国产300MW火电机组低压焊接转子的应用

摘 要：由于新型电站设备不断发展的需要，作为汽轮机的"心脏"部件--大型转子，采用焊接结构转子代替传统的整锻结构转子，具有许多无可比拟的优越性，国产300MW机组低压焊接转子在我厂的成功应用对于我国的发电装备的制造和使用都是一项重大突破。

关键词：国产 300MW 低压焊接转子 应用

中图分类号：TG47 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2014）08-0345-01

一、引言

电站设备作为现代工业重要装备之一，其发展水平直接影响到国民经济建设的增长；同样，作为电站设备的制造技术，其先进性反映了一个国家在大型装备上的制造水平。作为基础制造技术之一的焊接技术在电站设备制造中具有十分重要的地位。

由于新型电站设备不断发展的需要，作为汽轮机的“心脏”部件――大型转子，采用焊接结构转子代替传统的整锻结构转子，具有许多无可比拟的优越性（即强度高，相对重量轻，结构紧凑，刚度大，能采用异种金属焊接，适应高中低压各部分不同功能需求，尤其是低压部分大直径的需求），解决了优质大锻件的供货难问题，缩短了生产周期，提高了材料利用率，更重要的是对大型转子结构设计带来了技术上革命性的先进理念。

一直以来大型转子的焊接技术都被国外厂商所垄断，其低制造成本和低供货难度等优势在国内无法得以体现，我厂作为国内首根国产300MW级低压焊接转子（转子外貌见图一）的试验使用单位，验证了国产发电装备的制造能力和国产焊接转子使用性能，填补了行业空白。

图一 焊接转子外貌（中部为对接焊缝）

二、设备概况

首次试验应用国产300MW低压焊接转子的机组为我厂的6号机组，6号机组汽轮机为东汽生产的300MW亚临界、中间再热、两缸两排汽、凝汽式汽轮机，型号为N300―16.7/537/537―5 型（合缸），额定功率300MW ，最大功率330MW。从机头往发电机方向看为顺时针、转速3000r/min，通流级数总共 28 级，高压1 调节级和9压力级，中压6压力级，低压为2×6 压力级。

额定工作参数如下：

新蒸汽压力（高压主汽阀前）：16.7Mpa

新蒸汽温度（高压主汽阀前）：537℃

再热蒸汽压力（中压联合汽阀前）：3.181Mpa

再热蒸汽温度（中压联合汽阀前）：537℃

背压：冷却水温 20℃时，设计背压5.39Kpa

额定进汽量：904t/h

最大连续进汽量：1025t/h

三、技术背景

从1926年原瑞士ABB公司开始发展汽轮机焊接转子技术，1930年制造成功世界上第一根汽轮机焊接转子至今焊接转子的发展已有80多年历史。随着焊接技术的进步和对汽轮机采用焊接转子独特优点认识的深化，采用焊接转子已不单纯局限于解决难以获得优质大锻件的问题，对其它优越性的新认识也在促进焊接转子发展。如大功率机组汽轮机采用焊接转子适合用于调峰机组。满足大功率核电机组汽轮机转子的制造并具有更高的安全性、解决低压转子应力腐蚀问题，同时因为焊接转子在缩短生产周期和缓解大型整锻转子供货困难等优势，目前欧洲汽轮机制造商在常规汽轮机中常采用焊接转子。加之半转速核电站汽轮机转子体积和重量都很大，低压转子质量在150吨以上，整锻毛坯采购困难，国外只有极少数厂家能生产，价格昂贵。因此核电汽轮机机转子也采用采用焊接转子。

国内1959年开始汽轮机焊接转子的试验研究，南汽、杭汽对燃气轮机焊接转子进行了试验研究，上汽曾在125MW机组、四排汽300MW汽轮机组上采用过焊接转子，后来由于一些原因而放弃了焊接转子。而近来由于节能减排、节省材料的需要，同时由于核电转子的尺寸对整体锻造设备的能力要求很高，因此该项工作又引起了各汽轮机公司的重视。

