摘要:某电厂汽轮机为上海汽轮机厂制造的1000MW汽轮机,在机组运行过程中判断汽轮机中调门后扩散器出现裂纹,本文分析了裂纹产生的原因,记录了现场检修处理的控制要点,并给出了预防控制措施。本文将给同类型机组及时发现中调门扩散器裂纹问题及检修处理提供参考。
关键词:1000MW汽轮机;中调门;扩散器;裂纹
中图分类号:TK2 文献标识码:B 文章编号:1672-2000(2018)14-0196-03
1 概述
某电厂6号机组汽轮机是由上海汽轮机有限公司与德国西门子公司联合设计、制造的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、双背压、八级回热抽汽、反动凝汽式汽轮机,汽轮机型号N1000-26.25/600/600。额定主汽压力26.25MPa、主汽温度600℃、再热蒸汽温度600℃,末级叶片高度1146mm。该机组采用一台高压缸、一台中压缸和二台低压缸串联布置。
为了减少汽轮机的进汽压降损失,在汽轮机的每一台高压、中压调门后,均设有一段扩散器,用于提升流经调门后的蒸汽压力。中压调门后扩散器的结构见图1,主要部件包括扩散器、固定螺纹环、L型环。
2 修前设备运行情况
6号机组汽轮机于2011年3月29日进入商业运行期,2013年12月26日,在得到同类型机组中压调门扩散器检查发现裂纹的信息后,该厂设备维护人员采用将测温热电偶插入中压调门后管段上、下、左、右部位保温层测量此管段管壁外温度的方法辅助判断中压调门后扩散器是否存在泄漏。经过测量,6号机2号中压调门后接管、7号机1号中压调门后接管、7号机2号中压调门后接管外壁温度在满负荷下均在300℃左右。6号机1号中压调门后接管外壁温度在圆周方向取6点测量均在550℃左右。
由图1分析可以看出,扩散器直接与中压缸内缸连接,扩散器内温度即为再热蒸汽温度,该温度在满负荷下接近600℃,而扩散器与调门后的接管之间在圆周方向存有空腔,该空腔与中压缸排汽相通,在满负荷下中压缸排汽约在300℃左右,正常情况下,在图示位置取样测温,温度不应超过中压缸排汽温度。6号机1号中压调门后接管外壁温度在此位置的取样温度达到550℃,最大可能就是扩散器泄漏,更高温度的再热蒸汽进入扩散器外部空腔,导致空腔内温度升高所致。
对比该厂6、7号机中压缸排汽温度,发现在同负荷下,6号机中压缸排汽温度较7号机高出约10℃。造成这一现象的原因可能是扩散器的部分高温蒸汽未进入中压缸做功,而是直接进入中压缸排汽区,造成6号机的中压缸排汽温度偏高。
3 解体检查情况
在做出6号机组中调门后很有可能存在裂纹的判断后,该厂决定利用春节临修机会解体检查中压汽门。2014年1月26日6号机组滑停,1月29日投入汽轮机快冷装置,2月2日盘车停运,当天1号中压调门拆卸吊出,检查发现1号和2号中压调门扩散器均存在裂纹。
1号中压调门扩散器的裂纹约为长度约为450mm,最宽处宽度约为14mm,位于中调门扩散器正下部。
6号机组1号再热中调门出口与中压外缸联接处上方被扩散器漏出的高温蒸汽烘烤冲刷成蜂窝状。
4 原因分析
4.1从扩散器裂纹结构方面分析。
(1)6号机两台中调门扩散器的裂纹位于扩散器正下方,从裂纹发展方向看都是从疏水孔位置首先开裂。由于在机组启动和停机过程中中调门后疏水孔周围有疏水存在,所以疏水孔位置周围温差热应力较大。从图2可以看到,中调门扩散器的疏水孔是沿汽流方向钻孔,由于疏水孔的存在,造成扩散器尾部疏水孔上下方向位置的扩散器壁厚偏薄,扩散器局部强度下降。
(2)在扩散器正下方,与疏水孔相同角度位置,有一处加工用的凹槽,凹槽的走向与疏水孔走向相同。在凹槽位置,以疏水孔道为界,疏水孔下壁的扩散器壁因为凹槽的存在而减薄,这也一定程度降低了扩散器的强度。
(3)疏水孔型线与扩散器内表面在扩散器尾部相交,形成了锐利的边缘,在制造厂没有进行圆滑过渡,极易产生应力集中,当热应力与截面变化产生应力集中的双重效应叠加,就容易在疏水孔的边缘位置产生初始裂纹。
4.2 从中调门后疏水系统设计及管路布置方面分析。
