0 問題的提出 引進(jìn)型300/600MW汽輪機(jī)高壓主汽調(diào)節(jié)閥閥體原采用模鍛工藝制造，結(jié)構(gòu)為臥式聯(lián)合閥，被稱為HTVSC。哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司（以下簡稱哈汽公司）為解決閥體的國產(chǎn)化，曾開展并完成以鑄代鍛的研究工作。
由于在HTVSC型閥體設(shè)計上，內(nèi)腔采用球形和腰形結(jié)構(gòu)，而且末端封閉，因此從閥蓋一端加工深度達(dá)2500mm的腰形內(nèi)腔和端壁十分困難，現(xiàn)有設(shè)備無法滿足生產(chǎn)加工的要求。為此在300MW汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)閥體的制造方案上，不得不采用先機(jī)械加工內(nèi)腔后再拼焊的制造方案。
拼焊的300MW主汽調(diào)節(jié)閥現(xiàn)已投入常規(guī)生產(chǎn)，在電廠運行三十余臺份，尚未出現(xiàn)由于拼焊本身產(chǎn)生的問題，說明這種設(shè)計制造方案是成功的。
600MW主汽調(diào)節(jié)閥與300MW采用同種原始設(shè)計，結(jié)構(gòu)相同，兩種主汽調(diào)節(jié)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(nèi)腔尺寸和壁厚加大，從設(shè)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(qū)域進(jìn)行有效的無損檢查。因此，需要進(jìn)一步尋求更為合理的600MW汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)閥制造方案。
1 閥體的設(shè)計原則回顧
1.1閥體的一般設(shè)計原則
在壓力容器手冊PH24210中有下述規(guī)定：
a.采用蠕變極限計算許用應(yīng)力。
b.圓柱形閥體*小厚度按T=T=kpR/QσA考核。其中，P為設(shè)計壓力，R為壁的內(nèi)半徑，Q為質(zhì)量因子，k為蠕變應(yīng)力因子，σA為許用應(yīng)力。
c.閥體材料應(yīng)盡量的薄，以減低熱應(yīng)力。
1.2 臥式主汽調(diào)節(jié)閥的設(shè)計原則
在PH24240有下述針對臥式主汽調(diào)節(jié)閥的設(shè)計規(guī)定：
a.設(shè)計計算機(jī)程序：主汽閥部分為球形腔.采用PH0723計算；調(diào)節(jié)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(yīng)力采用拉長的腰形結(jié)構(gòu)。
c. 壁端采用長徑和等面積當(dāng)量圓直徑的平均值簡化設(shè)計。
d.強(qiáng)度核算按：σ≤kQσA進(jìn)行。
e.疲勞分析按PH24400進(jìn)行。
1.3 質(zhì)量因子
a.在PH24811中規(guī)定了鑄件的質(zhì)量因子Q見表1。
b.在PH24810中規(guī)定了碳鋼裝焊部件的質(zhì)量因子見表2。
表1
Q | 1.00 | 0.95 | 0.90 | 0.85 | 0.80 | 0.70 |
超聲波檢驗
驗收級別 | < 2in | 0~6 | 6~20 | 20~30 | 31~41 | 不進(jìn)行 | 不進(jìn)行 |
> 2in | 5~11 | 5~11 | 11~21 | 21~31 | 不進(jìn)行 | 不進(jìn)行 |
磁粉探傷檢驗 | 進(jìn)行 | 進(jìn)行 | 進(jìn)行 | 進(jìn)行 | 進(jìn)行 | 不進(jìn)行 |
表2
Q | ≤ 2in | 1.00 | 0.95 | 0.85 | 0.75 |
> 2in | 0.95 | 0.85 | 0.80 | 0.70 |
檢驗要求 | 全部超聲波
或射線
或兩者結(jié)合 | 焊縫**磨
光磁粉目視
檢查、驗證 | 焊縫**磨
光磁粉目視
檢查 | 焊縫**
磨光磁后
目視檢查 |
c.在PH24240中規(guī)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(jīng)驗3個原因，允許模鍛結(jié)構(gòu)采用較高許用應(yīng)力，原設(shè)計模鍛材料（PDS10325PJ）按初始薄膜應(yīng)力和穩(wěn)態(tài)*大蠕變應(yīng)力考核的質(zhì)量因子Q和Qm的數(shù)值列于表3。
d.在PH24440中，規(guī)定了鑄鋼件焊接結(jié)構(gòu)的低周疲勞設(shè)計曲線與鑄件通用，即質(zhì)量因子Qm=1，但鍛件、棒材和板材的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)對原曲線取修正系數(shù)，此時Qm=0.95。
1.4 制造材料與成型方式
PH24210中規(guī)定，在510℃以上的工況下，主汽調(diào)節(jié)闊應(yīng)采用（模）鍛結(jié)構(gòu)，以期獲得較高的許用應(yīng)力。
在PH24810中給出的鑄、鍛件閥體的許用應(yīng)力列于表4，可見，當(dāng)用屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度給出許用應(yīng)力時，鑄件低于鍛件，當(dāng)采用蠕變極限給出許用應(yīng)力時。鑄、鍛件等值，結(jié)合表3可知，模鍛件的設(shè)計許用應(yīng)力高于鑄件，所以以鑄代鍛加大了鑄造主汽閥的壁厚。
