1、#2 机组汽轮机中压缸死点销处裂纹的处理摘要：本文对#2 机组汽轮机中压缸死点销根部裂纹的的产生原因进行全面分析，制定了消除裂纹的处理工艺，包括对裂纹进行的挖除补焊工艺及补焊前后打磨工艺以及监测死点销变形的技术措施，并制定了保证机组安全运行的处理方案。 关键词：中压缸死点销裂纹补焊轴向力 中图分类号：TK26 文献标识码： A 文章编号： 概述 元宝山发电厂#2 机为法国 A-A 公司生产的亚临界压力、中间再热、四缸、四排汽、冲动冷凝式汽轮机，1985 年投产。型号：T2A 600 30 4F1044A，额定出力 626.9MW,主蒸汽压力 177.5bar，主蒸汽温度 540，再热蒸汽压力
2、39.5bar，再热汽温度 540。汽轮机总级数 38 级，其中高压缸为调节级+8 级叶压力级（高压缸反向布四置） ，中压缸 9 级压力级，低压缸 522 级压力级（分启式） 。中压缸为双层缸，内外缸为铸钢结构，汽缸材质为 15CDV410（GS17CrMoV511）,死点销材质为 20CDV510。汽机中压缸见下图： 中压内缸依靠其两侧的死点销与中压外缸的死点销槽配合进行轴向定位。使内汽缸可以横向和垂直方向移动。如下图所示： 由于设计不合理，于 1993 年#2 机组大修时发现中压内缸死点销变形，根部出现裂纹，造成中压内缸轴向发生位移，变形量左侧 2.85 毫米,右侧 3.35 毫米。由法国
3、厂家对该汽轮机中压缸死点销进行了改造，加宽加厚了死点销凸台进行。2001 年在中压内缸死点销根部发现裂纹，由法国厂家来人负责进行焊接处理。2006 年大修检查，又发现中压内缸死点销根部与中压外缸死点销槽根部出现裂纹。 发现问题与原因分析 2006 年#2 机大修，分解中压缸完毕，下半内缸吊出。在清扫检查中，发现中压内缸死点销根部和中压内缸死点销槽根部均有明显裂纹。后对裂纹处进行了着色渗透检查，对裂纹的具体情况进行检查。渗透检查如下图所示： 中压内缸死点销裂纹中压外死点销裂纹情况 具体情况为： 中压内缸死点销后侧根部裂纹，左侧销子裂纹长度 280mm，裂纹深度最深约 50mm；右侧销子裂纹长度约
4、 150mm，裂纹深度最深约 48mm。中压外缸死点销槽根裂纹，左侧销槽后根部裂纹长 225mm，最深约 8mm；左侧销槽前根部裂纹长 180mm，最深约 5mm；右侧销槽后根部裂纹长 125mm，最深约 10mm；右侧销槽前根部裂纹长 190mm； 分析#2 机组中压缸死点销裂纹产生的原因主要在以下几方面： 1）中压内缸受轴向力过大，使中压内缸死点销和中压外缸死点销槽后侧受力过大，超过设计允许承载力。中压内缸所受轴向力为中压转子在中压缸内所受轴向力的反作用力，方向向后，与中压内缸死点销处受力平衡，以使中压内缸不产生轴向移动。作用在中压转子上的轴向推力主要由以下几方面组成： I、作用在叶片上的
5、轴向力 Pa1，其可以用公式（1）表示： Pa1=G（C1Z- C2Z）+dl2(P0-P2) （1） 其中 G单位时间内通过流管横截面的气体质量流量； C1Z进口汽流速度在轴向的投影； C1Z出口汽流速度在轴向的投影； d动叶节圆直径； l2叶片出有效高度； 汽轮机级反动度； P0喷嘴进汽压力； P2动叶出口侧压力； II、叶轮两侧的压力差产生的轴向力 Pa2，其可以用公式（2）表示：Pa2=（dl2）d22）1）(12)/4（2） 其中 d2轮毂直径； P叶轮前的汽体压力。 III、当叶轮两侧轴封环直径不等时，所引起的轴向力 Pa3 可以用公式（3）表示： Pa3=（d22d12）P （3
6、） IV、轴封套筒的突肩前后的压差所引起的轴向力 Pa4 可用公式（4）表示： Pa4=0.5d h(P01)（4） 则作用在转子上的轴向推力 Pa= Pa1+ Pa2+ Pa3+ Pa4 汽轮机的结构因素不可能再改变，从公式（1）（4）可以看出，引起汽轮机运行中轴向力增大的因素主要存在两点：动叶前后的压差，即公式（1）中的(P0-P2)，和动叶前压力大小有关，即公式（3）中的P 。造成(P0-P2)增大和 P增大的主要原因为运行中汽轮机叶片结垢，改变了汽流通道的型线和缩小了流通面积，使叶片前后压差增大，级前压力升高。叶轮前后压差增大，运行中的汽轮机叶轮前后压差增大的主要原因是汽封间隙过大，阻
7、汽片损坏，汽封齿损坏等原因使叶轮前后压差增大，引起轴向推力增大。 2） 、死点销的定位面与死点销槽的定位面不平行。中压缸轴向力方向为电端，中压内缸死点销定位面为后侧，与其对应的是死点销槽的后侧面。以死点销根部应力为例，其大小决定位以其为支点的力矩大小。其示意图如下图所示： 当死点销的定位面位与销槽的定位面平行时，死点销受轴向力可等价于力 b，则对于根部 O 处的力矩为 M1=L1b；假如两面不平行，且死点销外侧为受力点，则死点销所受轴向力等价于 a，则对于根部 O 处的力矩为 M2=L1a。其中 a=b，L2=2L1，则 M2=2M1。可见，当死点销定位面与销槽定位面不平行时，根部应力是平行时