根据制造厂的设计,该型汽轮机两台中调门后疏水管路汇合成为一路后接入本体疏水扩容器,在疏水总管上设有手动疏水门、气动疏水门各一台。手动疏水门保持常开,气动疏水门在机组启动或者停机时打开疏水,经过现场核查中调门后疏水管路的安装符合设计图纸。为了验证疏水管路是否存在堵塞,检修人员在气动疏水门开启的条件下,打开本体疏扩人孔门,从切开的两台中调门后疏水管断口向疏水管充压缩空气,本体疏扩内的可以听到较大的气流声,所以排除了疏水不畅的可能。
4.3 从运行控制方面分析
4.3.1投产后历史运行数据
6号机组负荷为1000MW工况下中压缸排汽温度在机组168期间为280度左右,在2012年逐渐升高,至6号机组本次停机前中压缸排汽温度达到约300度。同负荷下7号机组中压缸排汽温度约为290度。6、7号机组自投产以来满负荷下中压缸排汽温度的变化情况见表2和表3。
中压缸排汽温度受到机组负荷和再热蒸汽温度的影响较大,所以上表的数据都是选择在1000MW负荷、再热蒸汽温度接近600℃的稳定工况对比不同历史时间的中压缸排汽温度。从上述表格中的数据来看,6号机中压缸的排汽温度自投产以来随着时间的延长不断升高,而7号机的排汽温度则变化不大,可以印证6号机的中调门扩散器裂纹是经历了从产生到发展最后逐渐扩大的过程。
4.3.2扩散器疏水控制方面影响
按照该型机组的设计,汽轮机采取高中压缸联合启动方式,机组启动时,中压主汽门打开后,中压调门阀体疏水开启预暖,满足冲转要求时中压调门开启。扩散器上的疏水孔位于中调门后,中调门开启后蒸汽进入扩散器,所产生的疏水造成扩散器疏水孔部位存在温差热应力。
4.3.3快冷投入方式影响
汽轮机高压缸和中压缸采用顺流冷却,介质为常温空气,进汽部位为调节阀处预留进气口。计划停机中压缸温度290 ℃,故障停机中压缸温度340 ℃,可以开始进行快速冷却,中压缸冷却速率控制10 ℃/h,以及限制中压缸冷却的因素是汽轮机动静间隙和内缸与转子的平均温度差。【2】但是冷却空气与进汽部位金属温度差相差约260~310 ℃,超出一般快速冷却控制的冷却介质与金属部位温度差120 ℃。
4.4 从扩散器金属材料特性分析
扩散器为A812F91材料锻件,F91材料的强度、硬度均较高,是在9CrlMo钢的基础上,添加了V、Nb、N等合金元素而形成的回火马氏体钢。F91的热膨胀系数低,导热性好,而且由于微量元素的加入起到了固溶强化和弥散强化的作用,钢的各方面性能都得到了很大改善,具备了高的抗氧化性能、高温持久强度和高温抗蠕变性能。
在断口附近取力学性能试样、金相分析试样及化学分析试样,测试结果如下:
4.4.1力学性能
断口力学性能取样分析,拉伸强度满足要求,屈服强度偏低,伸长率略大,断面收缩率偏低,总体看材料抵抗塑性变形能力不强。
5 检修及重要控制环节
5.1 处理方案确定
(1)方案1现场补焊处理。根据扩散器裂纹处的结构,该裂纹正好处于扩散器疏水孔位置,沿着壁厚方向,该裂纹贯穿整个壁厚,即疏水孔上壁和下壁都存在裂纹,如果现场补焊处理,处于疏水孔下壁的裂纹由于距离汽门壳体间隙太小的原因无法进行补焊,同时补焊会堵塞疏水孔,导致疏水不畅引起二次裂纹。另外扩散器材料为P91材质,焊接性能较差。基于以上两大不利于焊接的因素,决定不选择补焊处理的方案。
(2)方案2更换新扩散器。由于扩散器与中压汽门组壳体之间为过盈配合,并且使用螺纹环压紧固定,所以需要将中压汽门组壳体与再热蒸汽管道及中压外缸分离,然后整体运输到上海汽轮机厂更换扩散器。该方案工期长,施工过程复杂,存在运输安全风险。
因为电厂提前发现1号中调门扩散器裂纹缺陷,可以有充足的时间开展各项准备工作,所以为了保证设备的长周期安全运行,经过权衡后技术人员选择了方案2。处理方案确定后,各项准备工作立即开展,在停机前就与制造厂联系落实好扩散器备件、机加工设备、现场施工方案和检修工器具、运输车辆。
5.2 检修处理主要过程
(1)2014年1月26日:6号机组滑停
2014年2月1日:1号中主门、1号中调门油动机接线和连接油管拆解。1号中主门和中调门油动机螺栓拆除、吊开。
(2)2014年2月2日:1号中主门、1号中调门阀盖及阀芯组件拆吊
(3)2014年2月3日:1号再热蒸汽管道切割、吊开,热段再热蒸汽管道为P92材质,为防止金相组织变化不能使用气割方式,需要移动式割管机在现场割管。
