB501T 凝液分析数据

在汽轮机末级蒸汽湿度大，汽流中夹带的液滴随蒸汽冲击叶栅。液滴高速撞击叶栅表面会产生几倍于水锤的撞击压力。同时冲击波引起高能量微射流，在高能微射流的作用下，加速破坏冲击区域的深点坑。在液滴的连续撞击下，表面材料迅速剥落，直到表面出现许多较深的凹坑、裂纹。由于裂纹内部的金属材料没有保护层，蒸汽夹带液滴继续吹扫，最终出现宏观沟槽。

2）末级静叶栅焊缝冲蚀严重的原因

液滴冲刷速度影响冲蚀磨损量，液滴冲蚀磨损量与冲蚀速度的关系可用式（1）表示：

式中：M为液滴冲刷磨损量，VC临界速度，n临界指数，数值一般在2～5之间，V液滴的冲蚀速度。

临界冲刷速度和液滴直径的关系可用式（2）表示：

式中：C常数，VC临界速度，d液滴直径。

综合（1）和（2）可以发现：液滴直径增大，临界冲蚀速度减小，液滴直径越大，在同等条件下材料越容易出现冲蚀。液滴冲刷磨损量与液滴冲蚀速度和临界速度差的n 次方成正比；液滴冲刷速度越大，磨损量越大；液滴直径越大，冲蚀速度和临界速度的差值也就越大，冲蚀磨损量也会增加。

在汽轮机运行过程中末级叶栅所处环境压力低，温度低湿含量最大，形成液滴的直径也最大。蒸汽在级中流动，压力和速度变化如图2 所示，在静叶片中速度逐步上升，压力逐渐下降，在静叶片出口速度到达最大值，蒸汽进入动叶片后速度和压力都逐步下降，所以蒸汽速度最大出现在静叶片中；同时因动叶片旋转方向和汽流同向，动叶片和汽流的相对速度比静叶片小的多，所以静叶片所承受的冲蚀速度比动叶片大。同时汽流在焊缝处方向改变最剧烈。由此可知汽轮机末级静叶片焊缝处冲蚀磨损量最大，最终在焊缝处出现宏观沟槽。

图2 蒸汽在级中流动

4 修复措施

为了阻断沟槽生长扩展，初步制定了将焊缝沟槽打磨消除至与基体平滑过渡的方案。三菱工程师建议如果沟槽打磨消除后焊缝高度大于5 mm 可不做处理，如果打磨后高度小于5 mm 则焊缝强度不足，无法保证汽轮机下一个检修周期的安全运行。焊缝沟槽打磨消除以后，经过测量高度不足5 mm，需要进行修复。由于叶片较薄，厚度约5 mm，传统电弧堆焊热量输入大，极易造成叶片出现焊接热变形。如叶片变形势必造成与之连接的隔板本体和隔板桦缘相对关系发生变化，进而影响安装和级间蒸汽泄漏量。故修复方案主要考虑的是如何保证隔板组件几何尺寸不产生变化，所以需选择一种输入热量小、无热变形的修复方案。

4.1 激光熔覆技术基本原理

激光熔覆以不同的填料方式在被熔覆基体表面上预置涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时融化，并快速凝固后形成稀释率极低并与基体成冶金结合的表面熔覆层。从而显著改善基体表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性。

4.2 保证几何尺寸措施

如何保证隔板组件修复后的几何尺寸不变是修复工作的关键。为了保证组件几何尺寸不变做了以下几方面的工作：

1）置于工作平台

由于上下隔板组件成对安装，为了保证两者的匹配性修复前将其按照装配关系放置在工作平台上。

2）制作临时工装

因为隔板组件外径较大无成型夹持工具可用，故需现场制作临时工装。临时工装要保证工件在修复过程中不能有位置移动。首先在两个相互垂直的直径方向制作四个支撑点将组件在径向上固定。其次为防止组件的轴向变形，在修复平台上沿隔板组件圆周方向均布8 个固定点，作用力和轴向平行将隔板组件压在修复平台上，见图3。通过对轴向和径向两个方向的限制，保证隔板组件不能自由形变。