表4
σ A ， MPa | 427 ℃ | 454 ℃ | 482 ℃ | 510 ℃ | 538 ℃ | 566 ℃ |
PDS10325PJ 鍛件 | 120 | 105 | 82 | 63 | 48 | 36 |
PDS10325BR 鍛件 | 104 | 102 | 82 | 63 | 48 | 36 |
在PH24240中還規(guī)定當(dāng)采用小的模鍛件拼焊時，應(yīng)對焊縫和熱影響區(qū)進(jìn)行磁粉和超聲波探傷，以保證其質(zhì)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(jié)構(gòu)以及如何拼焊，強(qiáng)度校核中只涉及焊縫和熱影響區(qū)的許用應(yīng)力、蠕變強(qiáng)度及制造質(zhì)量因子，如果這3個因素都能夠達(dá)到原設(shè)計要求，那么拼接及焊接部位的選擇不影響原設(shè)計的**性。
2 鑄鋼件焊接質(zhì)量分析
如上所述，原設(shè)計并沒有對主汽閥拼接方式有任何限制，從材料應(yīng)用性能角度上看，決定拼接方案的關(guān)鍵是對制造工藝的依賴。
2.1 焊接、補(bǔ)焊與拼焊
鑄鋼件的生產(chǎn)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(nèi)部和外表質(zhì)量很難十全十美，對缺陷的消除及焊接——補(bǔ)焊是必須的。
在主汽閥體技術(shù)條件上，規(guī)定對超出標(biāo)準(zhǔn)要求的缺陷可采用焊補(bǔ)修復(fù)。焊補(bǔ)后采用原要求的檢驗方法和質(zhì)量等級，進(jìn)行檢驗確認(rèn)焊補(bǔ)質(zhì)量。既沒有不可焊補(bǔ)的位置，也沒有不可焊補(bǔ)缺陷的限制。
廣義上說，為消除缺陷而采取的補(bǔ)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(diào)節(jié)閥末端被挖穿，然后用本體焊條焊接起來，經(jīng)正常回火、去應(yīng)力，就各項檢驗合格后，完全可以認(rèn)為它符合技術(shù)條件的要求；至于成本上是否經(jīng)濟(jì)則是另一個問題了。
2.2 鑄鋼件焊接后的性能
實際上補(bǔ)焊和拼焊還是有差別的。補(bǔ)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(jìn)行。這樣，無論基材性能、坡口制備、焊后處理都不及有準(zhǔn)備的焊接條件充分，更何況拼接方案可以產(chǎn)生好的鑄造工藝、選擇弱的應(yīng)力位置。
拋開這些優(yōu)點不談，從焊接性能上看，ZG15Cr2Mol鋼完全能做到焊縫性能達(dá)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(diào)至與基材相當(dāng)，而硫、磷等雜質(zhì)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(qū)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(yīng)用
哈汽公司現(xiàn)已出廠運行的300MW汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)閥大多采用拼焊結(jié)構(gòu)，都經(jīng)受住電廠運行考驗。
國內(nèi)某汽輪機(jī)廠曾向德國某公司訂購300MW汽輪機(jī)主汽調(diào)節(jié)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(yīng)力測試
上述兩部分分別從設(shè)計和材料角度討論了主汽調(diào)節(jié)閥的拼焊問題，為謹(jǐn)慎起見，又組織進(jìn)行了實物的應(yīng)力測試。
應(yīng)力測試在精加工完成后的水壓試驗期間進(jìn)行，采用電阻應(yīng)變片法。測點布置和結(jié)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(xué)承受內(nèi)壓的厚壁圓筒公式，按平均直徑粗略計算，結(jié)果表標(biāo)I、J點的周向應(yīng)力在170ata壓力和350ata壓力下分別為20MPa和41.3MPa，與實測結(jié)果十分接近；再對比兩個閥體相同測點的數(shù)據(jù)，其變化規(guī)律是相同的，說明測試結(jié)果是可信的。
比較主汽調(diào)節(jié)閥過渡處外圓周和調(diào)節(jié)閥外端面的應(yīng)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
應(yīng)力MPa | 測點 | 170ata 壓力 | 350ata 壓力 | 測點位置 |
A | σx | σy | σx | σy |  |
調(diào)節(jié)閥端
外表面 | B | 2.8 | 4.8 | 5.7 | 8.3 |
b | 5.7 | 9.5 | 4.8 | 17.0 |
C | 6.1 | 4.2 | 11.2 | 9.1 |
D | 5.1 | 11.1 | 7.3 | 24.0 |
d | 5.2 | 9.3 | 12.2 | 19.7 |
E | 4.9 | 3.8 | 8.6 | 6.9 |
F | 5.1 | 11.5 | 7.3 | 25.0 |
f | 11.5 | 13.3 | 25.5 | 25.3 |
G | 17.7 | 10.3 | 37.7 | 22.8 |
H | 9.3 | 8.8 | 17.3 | 19.7 |
I | 9.5 | 5.7 | 19.5 | 5.1 |