东汽曾于八十年代对三十万机组的焊接转子进行了设计研究。近年为积极响应国家关于核电重大设备制造自主化的号召主动承担了国家十一五科技支撑计划项目――核电汽轮机焊接转子研发工作。2007年东汽核电焊接转子总装车间开工奠基。项目建成后形成年产6台套百万等级核电机组用焊接转子的研制能力，并成为世界上少数几家具有独立自主核电转子焊接技术的企业，这对中国核电事业的发展以及为全面推进核电国产化工作，突破核电焊接转子生产技术瓶颈，解决中国核电发展面临的转子毛坯资源紧缺问题，满足国家大力发展核电事业的要求，起到极其重要的推动作用。

2009年3月东汽焊接转子总装车间投入使用，在经过一系列试验研究的基础上，2009年12月火电300MW低压转子焊接试制取得成功，这为后续自主开展核电汽轮机焊接转子试制奠定了良好基础。

在此之前东汽采用外委方式委托意大利生产了7根材料和结构完全相同的焊接转子，并已在印尼龙湾1号和3号机组、巴齐单1号和2号机组、中国惠州2号机组、安阳9号机组、龙岩2号机组上顺利投运。东汽自主生产的这根焊接转子焊接工艺与意大利完全相同、检验要求更加严格（增加了根部焊缝RT），与意大利焊接的转子质量相比处于同等水平。

四、焊接转子的优点

转子是汽轮机的核心部件，转子的结构形式很多，如整锻转子、套装转子、焊接转子、组合转子等，但在大型汽轮机（特别是半转速机组）的制造中，焊接结构的转子已经成为了最为理想的结构，与其他结构的转子相比，焊接转子有以下优点：

设计灵活、结构紧凑，可利用较小的锻件，易于锻造，易于保证内在的质量。

内部可形成空腔，减轻了转子重量，减薄了壁厚，使转子的内外温差减小，减小了转子的热应力，也提高了转子的临界转速。

由于转子由多个组焊而成，每一段都可进行完善的热处理，也易于验证各截面进行探伤检查，发现缺陷时也易于返修和更换， 减少了损失，降低了风险。

可以避免整锻转子在温度作用下因钢锭成分、组织及性能方面的不均匀而引起的变形。

转子各部分可采用不同的材料，以满足不同工作部位对材料性能的不同要求，合理的使用合金材料。焊接转子有很多优点，但其对材料的焊接性能要求高，焊接技术复杂，焊后的探伤要求高，难度大已成为制约焊接转子发展的瓶颈。

五、焊接转系的应用难点

转子作为火力发电厂的重要部件对运行过程中的安全性要求很高，汽轮机专业和金属监督专业都将其定位为重点监督部件，由于焊接转子焊缝厚度较大，材料强度高、裂纹敏感性高，运行时应力水平很高，且应力组成复杂，对于运行后的监督工作提出了很高的要求。

转子加工时虽然已经在打底焊后对焊缝根部进行了射线探伤，确保出厂时没有焊接缺陷，但是焊缝填充后以至于今后的使用中要想对焊缝根部进行检测有一定难度，并且目前对于此类焊接转子的检测没有适用的国家或行业标准。

六、应对措施

为确保转子的使用安全，对于转子的监督检验目前执行的是东汽的企业标准。检验方法采用多方法联合，各尽所长。其中应用了表面检验、相控阵检测、直探头和直探头加楔块超声波检验以及横波斜探头超声波检验（见图二），兼顾了焊缝的根部、内部和表面的缺陷探测。

此外我厂还积极与电科院合作共同探索此类转子的监督方法，为此类转子的安全运行保驾护航，并加速促成可执行的行业标准的出台。

图二 转子超声波检测设备及相控阵检测现场

七、应用效果

目前该低压焊接转子在我厂运行已经有两年时间，期间转子运行稳定，各项参数与其它整段转子机组无差异，各项振动指标、温度指标和机组经济指标均正常。

八、结语

我厂对国产300MW汽轮机低压转子的焊接制造技术与应用，改变目前汽轮机转子生产对大型锻压设备和锻压技术的强烈依赖，打破国外垄断，是国内制造单位获得了拥有自主知识产权且能国产化制造的汽轮机转子焊接技术，同时也为大型核电焊接转子焊接技术开发提供技术支持。