(4)2014年2月4日:松1号中压汽门与汽缸连接螺栓,保留三个90度方位的共6根螺栓,将中压汽门与支撑弹簧支架之间的连接螺栓松开,用吊带吊起中压汽门组。使用顶丝将中压汽门组向中压外缸进汽反方向顶动,当中压汽门与中压缸完全脱离后,用移动行车小车的方式移动中压汽门,直至扩散器完全脱离中压外缸,然后可以将中压汽门组直接吊至运输车辆上放置。
(5)2014年2月15日:6号机组1号再热汽门壳体(含新装配好的扩散器)卸车。
(6)2014年2月16日:吊装6号机组1号再热汽门壳体(含已装配好的扩散器)。
(7)2014年2月17日-18日:6号机组1号再热主汽门进汽管焊接及焊后热处理。
2号再热汽门更换扩散器的过程与上述过程类似,不再重复说明。
5.3 重要控制环节
(1)中压汽门与中压外缸连接的法兰密封件为U型密封环,其密封性能通过压缩量保证,U型环的内外压差起到辅助加强密封作用。扩散器出现贯穿性裂纹的汽门与中压外缸之间的U型密封环必须更换,因为在泄漏出的高温再热蒸汽作用下,密封环的材料强度下降,部分弹性变形转变为塑性变形,使得密封环的开口处厚度减薄。所以必须核查旧密封环及密封环备件的厚度,密封环安装位置的数据,如果计算的密封环压缩量小于0.6-0.68mm,则必须更换密封环。
(2)在拆卸汽门前后应测量中压缸前后轴封四个角度位置间隙,以监视汽缸的位置在汽门拆卸及安装后是否发生变化。
(3)在拆卸汽门前后应记录弹簧支架的荷载,如果与设计值存在偏差应予以调整。
(4)各法兰密封面处的氧化皮应清理干净,保证密封面接触良好。
(5)上海汽轮机厂1000MW汽轮机中主门、中调门螺栓为783材质,在多个电厂出现螺栓断裂问题后,上海汽轮机改进了螺栓原材料热处理工艺、加工工艺、螺栓结构等方面,2016年4月上海汽轮机厂建议此前供货机组的783材质螺栓全部更换为改进工艺后制造的螺栓。此项工作可以结合扩散器检修工作进行。
6 防范及改进措施
6.1设备结构设计方面的优化。上海汽轮机厂针对新备件扩散器进行了相应的改进,为进一步提高扩散器疏水孔位置的强度对扩散器的内部型线进行了相应优化,增加扩散器壁厚(由5 mm增加到10 mm),取消扩散器底部定位凹槽。
对于中调门疏水孔的取舍及位置,经过电厂技术人员与制造厂的讨论,认为疏水孔仍需要保留,但是后续扩散器备件的疏水孔尾部不打穿扩散器外表面,并对疏水孔位置进行前移优化。
6.2 运行维护控制措施。通过密切监视中压排汽温度和扩散器对应位置的外壁温度变化,能够及时发现扩散器泄漏故障。为此,电厂在汽轮机中压调门后与中压缸接管正上方位置安装测温热电偶,并将温度信号送到DCS画面,该测点设置了250℃的报警。尽量不要使用汽轮机中压缸快冷,或者增加空气加热器缩小冷却介质与转子温差,冷却速率建议控制在3-5℃/h。
7 结论
上海汽轮机厂制造的超超临界1000MW汽轮机中压调门后扩散器已经在多个项目发生了开裂损坏的故障,机组中压调门扩散器产生裂纹的状态下运行,高温蒸汽直接冲击球墨铸铁材质的中压外缸,会对中压外缸造成较大损伤,给机组的安全运行带来较大的安全隐患。因此,有必要通过在线运行数据监测判断扩散器是否存在贯穿性裂纹。即使未发现中调门后接管温度大幅上升,也应该利用机组汽门检修的机会使用内窥镜检查扩散器的内壁是否存在非贯穿性裂纹。
中压扩散器裂纹属于多源区疲劳断裂,主要原因为扩散器结构、材料和变工况的运行参数突变。虽然上海汽轮机厂已经对后续制造的扩散器结构做出了优化,新建机组电厂及更换扩散器备件的电厂仍应关注中压缸排汽温度和中压调门扩散器处外壁温度,当同工况下的上述温度发生明显变化时需要考虑扩散器泄漏的可能性。
参考文献:
[1]1000MW超超临界中间再热凝汽式汽轮机运行维护说明书. 上海汽轮机厂,2006.11
[2]靖长财.超(超)临界机组中压调门扩散器裂纹分析及治理. 电站系统工程, 2016, 32(3): 22~25.
作者简介:邱杨,男,籍贯山东枣庄,1981-10-21,2003年7月毕业于东北电力学院,学士学位,工程师,现在神华国华(印尼)爪哇运维有限公司从事生产准备工作。
论文作者:邱杨1,张敏优2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第14期
论文发表时间:2018/8/21
标签:疏水论文; 调门论文; 中压论文; 裂纹论文; 温度论文; 机组论文; 汽轮机论文; 《电力设备》2018年第14期论文;