8、的 2 倍，应力大大增大，超过强度根限时产生裂纹。 3）死点销本身结构不合理，93 年法国厂家汽缸改造时，加长了死点销，但未考虑到加长处汽缸表面低于上部汽缸表面，造成死点销工作受力时，该处力矩大高于上部。且上次处理后，死点销与销槽根部圆角很小，应力集中严重，结果工作应力超过材料强度极限，开始出现裂纹。 4）死点销与销槽的轴向配合总间隙过小。当受热后膨胀时，死点销的膨胀大于死点销槽膨胀量时，就使死点销槽根部受到很大的应力，使死点销槽根部产生裂纹。这是死点销槽根部产生裂纹的主要原因。 2 处理方案 根据以上分析，要保证机组大修后运行的安全性，制定如下方案： 1） 、对死点销裂纹进行挖除补焊处理，元
9、宝山发电有限公司首次在东北电科院的指导下进行补焊处理。 2）死点销与销槽根部裂纹挖除补焊后，进行打磨处理，制订合理的死点销定位方案，保证中压内缸的正确位置；对结构进行改进，消除造成应力集中的不利因素，将死点销下部补焊垫高，设计合理的根部圆角；保证死点销与销槽的轴向配合间隙在标准之内，参照国产机组，制定其总间隙不得小于 0.60mm，但间隙过大易造成运静磨擦，机组振动，所以其总间隙不得大于 1.0mm；严格保证死点销与销槽定位面平行配合,配合面槽向间隙之差不得大小 0.02mm。 其次消除造成中压内缸轴向推力增大因素，对汽轮机动静叶片进行高压水枪清洗，清除叶片上的积垢；更换缺损的阻汽片和磨损的汽
10、封，减小汽封漏汽；认真仔细的调整通流间隙，减小汽封漏汽造成轴向力增大。 21 死点销裂纹处理前准备 1）做一专用工具，将测量专用工具安装在中压内缸上，用来监测中压内缸死点销作用面的轴向定位。测量数据如下： 测量中压外缸死点销槽前后面距离,测量状态前后面垫片均未拆除。测量结果如图所示： 为保证监测的准确性,中压内缸专用工具安装并测量后不允许进行拆卸。并保证在处理裂纹时不误碰专用工具。 2）工具材料准备： 焊条选择：Ni182 焊条，直径 3.2mm，焊条使用前应 250、1 小时烘干； 焊前预热：氧气、乙炔 焊接电源：320A 硅整流焊机； 22 缺陷处理 1） 裂纹检查及清除 用 100mm
11、电动角磨挖除裂纹； 对死点销根部进行表面着色方法仔细检查，确认裂纹已经消除； 裂纹清除后用电动旋转锉打磨挖除面，并打磨出焊接坡口。 2）补焊处理 委托宁电科研究院金属材料研究所负责焊接。 中压内缸死点销根部补焊 （1）焊接前用氧乙炔进行预热，温度 200-250之间； （2）焊接规范：焊接电流 I=80-110A； （3）用 Ni182 焊条进行焊接，注意引弧与收弧，防止焊接裂纹； （4）93 年法国厂家汽缸改造时，加长了死点销，使死点销下部有100mm 左右长度低于上部汽缸表面，是造成应力集中的原因之一。为避免处理后再次出现裂隙纹，将下部补焊垫高，与上部齐平。 （5）焊后马上用电加热方法进行
12、 400 保温 1 小时后热处理。 死点销槽根部焊接 （1）焊前用丙酮或酒精洗清焊接区域，不得有油污、锈等影响焊接质量的污染物存在。 （2）焊前进行氧气乙炔进行预热，温度 200-250之间； （3）焊接电流 I=80-110A，用 Ni182 焊条进行焊接，注意引弧与收弧，防止焊接裂纹； （4）焊后用石棉布包住缓冷。 23 补焊后处理 （1）内缸死点根部裂纹焊接挖补后送机械车间加工处理，对死点销进行打磨，打磨成 R8 圆角，减少根部应力集中。外缸死点销槽根部裂纹补焊后用电动旋转锉进行修磨处理，修磨成 R8 圆角，减少根部应力集中。（2）对死点销根部及销槽根部进行着色渗透检查，未发现裂纹等缺陷
13、。 （3）处理前后死点销变形情况 恢复处理前状态，测量中压内缸死点销与专用工具间距，与处理前比较，对死点销工作面进行精研磨处理，最终结果为： 测量中压外缸死点销槽前后面距离,测量状态前后面垫片均未拆除。测量结果如图所示： 通过与处理前监测结果对比，发现中压外缸左侧变形较大。后进行试装重做中压缸死点销间隙。就位下半中压内缸于中压外缸，将中压内缸向后顶，用塞尺测量左右两侧死点销后侧与槽间均 0.02mm 塞尺不入。测量死点销前侧与槽间隙，发现左侧间隙 0.02mm，间隙过小。后采取将销槽前侧面垫片磨掉 0.70mm。最终间隙与分解时间隙测量对比如下表： 3结论及建议 对中压缸发现的死点销根部裂纹和外缸死点销槽根部发现的裂纹进行挖除裂纹补焊打磨处理，并且对死点销凸台下部进行了补焊垫高处理，消除了附加力矩。此次处理成功地消除了设备缺陷，能够保证设备的安全运行； 此次大修通过清除了动静叶片积垢，更换修复缺损汽封，调整通流间隙等保证了中压内缸轴向力不过大，消除了造成中压缸死点销根部应力过大的不利因素。 建议下次大修对中压缸死点销根部进行仔细检查。