3）选择测量点

根据组件特点、熔覆位置和测量可行性，从三个方面选择测量点：

图3 固定隔板组件

a）隔板分上下两部分，工装将组件固定后，中分结合处间隙能表征两隔板的相对位置，故在中分结合间隙处设置8个测量点测量间隙，隔板本体4个，隔板桦缘4个。

b）因隔板本体远离修复点，没有局部热量输入，只可能被整体拉动，且中分面处数据最易发生变化，故取中分面附近2 处和其他3 处作为隔板直径测量点。

c）隔板桦缘外径较大且被多点固定，结合测量可行性选择测量桦缘板上平面和修复平台的高度作为测量点。每个测量点都标记固定，如图4所示。

图4 固定点和测量点

4）测量数据

在对隔板组件进行激光熔覆前定点测量隔板组件的初始数据，如表2所示。

4.3 熔覆材料的选用

激光熔覆材料一般要根据使用性能要求和与熔覆基体的匹配情况来选配。目前激光熔覆材料的设计和选用主要考虑以下几个方面。

1）线膨胀系数相近

激光熔覆层中产生裂纹的重要原因之一就是熔覆材料与基体金属二者的线膨胀系数存在差异。激光熔覆的工艺特点是基材和熔覆层加热和冷却速度极快，过程也不同步，若两者线膨胀系数差异太大，则激光熔覆过程中熔覆层易产生裂纹、开裂甚至剥落。结合相关研究，激光熔覆层材料与基材线膨胀系数之差应满足下式：

表2 隔板组件初始/复核尺寸对比 mm

式中：σ1、σ2分别为熔覆层与基材的抗拉强度；Δα 为两者的线膨胀系数之差；ΔT 为熔覆层温度与室温的差值；E为熔覆层的弹性模量；γ为泊松比。

2）熔点匹配

熔覆材料与基材金属的熔点不能相差太大，否则难以形成与基材良好冶金结合且稀释度小的熔覆层，熔覆质量大大降低。

3）熔覆材料对基材的润湿性

润湿性与表面张力密切相关，表面张力越小液态流动性越好，越容易使熔覆层液相均匀铺展在金属基体表面，具有良好润湿性的材料在激光熔覆过程中可以获得表面成形良好的熔覆层。

4）激光熔覆材料的选用主要按照使用性能和工艺性能选用的原则

通过光谱检测确定隔板组件的叶片材质接近1Cr13，支撑环接近35CrMo。由于该设备缺陷的产生是由于液滴冲蚀所致，根据使用性应选择一种耐磨、耐蚀材料。镍基合金粉末具有良好的润湿性、耐蚀性、高温自润滑作用，主要适用于局部要求耐磨、耐热蚀及抗热蚀的构件。根据《常见激光熔覆耐磨材料的性能和用途表》结合镍基合金粉末膨胀系数与大多数合金钢接近的特点，所以选择镍基合金粉末。修复单位根据用方提供的使用性能要求和基体材质推荐使用Ni24自配镍基合金粉末。

5 修复

将隔板组件加热到80℃，选用全固体光纤激光机进行熔覆。为了保证熔覆质量，修复前随机选取一条缺陷焊缝，单层熔覆，做无损检测。确认无损检测合格后再进行全面熔覆。根据激光熔覆修复工艺，选择光斑直径3 mm、激光功率2.4 kW、扫描速度10 mm/s的工艺参数。多层熔覆，每层熔覆厚度约0.5 mm，三层熔覆后焊缝高度恢复到5 mm以上。熔焊后将隔板组件温度控制在300℃，保温4小时。最后对激光熔覆部位作无损检测，未发现缺陷。

6 尺寸复合

修复后测量焊缝高度均大于5 mm，满足设备的强度要求，去除固定工装复核修复后各点数据如表2 所示，与修复前对比基本无变化，修复后未影响隔板组件的回装及使用。

7 结论

应用激光熔覆技术对焊缝冲蚀沟槽进行修复，恢复了焊缝强度。由于激光熔覆热量输入小，可以完全避免常规焊接修复后无法控制焊接热变形的缺点，为今后此类控制几何尺寸的设备修复提供了很好的借鉴。