某1000 MW火力发电厂轴封母管焊缝脱落分析与改进措施

陈鹏鹏

（江西大唐国际抚州发电有限责任公司，江西 抚州 344000）

0 前言

某1000 MW火力发电厂汽轮机轴封系统在运行过程频繁出现轴封母管焊缝脱落等问题，该电厂通过历次检修收集轴封系统运行及缺陷处理等相关资料，并组织分析其频发轴封母管焊缝脱落问题的原因，最终通过文中所述方法使问题得到有效解决。对电厂解决同类问题有着一定的借鉴和指导意义；同时对于类似情况的基建、改造项目，在投入使用前也可以参照对比分析，查找是否存在问题，提前采取措施防止类似问题发生。

1 轴封系统介绍

该电厂轴封系统运行图如图1所示，汽轮机的轴封系统采用自密封系统，并有防止汽轮机进水而损坏汽轮机的措施，该轴封汽源由辅汽、冷再、主蒸汽提供供汽。轴封系统由压力调节装置、蒸汽密封分流阀及轴封加热器等设备及相应的阀门、管路系统构成。在机组负荷从20%到100%额定负荷之间时，蒸汽从高压缸的轴封供到总管，从这流到低压缸的轴封，在机组降负荷或者启动时，到高压缸出口部分的蒸汽压力低于大气压时，有辅汽供到高压缸和低压缸的轴封。轴封系统的主要功能是向汽轮机、给水泵小汽轮机的轴封和主汽阀、调节阀的阀杆汽封供送密封蒸汽。高中压前、后端汽封采用高低齿“尖齿”汽封，汽封片采用低硬度铁素体材质镶片，低压汽封采用光轴尖齿结构的铜汽封，汽封环背衬弹簧可退让。

图1 轴封系统运行图

轴封系统在正常运行时，由高中压缸轴端漏气至轴封供气母管。为满足低压缸轴封供气温度要求，轴封供气母管设置一台喷水减温器，通过温度调节控制喷水量，从而实现减温后蒸汽满足低压缸轴封供气的低压轴封系统。减温水系统取自凝结水母管，为了降低厂用电率，增加厂内经济效益，现场实际运行时，长期使用变频凝结水泵，减温水压力为1.3～3.0 MPa；定期工作时，短期使用工频凝结水泵，减温水最高压力达到3.7 MPa。在所有运行工况下，温度调节站均自动维持低压汽封腔室处温度在121～200℃范围。

如图2所示，该电厂轴封母管喷水减温处焊缝经常发生脱落缺陷，经过处理后过段时间仍然出现上述问题，乃至扩大到多处焊缝区域。对喷水减温器进行监测，发现在喷水过程中水量过大，且喷水不均匀，导致低压轴封母管段管底存水，上管道与下管道温差较大。

图2 轴封母管喷水减温处焊缝图

2 低压轴封母管焊缝脱落问题原因分析

该轴封系统在正常运行中，运行方式如下：

1）机组启动及低负荷阶段，轴封供汽由高压辅助蒸汽提供，维持轴封供汽母管压力在30 kPa。

2）当冷再蒸汽压力、温度满足轴封供汽要求，蒸汽过热度不低于14℃、蒸汽温度与调端高压缸端壁温差不超过85℃时，由冷再供轴封并维持轴封供汽母管压力在35 kPa。

3）当高、中压缸轴封漏汽及主汽门、调门的门杆漏汽能满足轴封自密封时，由轴封溢流调节门维持轴封供汽母管压力在45 kPa。

4）低压轴封供汽减温水调节门的温度设定值为180℃。

但低压轴封母管焊缝脱落却重复发生，其原因主要是焊接后材质不能牢固的焊接在原来的焊缝上，导致泄漏。同时监测低压轴封母管运行时温度和压力，主要由三方面造成：（1）喷水减温器喷头损坏；（2）运行时温度调节不到位；（3）焊接工艺不达标。

2.1 喷水减温器喷头损坏分析

喷水减温器是向调温水蒸气直接喷入雾化冷却水，使之蒸发为水蒸气并与调温水蒸气良好混合以降低调温水蒸气温度的装置。

该厂低压轴封母管喷水减温器的结构如图3所示，管道内流动着过热蒸汽，喷水减温器如果能正常工作时，能将冷却水变成雾化水蒸气，加大与管道内流通水蒸气的接触面积，从而更好更全面的减温，而当喷水减温器喷头损坏时，从喷水减温器出口流出的水就直接是冷却水，冷却水与水蒸气接触，使得部分水蒸气能达到降温效果，而大部分蒸气却起不到冷却效果，水温过低直接液化成液态水，积聚在管道底部，水蒸气在管道顶部流动，长期运行过后，管道内上下压力差变大，管道热应力变大，容易塑性变形，造成焊缝脱落穿孔[1]。

