摘 要：详细阐述了对1 000MW超超临界燃煤发电机组高压旁路管道（简称高旁）主阀阀座的修复过程，通过执行严格的修复工作程序，采用热丝氩弧焊和镍基高温合金材料过渡等工艺方法，并利用六轴联动焊接机械手臂的柔性，克服了高旁主阀高温和主阀阀腔狭小等恶劣环境条件进行堆焊的困难，确保堆焊层质量能够满足阀座密封面的各项性能要求。同时，彻底消除了阀体材料为SA182-F91/F92的主蒸汽高旁阀门阀座的开裂和吹损等缺陷，保证了发电机组的设备可靠性和经济性，亦为解决超超临界燃煤发电机组的高温高压蒸汽阀门内漏问题提供了思路和方法。
关键词：超超临界机组；高压旁路；主阀门；阀座；堆焊
0 引言
上海某电厂1 000 MW超超临界燃煤发电1号机组主蒸汽高压旁路管道主阀门分布有A/B/C/D 4台。2013年，高压旁路（简称高旁）C主阀门解体检修时发现阀门密封面严密性差，内漏严重，直接影响发电机组的经济性和设备正常运行[1]。虽然对阀座密封面进行多次研磨，但仍无法彻底消除缺陷。同时，由于此类阀门均为进口设备，体积较大，若更换阀体，代价昂贵，供货和施工周期过长。通过将阀座原有密封面车削，消除缺陷后重新堆焊和机加工是短期内解决此类问题的有效办法。
1 高旁阀座存在的主要问题
1.1 高旁阀座概况
某电厂超超临界燃煤发电机组高旁主阀门工作压力为27.56 MPa，工作温度为605℃[2]。进口端主蒸汽管道材质为 SA335-P92，阀体材质为SA182-F92；出口端阀体材质为SA182-F91，见图1。高旁阀座密封面原采用激光或等离子弧直接在阀体内堆焊硬质合金，焊材类型为合金粉末[3]，数控立车机加工，人工研磨成形。
1.2 技术要求
高旁阀座要求在高温高压条件下保证密封面的严密性，并具有较好的耐磨性、耐冲刷性、耐腐蚀性。密封面的硬度一般控制在HRC=40～45，宽度为6 mm，厚度＞3 mm，角度为46°，机加工精度＜0.4μm。
图1 高旁主阀
Fig.1 Main valve of high pressure bypass
1.3 密封面缺陷
经检测，某电厂主蒸汽高旁管道主阀门阀座密封面存在贯穿性裂纹，裂穿整个硬质合金堆焊层，是导致密封面泄漏的最主要原因，见图2。
2 修复工作程序
为保证高旁主阀门阀座的修复质量，必须制定严格的修复工作程序，同时要加强执行力度，具体如下：
图2 裂纹形貌
Fig.2 The morphology of cracking
（1）机加工前对阀体进行清理除污检查，测绘阀体各个部位尺寸，并制作假笼罩和假阀盖（主要是为了防止加热升温时产生变形），与原阀体配合尺寸（-0.02，-0.05）。
（2）用四爪卡盘夹紧阀体阀盖一端，校正进口端外圆与垂直度，按JB/T 3595—2002标准加工进口端焊接坡口。所有机加工工作之前应做好支撑架并安装牢固，确保车削设备安全运转与加工时安全。
（3）为防止夹损阀体两端平面与焊接面，必须先放置垫块，用四爪卡盘夹紧阀体阀盖一端与进口一端来校正出口端外圆与垂直度，再加工出口端焊接坡口。
（4）用四爪卡盘夹紧阀体进口一端，校正阀盖端外圆、内孔及平面，保证垂直度与同心度后车削阀体原堆焊层，加工宽度和深度尺寸应满足密封面保留厚度要求。但是，必须确保原有堆焊层车削干净。
（5）对车削部位进行着色检测，阀体在堆焊前若发现裂纹等缺陷，应用打磨工具进行打磨，直至缺陷打磨干净（通过着色检测确认），待堆焊部位应打磨成圆滑过渡，避免焊接死角，达到堆焊修复工艺要求。
（6）阀体堆焊前预热和焊后热处理需整体放入电炉加热，在放入电炉前需加装高旁主阀假阀盖 （圆盘盖），该假阀盖具有合适的厚度保证其刚度，与原阀体配合尺寸（-0.02，-0.05），进行支撑，来防止阀体受热变形。
（7）热处理后应冷却到室温，将堆焊层表面清理干净，再进行硬度和着色检测。确认无误后，进行机加工和研磨，保证加工过程中的垂直度与同心度。
（8）进行密封面校核，并完成水压试验工作要求，保证阀座的最终修复质量。
3 堆焊工艺控制
高旁阀座密封面堆焊硬质合金，技术难度高，工艺复杂，阀座距阀盖深度约为530 mm[4]。如何解决冷热交变应力问题，避免产生裂纹及气孔等缺陷，硬度达到技术要求等，这些问题若处理不好将直接影响高旁阀座密封面的修复质量。为此，堆焊工艺的制定必须合理和准确，整个工艺过程要严格控制。
3.1 焊接方法
目前，阀座密封面堆焊的方法主要有焊条电弧焊、等离子粉末堆焊、热丝气体保护焊3种。考虑到高旁阀体结构的复杂性和可操作性以及焊接时的工作环境，用机器人热丝氩弧焊[5]来完成堆焊工作是最佳的选择。
3.2 焊接材料
阀座堆焊材料一般采用司太立合金（钴基合金）。司太立合金在800℃高温下具有一定的 “红硬性”[6]，能保证高旁主阀密封面在605℃的蒸汽冲刷条件下具有良好的耐磨性、耐冲刷性、耐腐蚀性。目前，用在高温高压阀门上的司太立合金主要有Stellite6和Stellite12两种，其硬度参考值和质量可靠性见表1。结合实际工况条件和质量可靠性以及表2中的特性指标比较，焊材最终选择Stellite6。
