350MW机组汽轮机末级叶片损伤原因分析及处理

陆永健,邱以成,汪磊

某电厂二期工程 2×350 MW 燃煤汽轮发电机组为GE制造的D5 TC2F42   型亚临界中间再热双排汽冲动凝汽式机组。该汽轮机的高中压缸采用合缸结构，低压缸为对称分流式，高中压转子的高压段包括一级单列调节级，八级压力级，中压段包括七级压力级，低压转子包括 2×6 级压力级。

该工程3号机组于2021年10月进行A级检修时，检查发现低压缸次末级动叶围带存在严重碰擦磨损痕迹。低压缸次末级叶片的结构型式为四联叶片组，4只叶片的围带联为一整体，全周共33组叶片。检查发现其中第1、2、3、4、5、6、18、24围带组磨损较严重，第8、11、21围带组有轻微磨损，其它各片围带无明显损伤。围带材质为马氏体耐热不锈钢1Cr13。

1 围带磨损原因分析

经现场检查发现次末级叶片的叶顶蜂窝汽封磨损严重，基本已经磨平，因此围带磨损的直接原因很明显为围带与叶顶汽封间的径向间隙消失导致的径向碰磨。至于径向间隙的减小有以下的几种可能原因。

1.1围带的材质及装配质量不佳

1.1.1化学成分及理化性能

按照GB/T 223《钢铁及合金化学分析方法》系列标准对围带进行化学成分分析，  围带的化学成分符合制造厂对1Cr13钢的技术要求。由专业检测机构对围带的力学性能及金相组织进行检测，检测结果显示符合国家规定的要求。围带材料符合设计要求。

1.1.2装配质量

现场检查围带的铆钉头未见损伤，铆钉装配牢固，围带未见松动，故排除围带装配的工艺质量不佳这一可能。

1.2 运行工况的频繁变化

1.2.1湿蒸汽的影响

低压缸末端叶片处于湿蒸汽的工作环境中，由于叶片直径较大，湿蒸汽在离心力作用下对围带有着强烈的冲击。尤其是在深度调峰的工况下，末端蒸汽参数降低，蒸汽中的水分含量增加，水冲击会进一步加大。同时当在非设计工况下运行，蒸汽流量下降到不能充满整个流道时，湿蒸汽在动叶根部和静叶栅出口顶部出现汽流脱离，在叶片根部就会逆向流动，形成回流，对叶片的出汽侧造成水冲蚀。流量越小，回流范围越大，对叶片出汽边侧的回流冲蚀就越严重。而此次围带磨损部位绝大部分都发生在出汽侧也佐证了这一点。再叠加湿蒸汽的腐蚀作用，这些都导致了低压末端叶片围带损坏变形的可能性较大。围带变形与叶顶汽封接触后，就造成了围带的磨损。

1.2.2汽缸与转子间的热变形影响

低压缸末端的几级叶片，级后压力近似为排汽压力基本不变，级前压力随运行工况的变化而改变，因此末级叶片处的焓降受机组负荷变化影响较大。（除了调节级和末级外，中间级的焓降一般不会变化）。而为满足电网的调峰要求，近几年来机组频繁进行深度调峰，运行工况大幅变化，这样会导致低压缸的末级叶片处的焓降频繁改变，相应此处的温度变化也会很大，汽缸与转子间的热变形相应增大，这样就导致动静部分间的间隙变化，从而可能产生动静碰磨。

2 处理方案

由于当前全省保电保供的要求，检修工期需按时完成，而更换围带势必会延长检修工期，因此在此次的检修中对次末级磨损的围带不进行更换，仅对磨损叶片围带进行现场补焊修形，但这仅为临时处理措施，无法保证长时间的运行安全，后续在#3机通流改造中将彻底解决该缺陷。

2.1 1Cr13马氏体不锈钢的焊接性

     某电厂低压缸次末级动叶片围带材料为1Cr13，属于马氏体耐热不锈钢，该钢具有较高的强度和良好的韧性，抗蚀性和冷热加工性能良好。2.2.1  1Cr13马氏体不锈钢的焊接特点

（1）马氏体不锈钢在空冷条件下即能淬硬，冷裂的倾向较大，因此这类钢的焊接性能不是很好。焊接区域的约束度越大，或钢中的含碳量越高，则冷裂倾向越大。此外马氏体不锈钢的导热性能差，焊后残余应力较大，也加大了冷裂倾向。