图3 喷水减温器结构图

在机组运行过程中，由于通过二级减温器筒体（联箱）的蒸汽温度较高，达到434℃，当减温水没有投入时，减温水进水管温度与过热蒸汽温度相同，当投入减温水时，进水管的管壁温度接近减温水的温度，只有160℃，这样，进水管在温差交变应力的作用下，其焊口处易产生裂纹最终导致其断裂。

2.2 运行时温度调节不到位分析

为了汽轮机本体部件的安全，对轴封供汽的温度有一定要求。如果供汽温度与汽轮机本体部件温度（特别是转子的金属温度）差别太大，将使汽轮机部件产生很大的热应力，这种热应力将加剧汽轮机部件寿命损耗，同时造成汽轮机动、静部分的相对膨胀失调，损坏汽封片和转子轴颈，直接影响汽轮机机组的安全。一般来说，对于高、中压缸轴封供汽温度的合适范围是150~260℃；低压缸轴封的供汽温度应在150℃左右。

因此，轴封供汽母管向高、低压端轴封供汽的管道上均设置喷水减温器，在汽轮机运行的各种工况下调节供汽温度，将轴封供汽的温度控制在合适范围。减温水来自主凝结水，由凝结水经处理装置后引出。

温度调节仅仅只有喷水减温器来调节，喷水减温调节的温度范围大，精确性低，波动较大，受凝结水压力和温度的影响。该厂凝结水泵是变频泵，低负荷时，凝结水流量和温度均小于正常水平，故而喷水减温不能达到很好的效果，反而使得轴封系统内温度和压力更高，容易出现故障；在高负荷时，凝结水流量和温度能满足需求，喷水减温能够达到相应的效果。

2.3 焊接工艺不达标分析

焊缝采用电弧焊，电弧焊是目前最广泛的焊接方法。在焊接焊缝过程中常常因为外部缺陷及内部缺陷导致焊缝不合格，机组一旦运行起来，轴封母管的焊缝立马又出现问题。

外部缺陷指的是缺陷位于焊缝外表面，用肉眼或者低倍放大镜就可以看得到；内部缺陷指的是缺陷位于焊缝内部，这类缺陷可以用无损探伤检验或者是破坏性检验方法来发现。

焊接缺陷容易造成应力集中及脆断。该厂低压轴封母管焊缝缺陷主要是由以下几个原因组成。

2.3.1 焊接形状及尺寸不符合要求

在焊接的过程中，由于焊缝在底部，管壁材质是碳钢T11，管壁厚度8 mm，管径329 mm，而焊缝材质是不锈钢材质，焊接坡口角度极易不当，造成焊缝高低不平，宽窄不均，波纹粗劣，焊缝质量严重不合格，如图4所示。

图4 焊缝缺陷形状

2.3.2 裂纹

如图5所示，该厂在处理焊缝时，焊接材料是不锈钢，钢材强度很大。同时在不利焊接下，管道内水未去除干净，焊接熔池里溶解了水中的氢离子，焊缝金属快速冷却后，大部分氢快速过饱和溶解剂在焊缝金属中，在焊接残余应力的作用下，氢逐渐向产生应力和应变集中的热影响区扩散，并在某些微区域集合。当氢浓度达到某一临界值时，变脆的金属在微小的应变下开裂。并使得开裂部位进一步的扩展，而且会形成宏观裂纹。

图5 冷裂纹形状

3 低压轴封母管焊缝脱落处理方法

综合2.1、2.2和2.3分析可知，低压轴封母管焊缝脱落主要由三方面造成：（1）喷水减温器喷头损坏；（2）运行时温度调节不到位；（3）焊接工艺不达标。

针对喷水减温器喷头损坏的问题，公司委托有技术能力的锅炉制造厂家或科研院所对1、2号汽机二级减温器喷嘴装置进行振动校核，校核的目的是摸清目前喷嘴装置的自振频率及满负荷（215 MW）工况下卡门涡流的频率（激振频率）数值，同时比较二者之间的关系是否满足激振频率/自振频率小于0.75，如不满足，则需要对喷嘴装置进行重新设计。重新设计可采取的措施有增加进水管管径、在喷头端或在喷管上加装托架、改进隔板（钢碗）设计等。如经过校核满足条件，则应委托锅炉制造厂家或科研院所赴现场对喷嘴装置损坏情况进行检查，进一步分析隔板（钢碗）的弹性吸振功能是否消失以及其他可能导致焊口断裂损坏的原因。

