600MW汽轮机主汽调节阀体制造方案的选择

     引进型300/600MW汽轮机高压主汽调节阀阀体原采用模锻工艺制造，结构为卧式联合阀，被称为HTVSC。哈尔滨汽轮机厂有限责任公司（以下简称哈汽公司）为解决阀体的国产化，曾开展并完成以铸代锻的研究工作。

     由于在HTVSC型阀体设计上，内腔采用球形和腰形结构，而且末端封闭，因此从阀盖一端加工深度达2500mm的腰形内腔和端壁十分困难，现有设备无法满足生产加工的要求。为此在300MW汽轮机主汽调节阀体的制造方案上，不得不采用先机械加工内腔后再拼焊的制造方案。

     拼焊的300MW主汽调节阀现已投入常规生产，在电厂运行三十余台份，尚未出现由于拼焊本身产生的问题，说明这种设计制造方案是成功的。

     600MW主汽调节阀与300MW采用同种原始设计，结构相同，两种主汽调节阀的运行温度和压力相同，仅由于蒸气流量的原因使前者的内腔尺寸和壁厚加大，从设计角度来看，可以同样采用分段拼焊的制造方案。但是，焊缝厚度将由120mm升至250mm，工作量巨大，同时由于壁厚和形状的影响，难以对焊接区域进行有效的无损检查。因此，需要进一步寻求更为合理的600MW汽轮机主汽调节阀制造方案。

      1 阀体的设计原则回顾

      1.1阀体的一般设计原则

     在压力容器手册PH24210中有下述规定：

      a.采用蠕变极限计算许用应力。
      b.圆柱形阀体*小厚度按T=T=kpR/Qσ_A考核。其中，P为设计压力，R为壁的内半径，Q为质量因子，k为蠕变应力因子，σ_A为许用应力。
      c.阀体材料应尽量的薄，以减低热应力。

      1.2 卧式主汽调节阀的设计原则

     在PH24240有下述针对卧式主汽调节阀的设计规定：

      a.设计计算机程序：主汽阀部分为球形腔.采用PH0723计算；调节阀部分为腰形腔，采用PH0712计算。
      b.为减低由于沿周向不均匀而引起过大的弯曲应力采用拉长的腰形结构。
      c. 壁端采用长径和等面积当量圆直径的平均值简化设计。
      d.强度核算按：σ≤kQσ_A进行。
      e.疲劳分析按PH24400进行。

     1.3 质量因子

     a.在PH24811中规定了铸件的质量因子Q见表1。
     b.在PH24810中规定了碳钢装焊部件的质量因子见表2。

表1

     表2  

      c.在PH24240中规定基于模锻件材料性能好、阀体对蠕变性能要求比较低和长期经验3个原因，允许模锻结构采用较高许用应力，原设计模锻材料（PDS10325PJ）按初始薄膜应力和稳态*大蠕变应力考核的质量因子Q和Q_m的数值列于表3。

      d.在PH24440中，规定了铸钢件焊接结构的低周疲劳设计曲线与铸件通用，即质量因子Q_m=1，但锻件、棒材和板材的焊接结构应对原曲线取修正系数，此时Q_m=0.95。

      1.4 制造材料与成型方式

     PH24210中规定，在510℃以上的工况下，主汽调节阔应采用（模）锻结构，以期获得较高的许用应力。

     在PH24810中给出的铸、锻件阀体的许用应力列于表4，可见，当用屈服强度和抗拉强度给出许用应力时，铸件低于锻件，当采用蠕变极限给出许用应力时。铸、锻件等值，结合表3可知，模锻件的设计许用应力高于铸件，所以以铸代锻加大了铸造主汽阀的壁厚。

