600MW汽輪機主汽調節閥體制造方案的選擇

     引進型300/600MW汽輪機高壓主汽調節閥閥體原采用模鍛工藝制造，結構為臥式聯合閥，被稱為HTVSC。哈爾濱汽輪機廠有限責任公司（以下簡稱哈汽公司）為解決閥體的國產化，曾開展并完成以鑄代鍛的研究工作。

     由于在HTVSC型閥體設計上，內腔采用球形和腰形結構，而且末端封閉，因此從閥蓋一端加工深度達2500mm的腰形內腔和端壁十分困難，現有設備無法滿足生產加工的要求。為此在300MW汽輪機主汽調節閥體的制造方案上，不得不采用先機械加工內腔后再拼焊的制造方案。

     拼焊的300MW主汽調節閥現已投入常規生產，在電廠運行三十余臺份，尚未出現由于拼焊本身產生的問題，說明這種設計制造方案是成功的。

     600MW主汽調節閥與300MW采用同種原始設計，結構相同，兩種主汽調節閥的運行溫度和壓力相同，僅由于蒸氣流量的原因使前者的內腔尺寸和壁厚加大，從設計角度來看，可以同樣采用分段拼焊的制造方案。但是，焊縫厚度將由120mm升至250mm，工作量巨大，同時由于壁厚和形狀的影響，難以對焊接區域進行有效的無損檢查。因此，需要進一步尋求更為合理的600MW汽輪機主汽調節閥制造方案。

      1 閥體的設計原則回顧

      1.1閥體的一般設計原則

     在壓力容器手冊PH24210中有下述規定：

      a.采用蠕變極限計算許用應力。
      b.圓柱形閥體*小厚度按T=T=kpR/Qσ_A考核。其中，P為設計壓力，R為壁的內半徑，Q為質量因子，k為蠕變應力因子，σ_A為許用應力。
      c.閥體材料應盡量的薄，以減低熱應力。

      1.2 臥式主汽調節閥的設計原則

     在PH24240有下述針對臥式主汽調節閥的設計規定：

      a.設計計算機程序：主汽閥部分為球形腔.采用PH0723計算；調節閥部分為腰形腔，采用PH0712計算。
      b.為減低由于沿周向不均勻而引起過大的彎曲應力采用拉長的腰形結構。
      c. 壁端采用長徑和等面積當量圓直徑的平均值簡化設計。
      d.強度核算按：σ≤kQσ_A進行。
      e.疲勞分析按PH24400進行。

     1.3 質量因子

     a.在PH24811中規定了鑄件的質量因子Q見表1。
     b.在PH24810中規定了碳鋼裝焊部件的質量因子見表2。

表1

     表2  

      c.在PH24240中規定基于模鍛件材料性能好、閥體對蠕變性能要求比較低和長期經驗3個原因，允許模鍛結構采用較高許用應力，原設計模鍛材料（PDS10325PJ）按初始薄膜應力和穩態*大蠕變應力考核的質量因子Q和Q_m的數值列于表3。

      d.在PH24440中，規定了鑄鋼件焊接結構的低周疲勞設計曲線與鑄件通用，即質量因子Q_m=1，但鍛件、棒材和板材的焊接結構應對原曲線取修正系數，此時Q_m=0.95。

      1.4 制造材料與成型方式

     PH24210中規定，在510℃以上的工況下，主汽調節闊應采用（模）鍛結構，以期獲得較高的許用應力。

     在PH24810中給出的鑄、鍛件閥體的許用應力列于表4，可見，當用屈服強度和抗拉強度給出許用應力時，鑄件低于鍛件，當采用蠕變極限給出許用應力時。鑄、鍛件等值，結合表3可知，模鍛件的設計許用應力高于鑄件，所以以鑄代鍛加大了鑄造主汽閥的壁厚。

