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摘要：本文介绍了秦山核电汽轮机叶片210大修中发现次末级叶片的司太立合金层处存在裂纹缺陷，暴露出海南项目汽轮机设备质量问题，通过分析与整理叶片缺陷产生原因及降低叶片再次出现裂纹的风险的方案，总结出海南项目汽轮机管理过程中应关注的重点工作，及建议解决办法。
关键词：核电汽轮机；叶片；司太立合金
1.概述
秦山核电四台HN642-6.41型号汽轮机是由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司（哈汽）与原美国西屋电气公司联合设计、合作制造，分别于2002年4月、2004年5月、2010年10月和2011年12月投入商业运行。
2012年11月，秦山二期电厂2#汽轮机组因振动超标事故停机，经过开缸检查发现是由于次末级叶片断裂，经多次专家会专题会最终判定断裂原因为二级K=9共振疲劳所致。
2013年10月，3#机组303大修期间，发现11片叶片司太立合金片（Stellite Alloy，即通常所说的钴铬钨合金）与叶身交合部位存在线性显示缺陷，其中有4片叶片上的缺陷已延伸至叶片母材；402大修期间，同样发现叶片司太立合金片部位存在较多的线性显示缺陷；2#机组210大修串用海核的两圈（152片）次末级叶片中8 片叶片司太立合金片部位存在线性显示缺陷，运行时间为18 个月。通过哈尔滨汽轮机厂及苏州热工院独立进行失效分析后，中核运行管理有限公司再次召开专家会，确认缺陷根本原因为：钎焊槽的加工、司太立合金片的配合间隙、钎焊材料添补工艺执行与控制等综合因素所引起司太立合金槽根部产生裂纹。
为了彻底消除运行隐患，针对秦山四台机组暴露的低压转子叶片缺陷的处理，专家论证后建议采取措施如下：
1）西屋制造的叶片，通过相控阵检查，对已发现凝似裂纹叶片进行更换；
2）哈汽制造的叶片，已发现缺陷叶片更换，对未发现缺陷叶片返厂退片、加工R角重新焊接、测频、喷丸使用；
3）快速启动改型叶制造，力争在15年大修期分别实现原型叶片替换工作。
上述措施，理论上通过R角和钎焊槽的加工、司太立合金片的配合间隙、钎焊材料添补工艺的改善，叶片出现裂纹的风险可得到解决。由于海南昌江项目叶片制造工艺与秦山3#、4#机组叶片制造工艺完全相同，因此在海南昌江项目机组正式投运前对叶片进行返修，是消除设计使用寿命缺陷的不足，保障机组实现一定周期安全运行的有效措施。
2.海南昌江项目次末级叶片问题处理过程
2.1 海南次末级叶片处理措施
自2012年11月秦山叶片事故之后，根据各方专家意见，海南昌江项目次末级叶片进行了如下检查筛选：
1）在制造厂内进行了调频筛选。
2）在制造厂内进行了荧光磁粉复查。
3）进行了相控阵检查。
2014年6月秦山2#机组210大修时又暴露出次末级叶片在司太立合金附近部位存在严重线性缺陷，海南昌江项目次末级叶片又进一步以优化的司太立合金镶嵌工艺进行返厂返修。
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2.2 司太立合金镶嵌返修难点及解决办法
叶片返修工序：退片→清洗→机加工R角→修磨合金槽/合金片→钎焊前PT→精修配片→钎焊→焊后检查
1）司太立合金镶嵌返修难点与关注点
A. 重复施焊对司太立合金片和叶片基体是否有影响。
B. 司太立合金片与叶片的贴合面间隙要求较高（要求b＜0.4 mm、d＜0.1mm）。在配片过程中能够保证贴合面间隙，但在焊接过程中由于压紧力位置的分布、焊接加热温度和环境温度等多重因素的综合影响，可能导致贴合间隙产生微量变化，产生钎焊层宽度不均匀。
