秦建州
（东莞中电新能源热电有限公司 广东东莞 523000）
摘要：燃气发电凭借其灵活的运行、迅速的启停、较高的热效率和节能减排等优点，在电网调峰中相较于煤电而言，优势十分显著。在实际运用过程中，机组需要频繁的快速启停，就需要主汽门快速切断汽轮机的进汽系统。汽轮机在长期服役过程中，难免出现一定的质量问题，其中主汽门裂纹十分容易发生。因此文章结合实例，就燃气发电厂汽轮机主汽门裂纹原因展开分析，并提出相应的处理措施。
关键词：燃气发电厂；汽轮机；裂纹原因；处理措施
近年来我国天然气发电装机容量呈上升趋势。目前，国内燃气发电机组多用于电网调峰运行，机组需要频繁快速启停，而作为机组关键部件的主汽门需要迅速切断汽轮机进汽系统而起到保护、调节的作用，因此其质量的安全性显得尤为重要。近年来，部分发电厂机组主汽门被陆续检测出裂纹缺陷。如何确保主汽门部件质量的可靠性，已成为业界共同关注的话题。
一、燃气电厂生产过程
燃气电厂是一种利用燃气轮机及发电机与余热锅炉、蒸汽轮机共同组成的循环系统，它将燃气轮机排出的功后高温乏烟气通过余热锅炉回收转换为蒸汽，再将蒸汽注入蒸汽轮机进行发电的电厂。与燃煤电厂相比，它不使用锅炉，而是用燃气轮机代替了锅炉，同时燃料也由煤粉换成了天然气或者石油等等。燃料在燃气轮机内燃烧后，放出热能加热给水，使燃料化学能转化为蒸汽内能，蒸汽推动汽轮机做功，完成热能向动能的转化。最后利用发电机，再将机械能转化成电能，这就完成了燃气电厂的全部生产过程。随着燃机技术的发展，以及国家能源结构的变化和对环保要求的提高，燃机电厂的发展势必会大大加速。
二、燃气发电厂汽轮机主汽门裂纹原因分析及处理实例
（一）基本概况
现场采集的主汽门门杆漏汽通道裂纹相貌见图1。主汽门壳体材料牌号为Ｂ５０Ａ２２４Ｂ（美国ＧＥ公司牌号），相当于国产ＺＧ１５Ｃｒ１Ｍｏ１Ｖ，具有良好的热强性，主要用于工作温度不大于５７０℃电站主蒸汽等高温、高压系统的铸钢件。主汽门工作时的出口额定参数（二拖一）为，压力１１．８９ＭＰａ、温度５６５℃。检查时，机组累计运行１７ ２５０ｈ，启停６７０余次。裂纹缺陷位于主汽门门杆漏汽道孔处，从图１可以观察到裂纹从密封面一直贯穿至内孔表面。裂纹所在位置结构有突变。根据图1的裂纹形貌和汽轮机主汽门的工况特征，可以推断裂纹处存在应力集中，在机组启停时还承受着高温、高压交变载荷。此外开裂处还长期受到来自上部高压蒸汽气流的冲击，以致其表面承受着较大拉应力。
图1 主汽门门杆漏汽通道裂纹示图
（二）主汽门试样主裂纹表面分析
1.表面氧化膜分析
对比主裂纹面和基体材料的颜色，发现裂纹表面由于长时间在高温水汽环境中，已经长出了较厚的氧化膜。对裂纹面氧化膜进行Ｘ射线衍射分析（ＸＲＤ）、厚度分析和ＳＥＭ形态分析。
（1）表面氧化膜
ＸＲＤ分析切取一部分原始裂纹面，用丙酮超声清洗５ｍｉｎ后作Ｘ射线衍射分析。Ｆｅ基体的衍射峰未出现，这表明氧化膜厚度较厚，裂纹面在高温水汽环境中发生了严重氧化。氧化膜的主要组成为Ｍｎ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３及ＣｒＯ。主要元素金属性强弱排序为Ｍｎ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｍｏ，可知Ｍｎ和Ｃｒ元素的氧化物最先形成，但由于Ｍｎ和Ｃｒ的含量较少，使Ｆｅ可以与多余的Ｏ继续反应，但是Ｆｅ的含量足以抑制Ｍｏ的氧化，所以氧化物只有上述3种。
（2）氧化膜厚度分析