表4

     在PH24240中還規定當采用小的模鍛件拼焊時，應對焊縫和熱影響區進行磁粉和超聲波探傷，以保證其質量水平與本體鍛件相同。

     從上述4個方面可以得到如下概念：

     在閥體形狀不變的前提下，無論鑄造還是模鍛件，是否采用拼焊結構以及如何拼焊，強度校核中只涉及焊縫和熱影響區的許用應力、蠕變強度及制造質量因子，如果這3個因素都能夠達到原設計要求，那么拼接及焊接部位的選擇不影響原設計的**性。

      2 鑄鋼件焊接質量分析

     如上所述，原設計并沒有對主汽閥拼接方式有任何限制，從材料應用性能角度上看，決定拼接方案的關鍵是對制造工藝的依賴。

      2.1 焊接、補焊與拼焊

     鑄鋼件的生產與型材和鍛件的*大不同是焊接的可行性與必要性，由于鑄件毛坯內部和外表質量很難十全十美，對缺陷的消除及焊接——補焊是必須的。

     在主汽閥體技術條件上，規定對超出標準要求的缺陷可采用焊補修復。焊補后采用原要求的檢驗方法和質量等級，進行檢驗確認焊補質量。既沒有不可焊補的位置，也沒有不可焊補缺陷的限制。

     廣義上說，為消除缺陷而采取的補焊過程與因制造工藝所限，采用的拼接組焊是一回事，可以想象一個整體鑄鋼件因消除缺陷而把工件幾乎挖成兩半、或調節閥末端被挖穿，然后用本體焊條焊接起來，經正?；鼗?、去應力，就各項檢驗合格后，完全可以認為它符合技術條件的要求；至于成本上是否經濟則是另一個問題了。

      2.2 鑄鋼件焊接后的性能

     實際上補焊和拼焊還是有差別的。補焊作為一個消極被動的過程，無法在事先安排的較為有利的條件下進行。這樣，無論基材性能、坡口制備、焊后處理都不及有準備的焊接條件充分，更何況拼接方案可以產生好的鑄造工藝、選擇弱的應力位置。

     拋開這些優點不談，從焊接性能上看，ZG15Cr2Mol鋼完全能做到焊縫性能達到基材水平，因為：

      a.焊接是個重熔的過程，焊肉的合金元素可調至與基材相當，而硫、磷等雜質元素低于基材。
      b.可以采用先退火再焊接，焊后整體正回火的工藝方案，確保焊縫組織與基體相同，各項性能不低于基體材料。
      c.合理的拼焊方案的選擇，可以對焊縫區域，提供可靠的磁粉、超聲等無損檢驗條件。

      2.3 主汽閥的拼焊實踐與應用

     哈汽公司現已出廠運行的300MW汽輪機主汽調節閥大多采用拼焊結構，都經受住電廠運行考驗。

     國內某汽輪機廠曾向德國某公司訂購300MW汽輪機主汽調節閥體，制造廠為方便制造，自行采用開通孔的方案，*后靠提供健全的焊接工藝、焊縫檢驗記錄等文件說服了訂貨方，通孔制造的主汽閥*終用于電廠。

      3 拼焊方案論證

      3 1閥體的應力測試

     上述兩部分分別從設計和材料角度討論了主汽調節閥的拼焊問題，為謹慎起見，又組織進行了實物的應力測試。

     應力測試在精加工完成后的水壓試驗期間進行，采用電阻應變片法。測點布置和結果列于表5，其中大小寫字母分別代表兩個閥體。

     由材料力學承受內壓的厚壁圓筒公式，按平均直徑粗略計算，結果表標I、J點的周向應力在170ata壓力和350ata壓力下分別為20MPa和41.3MPa，與實測結果十分接近；再對比兩個閥體相同測點的數據，其變化規律是相同的，說明測試結果是可信的。