C. 对于R角堆焊层处的RT缺陷无判定依据，R角区域不属于RT评片范围，标准中B/Z93.303只有PT检验要求。R角处缺陷可能产生应力集中等问题，对R角处缺陷需严格控制。
D. 经过改善焊接工艺，并针对性的对昌江项目的合金片槽进行补充加工后，制造厂认为叶片寿命预计在1 年零6 个月和8 年零6 个月之间，期间的安全运行风险不可规避。
2）相关验证及建议措施
A. 重复施焊对司太立合金片的影响的验证
为了考察的昌江核电叶片司太立合金经反复钎焊（6 次）、退片（6 次）处理后的表面状态变化，对比分析了司太立合金钎焊前的原始状态与经反复钎焊、退片处理后的表面形貌、显微组织及硬度。
经反复钎焊、退片处理后的司太立合金片表面未见腐蚀形貌，金相组织、硬度等与原始态的司太立合金无明显差别，验证了司太立合金片可重复利用的可行性。
B. 重复施焊对叶片基体影响的验证
为了考察反复钎焊对昌江核电叶片司太立合金后对叶片基体的影响，采用一只叶片按照钎焊工艺反复钎焊6次之后，对比分析叶片基体与钎焊位置基体的金相组织和晶粒度。
C．司太立合金片与叶片贴合面间隙要求精度较高（要求b＜0.4 mm、d＜0.1mm），需加强叶片监造工作的力度，严格控制焊接过程工艺执行的规范性、RT缺陷手工填充缺陷区域温度的控制和最终抛磨后司太立合金片与母材相邻处的圆滑度。PT所显示的结果与规范标准（B/Z93.303）按区进行评定。
D．应用流-固耦合方法计算479.3mm 叶片动应力，发现司太立合金槽根部处于叶身动应力较高的区域。同时计算也表明，在叶片二阶K9共振时，动应力会上升3倍以上。R角区域内的缺陷，在长期的应力集中下，可能形成裂纹源。故在装配过程中，必须严格控制R角内缺陷，不允许有线性或圆形缺陷等疑似的缺陷。
E．叶片的使用寿命关乎电厂的安全运行，改善工艺后的叶片的使用寿命未得到实际的验证。但是目前650MW核电汽轮机479.3mm叶片优化设计（凸台拉筋式）已通过专家评审，对于海南昌江项目中我们可在第一个大修周期时更换改型形叶片，或选择在参考电站改型形叶片更换后拥有一定运行经验后更换改型形叶片。
3.结语
叶片是汽轮机的心脏部件，处在高应力、高温、腐蚀环境下工作。汽轮机叶片的疲劳断裂失效及疲劳裂纹的问题，一直是国内有关学者关心和研究的问题。对于我们电厂来说，需从管理角度做好方方面面的考虑，在现有的条件下做好相关防范措施及改进，避免影响机组的安全运行，建议如下：
1）电厂应作好对制造厂的叶片监造工作，对机械加工、装配、检查和试验等，特别是装配的质量，应层层把关，把存在的问题消灭在萌芽状态，保证出厂产品质量优良。
2）安装过程中，要对叶片外观进行检查，对叶片频率进行复测，以检查制造厂提供叶片频率数据的真实性并建立叶片技术档案。
3）机组运行操作，必须严格按制造厂及运行规程所规定的程序进行，杜绝错误的运行操作程序，以防止由于操作不当而导致叶片损坏。
4）检修中，对汽轮机叶片的检查和维护应按正确合理的维修工艺进行。
●对叶片进行外观检查，对损伤的轮级叶片进行探伤和仔细检查，严禁带缺陷运行。
●对叶片进行静态振动频率测试，尤其对损伤的轮级叶片振动频率测试更为重要。
●防止损伤叶片的残骸及检修工具杂物遗留在汽缸内。
●受机械损伤和水蚀的叶片在检修时应按合理的维修工艺及时进行修复或直接更换。
论文作者:郭祥涛
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第21期
论文发表时间:2018/1/6
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