表1 Stellite合金的硬度和质量可靠性比较
Table 1 Hardness and quality reliability of stellite alloy
表2 Stellite合金的特性比较
Table 2 The characteristics of stellite alloy
3.3 预热和层间温度
综合考虑高旁阀体材质（SA182-F92）和Stellite6堆焊工艺要求，预热温度和层间温度均应控制在300～350℃。为了避免因冷热交变应力造成堆焊层开裂，施焊处和未焊处的温差应小于30℃。同时，除了阀盖处作为施焊工作位置外，其他部位应杜绝通风和排烟口存在。在堆焊间隙随时使用红外线测温仪进行温度监控。
3.4 堆焊衬圈制备
为了确保加工尺寸，预先加工堆焊衬圈，主要起到堆焊时作靠山用。阀座内圈和外圈各一件，厚度为5～8 mm，宽度为5 mm。在两件堆焊靠山上平面堆焊镍基焊材两层，并机加工至阀座内圈和外圈尺寸。外圈衬圈可将基体材料对等开槽（留镍基），内圈衬圈可加定位眼，以方便加工和放置，见图3。堆焊衬圈与阀座点焊时，外圈衬圈放置深度不作规定，但要保证机加工尺寸；内圈衬圈放置深度为542 mm；镍基堆焊层向上。
图3 堆焊衬圈
Fig.3 Surfacing ring gasket
3.5 堆焊过渡层
由于高旁阀体材质为SA182-F92，直接堆焊司太立钴基合金容易产生结合部位的层间开裂。为此，应使用镍基合金材料进行过渡[7]，堆焊过渡层的焊接工艺亦应尽可能简化。焊接材料应选择能满足高旁主阀的工况条件要求，镍基625合金系列的焊接材料ERNiCrMo-3在700℃以下能保持优异的高温性能，其高温强度、高温抗氧化性能、高温抗腐蚀性能明显优于镍基WE182系列中的焊接材料ERNiCr-3。采用ERNiCrMo-3镍基焊材的过渡层堆焊结果见图4。
图4 ERNiCrMo-3过渡层堆焊结果
Fig.4 The surfacing result of ERNiCrMo-3 transition layer
3.6 硬质合金堆焊
高旁阀体的结构复杂，刚性大，应力分布状况各异。同时，在堆焊过程中会产生非常大的周向应力和冷热交变应力。因此，在堆焊过程中应控制以下工艺要点：（1）注意引弧和收弧，防止产生气孔和弧坑裂纹；（2）控制熔池大小一致、均匀，保证加工尺寸；（3）焊接方向必须一致，沿顺时针方向施焊；（4）采用分段退焊法、分区域焊接。
3.7 堆焊新技术的整合
为了保证密封面堆焊层的焊接质量，必须将六轴联动焊接机械手臂、内置式水冷焊枪、热丝氩弧焊、双丝轮送等焊接设备和新技术集成。同时，将其与焊接工艺通过数控编译完美地整合在一起，主要作用体现在以下几方面：（1）六轴联动焊接机械手臂和内置深入式水冷焊枪的定制，可以解决阀体内腔的空间局限和高温等恶劣环境条件下的焊接难题；（2）热丝氩弧焊技术是指增加热丝电源装置，将焊丝在送达到焊接位置之前预先加热，其不仅能降低裂纹、气孔等缺陷的产生几率，还大幅度提高堆焊的工作效率；（3）通过2套双驱送丝机构将ERNiCrMo-3和Stellite6 2种不同的焊接材料依次输送到焊接部位，使其获得双丝轮送的最佳效果。
3.8 焊后热处理
焊后热处理可以降低堆焊层的应力水平以及使其组织和性能得到均匀化。堆焊结束后应立即进炉热处理，一般采用的方法为整体电加热，高温回火。高温回火的温度、恒温时间、升降温速度等参数必须兼顾阀体和堆焊层两者，随炉冷却至室温再开炉门，热处理过程温度控制见图5。
图5 热处理过程温度控制
Fig.5 Heat treatment process control
4 修后检验
超超临界燃煤发电机组高旁主阀门阀座修复后经硬度和着色检测，无裂纹和气孔等缺陷，密封面硬度值为HRC=40～42，密封面经阀芯和阀座校核后严密性均达到相关技术要求。水压试验压力为42 MPa，保持时间2 h，未发现泄露。
2014年10月，在1号机组检修过程中现场解体检查修复后投运的高旁C主阀门，未发现影响阀座密封面严密性的缺陷存在，见图6。
图6 高旁主阀现场解体检查结果
Fig.6 The inspection result of on-site disassembly of HP Bypass main valve
5 结语
超超临界燃煤发电机组的高旁主阀门阀座修复，工艺复杂，技术难度高。通过制定详细的修复工作程序以及合理的堆焊工艺使修后质量合格。
高旁主阀门阀座的成功修复，不仅节约了发电企业的设备和检修成本，缩短了检修工期，也为类似设备的检修提供了方法和途径。
镍基高温合金材料过渡工艺和热丝氩弧焊机器人焊接新技术的成功应用，为在恶劣环境工作条件下的阀门密封面在线修复技术研发打下了良好的基础。