外圓周 | J | 5.5 | 19.7 | 7.7 | 43.2 |
3.9 | 21.0 | 9.3 | 42.4 |
從PH24240中給出一張類似結(jié)構(gòu)的沿圓周應(yīng)力分布曲線可以看出，這種結(jié)構(gòu)的*大應(yīng)力點位于水平軸平面上，不在所測的45度。因此，與外端面B、C、H、G的應(yīng)力相比，相差更大。
3.2 螺栓應(yīng)力分析
據(jù)壓容手冊介紹，有兩種形式的臥式聯(lián)合閥結(jié)構(gòu)，除600MW采用的末端封閉外，另一種是雙側(cè)閥蓋（兩個主汽閥）的通孔結(jié)構(gòu)。
600MW的現(xiàn)設(shè)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(cè)壁的作用，那么，粗略計算作用在主汽閥兩側(cè)螺栓的應(yīng)力情況見表6。
表6
| | 壓力 ata | 承壓面積 mm2 | 螺栓直徑 mm | 螺栓數(shù)量 | 螺栓應(yīng)力 MPa | 應(yīng)力比 |
主汽閥蓋 | 170 | 304 460 | 64 | 18 | 90 | 0.652 |
末端蓋 | 170 | 207 246 | 52 | 12 | 138 |
螺栓應(yīng)力分析表明，末端部分可能采用栓接結(jié)構(gòu)、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(shè)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(shè)計部門提出在靠近主汽閥側(cè)拼焊。該方案除解決橢圓腔的機(jī)械加工問題外，優(yōu)點還在于：分開的閥體可實現(xiàn)廠內(nèi)制造，有較好的制造、運行經(jīng)驗。但是，這個方案使*大焊接厚度達(dá)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(jī)和外委加速器探傷。因此，哈汽公司現(xiàn)有工藝手段行不通。
通過前面的分析，認(rèn)為較好的拼焊方案是在末端開通孔.堵板采用同材質(zhì)鍛件。這樣做除內(nèi)腔機(jī)械加工可以通過外，還有如下優(yōu)點：
a.鑄造工藝更加簡單，易于保證鑄件質(zhì)量。
b.焊接金屬少，同樣的手工電弧焊，每件至少可節(jié)約1.5噸焊條和相應(yīng)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(zhì)量。
d.焊縫區(qū)域可以完全避開周向焊縫的高應(yīng)力區(qū)。
e.末端端壁的高應(yīng)力區(qū)采用鍛件制造，進(jìn)一步提高閥體**性。
f.焊接外表面是機(jī)加平面，表面質(zhì)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(nèi)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(zhǔn)機(jī)床，伸人鏜桿。反拉鏜腰形孔，其腰形結(jié)構(gòu)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(nèi)腔加工工藝合理，機(jī)床與刀具結(jié)構(gòu)剛性好。加工工件寸精度和表面粗糙度均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)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(dá)到180mm，焊接應(yīng)力巨大，在**件主汽閥的拼焊中，曾經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的宏觀應(yīng)力裂紋。
從**件開始，以及時降低焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)力為主要目的，調(diào)節(jié)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(yīng)用
焊接難關(guān)攻克以后，主汽閥體轉(zhuǎn)入性能熱處理和水壓試驗，合格后轉(zhuǎn)入精加工和裝配，已有產(chǎn)品完成裝機(jī)。
5 結(jié)束語
通過上述從設(shè)計原則、材料性能、應(yīng)力測試和制造工藝等方面的分析與討論，以及經(jīng)過產(chǎn)品實際生產(chǎn)和裝機(jī)的考驗，可以得到如下結(jié)論：
◆600MW汽輪機(jī)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(xiàn)有主汽聞體制造方案合理：機(jī)械加工與拼焊工藝實用有效、檢驗手段可靠，產(chǎn)品能滿足生產(chǎn)進(jìn)度和質(zhì)量的要求。 對于采用的20CrlMolVTiB螺栓材料，如果按常規(guī)預(yù)緊0.015%，那么初應(yīng)力309MPa。在538℃下，連續(xù)運行3年的剩余應(yīng)力是200MPa，高于螺栓應(yīng)力。也就是說，3年之內(nèi)即使連續(xù)不停地工作，僅靠螺栓的緊固就不會發(fā)生蒸氣泄漏，同時，該應(yīng)力也低于螺栓材料的持久強(qiáng)度170MPa。
表3
| | 420 ℃ | 510 ℃ | 538 ℃ | 566 ℃ |
Q | 170 大氣壓 | 1.04 | 1.04 | 0.96 | 0.89 |
260 大氣壓 | 1.04 | 1.02 | 0.88 | 0.78 |
Q m | 1.20 | 1.22 | 1.15 | 1.14 |