表4

     在PH24240中还规定当采用小的模锻件拼焊时，应对焊缝和热影响区进行磁粉和超声波探伤，以保证其质量水平与本体锻件相同。

     从上述4个方面可以得到如下概念：

     在阀体形状不变的前提下，无论铸造还是模锻件，是否采用拼焊结构以及如何拼焊，强度校核中只涉及焊缝和热影响区的许用应力、蠕变强度及制造质量因子，如果这3个因素都能够达到原设计要求，那么拼接及焊接部位的选择不影响原设计的**性。

      2 铸钢件焊接质量分析

     如上所述，原设计并没有对主汽阀拼接方式有任何限制，从材料应用性能角度上看，决定拼接方案的关键是对制造工艺的依赖。

      2.1 焊接、补焊与拼焊

     铸钢件的生产与型材和锻件的*大不同是焊接的可行性与必要性，由于铸件毛坯内部和外表质量很难十全十美，对缺陷的消除及焊接——补焊是必须的。

     在主汽阀体技术条件上，规定对超出标准要求的缺陷可采用焊补修复。焊补后采用原要求的检验方法和质量等级，进行检验确认焊补质量。既没有不可焊补的位置，也没有不可焊补缺陷的限制。

     广义上说，为消除缺陷而采取的补焊过程与因制造工艺所限，采用的拼接组焊是一回事，可以想象一个整体铸钢件因消除缺陷而把工件几乎挖成两半、或调节阀末端被挖穿，然后用本体焊条焊接起来，经正常回火、去应力，就各项检验合格后，完全可以认为它符合技术条件的要求；至于成本上是否经济则是另一个问题了。

      2.2 铸钢件焊接后的性能

     实际上补焊和拼焊还是有差别的。补焊作为一个消极被动的过程，无法在事先安排的较为有利的条件下进行。这样，无论基材性能、坡口制备、焊后处理都不及有准备的焊接条件充分，更何况拼接方案可以产生好的铸造工艺、选择弱的应力位置。

     抛开这些优点不谈，从焊接性能上看，ZG15Cr2Mol钢完全能做到焊缝性能达到基材水平，因为：

      a.焊接是个重熔的过程，焊肉的合金元素可调至与基材相当，而硫、磷等杂质元素低于基材。
      b.可以采用先退火再焊接，焊后整体正回火的工艺方案，确保焊缝组织与基体相同，各项性能不低于基体材料。
      c.合理的拼焊方案的选择，可以对焊缝区域，提供可靠的磁粉、超声等无损检验条件。

      2.3 主汽阀的拼焊实践与应用

     哈汽公司现已出厂运行的300MW汽轮机主汽调节阀大多采用拼焊结构，都经受住电厂运行考验。

     国内某汽轮机厂曾向德国某公司订购300MW汽轮机主汽调节阀体，制造厂为方便制造，自行采用开通孔的方案，*后靠提供健全的焊接工艺、焊缝检验记录等文件说服了订货方，通孔制造的主汽阀*终用于电厂。

      3 拼焊方案论证

      3 1阀体的应力测试

     上述两部分分别从设计和材料角度讨论了主汽调节阀的拼焊问题，为谨慎起见，又组织进行了实物的应力测试。

     应力测试在精加工完成后的水压试验期间进行，采用电阻应变片法。测点布置和结果列于表5，其中大小写字母分别代表两个阀体。

     由材料力学承受内压的厚壁圆筒公式，按平均直径粗略计算，结果表标I、J点的周向应力在170ata压力和350ata压力下分别为20MPa和41.3MPa，与实测结果十分接近；再对比两个阀体相同测点的数据，其变化规律是相同的，说明测试结果是可信的。