（2）马氏体钢有较大的晶粒粗化倾向。 其成分特点使其组织往往处在马氏体－铁素体的边界上，在焊接区域的冷却速度较小时（＜10 ℃/s），接近焊缝处会形成粗大的铁素体及沿晶界析出的碳化物，使得焊接区域的塑性和韧性明显降低。若冷却速度大，则由于产生粗大的马氏体组织，塑性和韧性也要下降。所以，焊接时冷却速度的控制很重要

2.1.2  1Cr13马氏体不锈钢焊接时常用的工艺措施

根据马氏体耐热钢焊接时存在的问题常采取如下的解决措施：

（1）冷裂倾向的防止措施：如前所述马氏体不锈钢焊缝和热影响区焊后的组织为硬而脆的马氏体组织。当焊接接头刚度大或含氢量高时在焊接应力的作用下容易产生冷裂纹，含碳量越高冷裂倾向越大。对此一般采取预热后焊接及焊后高温回火等办法来防止冷裂纹的产生。

（2）焊前预热，预热温度一般选在200～320℃，不高于马氏体开始转变温度，含碳量是确定预热温度的主要因素，此外影响预热温度的其他因素还有：材料厚度、填充金属种类、焊接方法、拘束程度等。

（3）焊后回火，工件焊后不应从焊接温度直接升温进行回火处理，因为在焊接过程奥氏体可能未完成转变，如焊后立即升温回火会出现碳化物沿奥氏体晶界沉淀和奥氏体向珠光体转变，产生晶粒粗大的组织，严重降低韧性。因此焊后必须冷却到马氏体完全转变并保持一定时间之后才能进行回火处理，使整个焊接区域得到回火索氏体组织，保证焊缝和热影响区具有良好的性能。一般对刚度小的结构可冷却到室温再回火。对刚度大的结构或碳含量较高的一般冷至100～ 150℃恒温一定时间再加热至回火温度。

（4）焊后热处理，其目的是降低焊缝和热影响区硬度，改善其塑性和韧性同时减少焊接残余应力。

（5）防止热影响区过热，由于马氏体钢的导热性差，热影响区易过热产生粗大的组织，此外马氏体钢的成分位于或接近双相区，过热或冷却速度小时，近缝区会出现粗大的铁素体晶界碳化物，降低焊接区域塑性。

（6）焊材及焊接方法选择。焊材一般是选择与母材成分匹配的焊条或选用奥氏体焊条，选用前者一般需要进行焊前预热和焊后热处理。奥氏体焊材则视焊件厚度，焊前可不预热或低温预选热用。

焊接方法：对重要部件的焊接一般选用GTAW焊接，采用直流正接焊接质量较好，冷裂倾向也小。

3 处理过程

为方便现场处理首先将低压转子吊出对所有叶片进行仔细地宏观和着色检查，经研究决定：

（1）焊接方法选用GTAW焊接，焊丝用ER410焊条。焊前准备好磨光机、逆变焊机、焊接时用于焊缝背面衬垫的铜垫、加热烤把、记时用时钟、

（2）焊前用旋转锉及磨光机清理干净待焊区及其附近油、锈、探伤剂等，将围带修磨成便于焊接的形状并着色检查裂纹是否清完。焊接前焊补区清理干净并将紫铜板制成同叶片的型式相配的形状从反面垫衬固定。

（3）焊前用氧乙炔焰预热至250～300℃左右，并用铜棒修整焊接区域至合适焊接的形状，加热时用远红外测温仪进行温度监视。然后反面用紫铜板垫衬固定正面进行手工氩弧焊堆焊堆焊高度稍高于叶片（留一定余量便于焊后磨平）。

（4）堆焊完毕后自然冷却至100～150℃，然后进行去应力回火处理，加热过程应缓慢升温至回火温度650~680℃，恒温保持15~20min，然后用硅酸铝纤维包扎使焊接区域缓慢冷却，硅酸铝纤维厚度不小于50mm，包覆区域大于加热区域200mm以上。

（5）用磨光机将堆焊处磨平。精修焊疤后对焊接区域进行PT检查，PT检查合格后对焊接处进行射线探伤。

经过补焊处理后的围带经过射线检测补焊区域焊接质量合格。

4 结论

由于低压缸次末级叶片所处工况的复杂性，导致叶片围带在运行中磨损。通过对叶片材质的特性分析，对照焊接工艺的质量要求，采用合适的补焊修复方法进行临时修补。值得注意的是补焊修补是采取的临时措施，不能保证长时间的运行安全，在后续运行过程中要着重关注机组的工作情况，在调停检修中检查末级叶片围带补焊处的状态，若存在问题应及时发现并处理。