     比較主汽調節閥過渡處外圓周和調節閥外端面的應力，可以看出端面明顯低于圓周，*高值相比為0.87，B、C、H、G與之相比僅是0.46。

表5

      3.2 螺栓應力分析

     據壓容手冊介紹，有兩種形式的臥式聯合閥結構，除600MW采用的末端封閉外，另一種是雙側閥蓋（兩個主汽閥）的通孔結構。

      600MW的現設計兩端用螺栓固定閥蓋和支架，如果把支架看成蒸氣蓋板，而不考慮原側壁的作用，那么，粗略計算作用在主汽閥兩側螺栓的應力情況見表6。

表6

     螺栓應力分析表明，末端部分可能采用栓接結構、或者在末端開通孔焊接后，即使焊接部分失敗，堵板也能承受住蒸氣壓力。

      3.3 拼焊方案選擇

     既然從制造角度上看，拼焊是必須的，從設計、使用角度上看，拼焊又是可行的，那么就存在選擇拼焊方案的問題。參照300MW的方案，設計部門提出在靠近主汽閥側拼焊。該方案除解決橢圓腔的機械加工問題外，優點還在于：分開的閥體可實現廠內制造，有較好的制造、運行經驗。但是，這個方案使*大焊接厚度達到250mm，手工電弧焊時需要2.3噸焊條。同時焊后難以實施有效的檢查，需要購人窄間隙焊機和外委加速器探傷。因此，哈汽公司現有工藝手段行不通。

     通過前面的分析，認為較好的拼焊方案是在末端開通孔.堵板采用同材質鍛件。這樣做除內腔機械加工可以通過外，還有如下優點：

      a.鑄造工藝更加簡單，易于保證鑄件質量。
      b.焊接金屬少，同樣的手工電弧焊，每件至少可節約1.5噸焊條和相應的焊接工時。
      c.由于可從橫焊改為平焊，容易施焊和保證焊接質量。
      d.焊縫區域可以完全避開周向焊縫的高應力區。
      e.末端端壁的高應力區采用鍛件制造，進一步提高閥體**性。
      f.焊接外表面是機加平面，表面質量好，可有效實施超聲波斜探頭探傷。

     該方案缺點是毛坯澆鑄重量超出哈汽公司能力，需外委解決。

      4 制造工藝要點驗證

      4.1 主汽閥體的內腔加工

     在212臥式鏜床，配備專用鏜桿加工。

     首先加工端面各孔；將小端面對準機床，伸人鏜桿。反拉鏜腰形孔，其腰形結構靠平移鏜削軸線得到；配備R50刮刀反拉，鏜出端部圓角。

     實踐證明，上述內腔加工工藝合理，機床與刀具結構剛性好。加工工件寸精度和表面粗糙度均達到或優于設計圖樣要求。

      4.2 主汽閥體的端板拼焊

     由于拼焊坡口根部的尺寸只有φ320mm，焊接壁厚達到180mm，焊接應力巨大，在**件主汽閥的拼焊中，曾經出現嚴重的宏觀應力裂紋。

     從**件開始，以及時降低焊接結構應力為主要目的，調節焊接工藝，隨后的幾件主汽閥體順利通過各階段的磁粉探傷、X射線探傷和超聲波探傷。

      4.3主汽閥體的實際應用

     焊接難關攻克以后，主汽閥體轉入性能熱處理和水壓試驗，合格后轉入精加工和裝配，已有產品完成裝機。

      5 結束語

     通過上述從設計原則、材料性能、應力測試和制造工藝等方面的分析與討論，以及經過產品實際生產和裝機的考驗，可以得到如下結論：

      ◆600MW汽輪機主汽閥體可以采用拼接方案制造，從綜合效果看*佳方案是在末端開工藝孔。
      ◆采用末端開工藝孔的方案，可以在鑄造工藝上施行，為更好的滿足下芯、清砂等鑄造工藝的要求。
      ◆現有主汽聞體制造方案合理：機械加工與拼焊工藝實用有效、檢驗手段可靠，產品能滿足生產進度和質量的要求。     對于采用的20CrlMolVTiB螺栓材料，如果按常規預緊0.015%，那么初應力309MPa。在538℃下，連續運行3年的剩余應力是200MPa，高于螺栓應力。也就是說，3年之內即使連續不停地工作，僅靠螺栓的緊固就不會發生蒸氣泄漏，同時，該應力也低于螺栓材料的持久強度170MPa。

表3