     比较主汽调节阀过渡处外圆周和调节阀外端面的应力，可以看出端面明显低于圆周，*高值相比为0.87，B、C、H、G与之相比仅是0.46。

表5

      3.2 螺栓应力分析

     据压容手册介绍，有两种形式的卧式联合阀结构，除600MW采用的末端封闭外，另一种是双侧阀盖（两个主汽阀）的通孔结构。

      600MW的现设计两端用螺栓固定阀盖和支架，如果把支架看成蒸气盖板，而不考虑原侧壁的作用，那么，粗略计算作用在主汽阀两侧螺栓的应力情况见表6。

表6

     螺栓应力分析表明，末端部分可能采用栓接结构、或者在末端开通孔焊接后，即使焊接部分失败，堵板也能承受住蒸气压力。

      3.3 拼焊方案选择

     既然从制造角度上看，拼焊是必须的，从设计、使用角度上看，拼焊又是可行的，那么就存在选择拼焊方案的问题。参照300MW的方案，设计部门提出在靠近主汽阀侧拼焊。该方案除解决椭圆腔的机械加工问题外，优点还在于：分开的阀体可实现厂内制造，有较好的制造、运行经验。但是，这个方案使*大焊接厚度达到250mm，手工电弧焊时需要2.3吨焊条。同时焊后难以实施有效的检查，需要购人窄间隙焊机和外委加速器探伤。因此，哈汽公司现有工艺手段行不通。

     通过前面的分析，认为较好的拼焊方案是在末端开通孔.堵板采用同材质锻件。这样做除内腔机械加工可以通过外，还有如下优点：

      a.铸造工艺更加简单，易于保证铸件质量。
      b.焊接金属少，同样的手工电弧焊，每件至少可节约1.5吨焊条和相应的焊接工时。
      c.由于可从横焊改为平焊，容易施焊和保证焊接质量。
      d.焊缝区域可以完全避开周向焊缝的高应力区。
      e.末端端壁的高应力区采用锻件制造，进一步提高阀体**性。
      f.焊接外表面是机加平面，表面质量好，可有效实施超声波斜探头探伤。

     该方案缺点是毛坯浇铸重量超出哈汽公司能力，需外委解决。

      4 制造工艺要点验证

      4.1 主汽阀体的内腔加工

     在212卧式镗床，配备专用镗杆加工。

     首先加工端面各孔；将小端面对准机床，伸人镗杆。反拉镗腰形孔，其腰形结构靠平移镗削轴线得到；配备R50刮刀反拉，镗出端部圆角。

     实践证明，上述内腔加工工艺合理，机床与刀具结构刚性好。加工工件寸精度和表面粗糙度均达到或优于设计图样要求。

      4.2 主汽阀体的端板拼焊

     由于拼焊坡口根部的尺寸只有φ320mm，焊接壁厚达到180mm，焊接应力巨大，在**件主汽阀的拼焊中，曾经出现严重的宏观应力裂纹。

     从**件开始，以及时降低焊接结构应力为主要目的，调节焊接工艺，随后的几件主汽阀体顺利通过各阶段的磁粉探伤、X射线探伤和超声波探伤。

      4.3主汽阀体的实际应用

     焊接难关攻克以后，主汽阀体转入性能热处理和水压试验，合格后转入精加工和装配，已有产品完成装机。

      5 结束语

     通过上述从设计原则、材料性能、应力测试和制造工艺等方面的分析与讨论，以及经过产品实际生产和装机的考验，可以得到如下结论：

      ◆600MW汽轮机主汽阀体可以采用拼接方案制造，从综合效果看*佳方案是在末端开工艺孔。
      ◆采用末端开工艺孔的方案，可以在铸造工艺上施行，为更好的满足下芯、清砂等铸造工艺的要求。
      ◆现有主汽闻体制造方案合理：机械加工与拼焊工艺实用有效、检验手段可靠，产品能满足生产进度和质量的要求。     对于采用的20CrlMolVTiB螺栓材料，如果按常规预紧0.015%，那么初应力309MPa。在538℃下，连续运行3年的剩余应力是200MPa，高于螺栓应力。也就是说，3年之内即使连续不停地工作，仅靠螺栓的紧固就不会发生蒸气泄漏，同时，该应力也低于螺栓材料的持久强度170MPa。

表3