对于运行时温度调节不到位，可以改变喷水减温器的来水，用密封水升压泵出口管的水代替凝结水泵出口水，这样能够保证机组在运行时喷水减温的水量和温度都能够符合机组运行要求，便于调温。具体实施如图6所示。

图6 管道改造示意图

针对焊接工艺的问题，积极查询相关资料，了解管壁材质、厚度及焊接工艺，经查阅图纸并咨询金属、焊接专业：喷嘴入口与进水管的连接焊口为异种钢焊接，即进水管为12CrlMoV，属于珠光体低合金热强钢，而喷嘴入口为25Cr2MoVA，属于中碳耐热合金钢，其综合力学性能良好，热强性较高，但可焊性较差，在通常情况下，焊接时有形成裂纹的倾向。焊前应预热，焊后应热处理，只有有限的焊接热规范可能获得较好的焊接性能，因此该异种钢焊口有可能因焊接缺陷或焊后热处理不规范造成焊口产生裂纹，喷嘴入口与进水管对接施焊时，还可能存在错用焊材、夹渣、裂纹等焊接缺陷，以上原因均可能导致异种钢焊口部位产生裂纹，长期运行后最终断裂。

经金属室对断裂焊口检验确定，焊材未用错（R317），硬度合格，经与金属、焊接专业讨论，存在如下可能性：推测焊接后未立即进行热处理，导致产生延迟裂纹，后随减温器筒体整体热处理，硬度合格，但裂纹已经产生。分析认为热处理不规范产生延迟裂纹是造成焊口断裂的重要原因。

减温器的喷嘴入口与进水管之间是异种材质焊接，减温器设备制造厂要在焊材选用、焊接、焊前预热，焊后热处理等环节严格执行焊接工艺，并建立完善的焊接质保体系，做到压力到位、责任到人。制造厂焊工施焊后在焊缝处要打上焊工钢印号，便于追溯责任及提高施焊质量。把减温器喷嘴入口与进水管选择同种材质（如同为12Cr1MoV），避免存在异种材质焊接问题。

今后公司机组检修中对减温器各部位焊口进行重新焊接时，则应在焊接和热处理的过程中加强过程控制和质量监督。

上述改造改进了喷水减温器的运行模式以及对喷水减温器喷头进行了更换，同时对焊缝进行细致的处理，解决了轴封母管焊缝脱落的问题。

4 关于低压轴封母管焊缝脱落问题的思考

通过上述分析、改造与实际效果验证，可看出该轴封系统在设计上存在的问题。轴封系统在运行过程中未进行细致监测，管道内存在积水，同时上下管道温度差过大，造成焊缝脱落、穿孔等一系列问题，加之缺陷处理过程不够完全按照规程，缺陷重复发生。

因此，除了上述的在原设计基础上进行改造外，解决问题最根本的办法还是对轴封系统的重新设计。一方面喷水减温器及其后的轴封母管尽可能向低压轴封倾斜，确保母管低温侧末端低于喷水减温器，且在母管末端底部增设疏水点，接入喷水减温器后低压轴封母管疏水管路应增大管道直径，保证管道底部疏水畅通，阀门应长期开启状态。另外一方面更换新型喷头，雾化效果更好，混合降温更加充分，满足现场管路需求。而不必采用改造中所使用的喷水减温器水源，同样简化了结构、降低故障风险，能够使设备更加可靠[2]。

5 结语

汽轮机轴封系统的稳定，直接关系到汽轮机能否安全和经济运行。对于设备调试和生产运营期间出现的一系列不正常现象，必须引起足够的重视。一方面，在运行中应加强监控，及时发现异常情况，并采取有效措施，防止事故的扩大；另一方面，对长期存在而且反复发生的设备缺陷，不得视而不见，如果缺陷得不到有效解决的，就必须进行更改，以确保设备正常运行。对上海1000 MW汽轮机轴封系统改造的研究和现场实践，不仅解决了问题也提高了机组运行的安全性和经济性，具有一定的实用价值，值得同类型其他机组借鉴。