裂纹面上的氧化膜厚度随着新鲜裂纹面在含氧气氛中暴露时间的增加而不断增厚。因此可以通过分析裂纹面上氧化膜的厚度确定裂纹出现的先后次序，因为暴露在环境中的时间越长，氧化膜生长的就越厚，据此推断裂纹的扩展过程。按照从左至右的顺序，单侧裂纹面氧化膜厚度依次为５２．４μｍ、２８．７μｍ及２４．５μｍ。据此可以判断，①裂纹的扩展是从左到右进行的，即从主汽门底部近圆心处沿直径方向向外扩展。②裂纹的扩展包括亚稳扩展和失稳扩展两个阶段，因为裂纹扩展初期，经过了较长时间暴露于有氧环境使得裂纹扩展初期裂纹面上的氧化膜厚度较厚，而裂纹后期氧化膜厚度相当，基本上是同时开裂的，即裂纹萌生后经过较小的亚稳扩展区后，很快进入大面积的失稳扩展区。
（3）裂纹面氧化膜
ＳＥＭ形态图低倍下裂纹源表面形貌呈现出疲劳裂纹的韧窝形貌。可以看出由于氧化膜厚度较厚，在一定程度上掩盖了新鲜裂纹面的真实形貌。氧化膜多由氧化物颗粒堆积而成，并且存在二次裂纹，硬脆的氧化膜可通过剥落冲击裂纹扩展面，进一步加速裂纹的扩展。
2.主裂纹去除氧化膜后分析
为了能反映新鲜裂纹的真实表面形貌以判断裂纹类型及产生的原因，将附着在裂纹面表面的氧化膜在醋酸中浸泡24h，确认氧化膜基本剥落后再进行分析。呈弯曲并相互平行的沟槽状花样即疲劳扩展区花样，可以判断该试样的断裂为疲劳断裂。扩展区花样与裂纹扩展方向垂直，是裂纹扩展时留下的痕迹，为疲劳断口的典型特征。这些条带的曲率中心所指区域为裂纹源。在裂纹源剖面未发现应力腐蚀裂纹典型的树根状裂纹，可以判断此裂纹不是由应力腐蚀造成的。可见在裂纹源表面上存在大大小小的韧窝，其中大韧窝尺寸与晶粒尺寸相当，属于沿晶型韧性断裂。小韧窝尺寸远小于晶粒尺寸，属于穿晶型韧性断裂。可见明显的韧窝形貌。图中小箭头所指的小型韧窝尺寸远小于晶粒尺寸，系穿晶断裂过程产生的。大箭头所指的大韧窝尺寸与晶粒相当，系沿晶断裂过程产生的。
（三）裂纹原因综合分析及缺陷处理建议
1.裂纹原因综合分析
综上所述，晶界处氧化物、碳化物等脆性相的偏聚造成了晶界弱化，材料中硫和磷元素含量超标，易形成低熔点共晶体和非金属夹杂物，降低了材料塑性及断裂韧度。材料局部区域晶粒粗大不均匀导致材料塑性降低及回火脆性倾向性增大且主汽门运行温度长期处于材料第二类回火脆性区间（450-600℃）。这些因素提供了潜在裂纹源，在机组频繁启停机，高温、高压交变载荷工况（热应力及高压蒸汽瞬间冲击力）以及结构应力交互作用下，促使了该部位疲劳裂纹的萌生、扩展，裂纹表面氧化物生长对裂纹面产生了纵向挤压力，进一步加速了裂纹扩展，最终导致裂纹失稳扩展形成贯穿性裂纹。
2.缺陷处理建议
（1）针对Ｂ５０Ａ２２４Ｂ材料主汽门的补焊，若是主汽门现场热处理条件具备，则可选用超低氢型高韧性Ｒ３１７Ｌ焊条。焊接过程中需要锤击焊缝金属，以降低焊接残余应力。焊后，采用中温回火加高温回火热处理。补焊过程中，应注意采取减小附加应力和应力集中的措施，确保有效降低接头局部塑性变形量，避免运行期间再热裂纹的出现。（2）若是现场不具备热处理条件，可采用基体膨胀系数接近Ｉｎｃｏｎｅｌ８２型镍基焊接材料进行多层多道补焊，焊条不摆动，采用小线能量，设计合理焊接顺序，焊接过程中增加锤击处理，焊后进行消氢处理，降低焊接残余应力。（3）建议对其它同类型机组尽快排查主汽门，必要时进行主汽门更换。
总之，文中以某燃气发电厂汽轮机主汽门检修过程中发现的裂纹缺陷为研究对象，寻找裂纹缺陷开裂的原因，并结合现场热处理条件提出焊接修复措施和建议，可为其它机组同类主汽门材料监督预防及缺陷处理提供借鉴。
参考文献：
[1]吴旻冬.基于DCS的燃气电厂汽机一键启停控制[D].华北电力大学（北京），2018
[2]冯悦新，崔国东，成涛，邹明杨.燃气电厂300MW汽轮机凝汽器真空严密性下降的分析[J].自动化博览，2017（08）
论文作者:秦建州
论文发表刊物:《河南电力》2019年2期
论文发表时间:2019/10/12
标签：裂纹论文; 汽门论文; 应力论文; 燃气论文; 机组论文; 蒸汽论文; 厚度论文; 《河南电力》2019年2期论文;