背壓式汽輪機支腿翹起的原因分析及處理

王 濤

(中國石化集團四川維尼綸廠,重慶長壽 401254)

1 概 況

T1701是我廠200 kt/a合成氨裝置氮氣壓縮機的驅(qū)動透平,其型號為N G25/20,系杭州汽輪機廠生產(chǎn)的背壓式汽輪機。其主要參數(shù)如表1。

表1 汽輪機參數(shù)

該汽輪機為兩側(cè)進汽背壓式汽輪機,蒸汽背壓壓力為0.6 MPa,約250℃,并入我廠6巴蒸汽管網(wǎng)作為它用。

2008年7月,在施工單位完成了汽輪機及其相關(guān)管道的安裝調(diào)試工作后,根據(jù)試車條件檢查確認表對相關(guān)內(nèi)容進行了逐項確認,開始對該汽輪機進行單機試車。當(dāng)操作人員按照操作規(guī)程對汽輪機暖機后,現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)汽輪機一側(cè)2個貓爪間隙發(fā)生了非正常變化,間隙從0.17 mm變?yōu)?,而另一側(cè)2個貓爪間隙為0.15 mm,在正常許可范圍之內(nèi)。根據(jù)該現(xiàn)象判斷汽輪機發(fā)生了單側(cè)支腿翹起故障。當(dāng)關(guān)閉相連暖機暖管閥門,冷卻下來后,單側(cè)翹腿現(xiàn)象消失。

2 原因分析及論證

造成汽輪機單側(cè)翹腿的原因比較多,主要從以下幾方面進行了分析。

2.1 透平熱膨脹的不均勻性導(dǎo)致翹腿

引起熱膨脹不均勻的因素有透平本身材料膨脹系數(shù)不同和工藝操作不規(guī)范兩個原因。

(1)透平上下缸本身材料膨脹系數(shù)不同

該型汽輪機上下汽缸材料均為ZG22Mo,由廠家提供的材質(zhì)分析檢驗報告(詳見表2)可以判斷,缸體材料因素可以排除,因為上下缸材質(zhì)相同,熱膨脹系數(shù)相同。

表2 材質(zhì)分析報告

(2)工藝暖管暖機時間不夠造成膨脹不均勻

本機組采用背壓暖機,盤車電機驅(qū)動棘爪帶動透平轉(zhuǎn)子進行暖機。暖機采用6巴蒸汽(壓力0.6 MPa、溫度 220℃),36巴蒸汽(3.5 MPa、390℃)關(guān)到主汽門前。

汽輪機在冷態(tài)時,四個貓爪間隙均在0.15～0.20 mm之間,符合要求,其他安裝數(shù)據(jù)如同心度、水平度也符合要求。

2.2 配管施工質(zhì)量

依據(jù)設(shè)計圖紙和規(guī)范 GB/T17116.1-1997《管道支吊架第一部分:技術(shù)規(guī)范》等施工技術(shù)規(guī)范檢查36巴蒸汽管道,6巴背壓蒸汽管道、漏氣管管道的支吊架活動部分、恒力支吊架是否隨管道熱位移正常工作,是否在合理范圍,導(dǎo)向裝置是否安裝正確,滑動板是否安裝到位。

通過對上述內(nèi)容的實際檢查,發(fā)現(xiàn)在施工中存在如下問題:

(1)6巴蒸汽管道導(dǎo)向裝置滑動板未按規(guī)范加襯聚四氟乙烯板;

(2)6巴蒸汽管道的一處吊點未按圖施工;

(3)36巴蒸汽管道一處恒力支吊架鎖定裝置未拆除,造成恒力吊架變成了剛性支架,改變了管道的受力。

對上述施工中存在的問題整改后,再次暖機,汽輪機仍出現(xiàn)了支腿翹起現(xiàn)象。

2.3 熱力管道附加綜合熱膨脹力大于汽輪機殼體質(zhì)量,將其偏心頂起,從而造成汽輪機翹腿

即管道對設(shè)備產(chǎn)生的推力及力矩過大引起汽輪機非正常變化。

大家知道,管道的設(shè)計特別是熱力管道的設(shè)計,管道應(yīng)力分析和計算是其中的一項重要內(nèi)容。其應(yīng)力分析與計算主要包括對管系的柔性計算和管系的應(yīng)力驗算兩個部分。并主要體現(xiàn)在管道對設(shè)備的推力及力矩計算上。

管道對汽輪機產(chǎn)生的推力及力矩,主要是因熱脹冷縮、冷緊、附加位移及其他約束位移、持續(xù)外載(包括管道的自重及支吊架反力)等造成的。影響推力及力矩的因素較多,主要體現(xiàn)在管道的布置、管子的幾何尺寸、鋼材的特性、支吊架的布置及形式、運行參數(shù)及預(yù)冷緊等方面。

基于以上分析,對與汽輪機相連的管道進行了實際察看及判斷,結(jié)果如下。

(1)管道的布置 該設(shè)備及管道安裝在已有裝置位置,且周圍設(shè)備管道繁多,為管道設(shè)計增加了極大難度,整個管道的設(shè)計在柔性方面缺陷較大。

(2)管道的幾何尺寸 與汽輪機連接的高溫管道主要有 36巴蒸汽管道DN150主管1根、DN150支管2根,6巴蒸汽管道(DN250)1根,漏氣管DN100 1根,汽輪機輪式疏水管DN25 1根、平衡疏水管DN15 1根,汽封冷卻器進口蒸汽管DN25 1根。從以上數(shù)據(jù)可以看出,管道公稱直徑均不大。

(3)管道鋼材特性 管道材質(zhì)分別為15CrMo (36巴蒸汽管用)和20號鋼(其他管道用),此兩種材質(zhì)均為較普通的材質(zhì),無非常特別的性質(zhì)。

(4)支吊架的布置及形式 本管系主要有承重支吊架和限位支吊架兩種。其中,承重支吊架共7個,限位支吊架2個。

(5)運行參數(shù)及預(yù)冷緊 管道介質(zhì)的運行參數(shù)均在正常操作范圍之內(nèi),未超設(shè)計。對相關(guān)法蘭螺栓進行了預(yù)冷緊。

當(dāng)管道對汽輪機的推力及力矩較大時,會使汽輪機產(chǎn)生中心偏移。從廠家的隨機資料中得知,該汽輪機殼體質(zhì)量約2 500 kg(質(zhì)量較小)。為確定管道對汽輪機的力及力矩,我們委托汽輪機廠家根據(jù)設(shè)計院提供的管道現(xiàn)場布置圖等相關(guān)資料對汽輪機各管口的允許力等依據(jù)NEMA的相關(guān)公式進行了核算,結(jié)果如表3。

從表3得知,11項核算結(jié)果中有8項顯示計算不能通過,僅有3項通過,由此可以判斷,與汽輪機相連的管道對設(shè)備產(chǎn)生了不合適的力及力矩,造成了汽輪機單側(cè)翹腿。

表3 汽輪機各管口允許力計算結(jié)果

3 處理措施

(1)根據(jù)管道對設(shè)備的推力及推力矩的校核意見,設(shè)計人員對與該汽輪機相連的蒸汽管道(主要是36巴和6巴)進行了重新布管,增加了熱膨脹彎,改變管道走向,進而增加了整個熱力管線的柔性。根據(jù)新的管線布置,汽輪機力及力矩值的校核結(jié)果通過。

(2)對管道上的各滑動支撐點的接觸面加襯聚四氟乙烯板,減少摩擦系數(shù),以便于管道能按照設(shè)計計算的方向正常膨脹。

通過上述處理,該汽輪機在暖機及隨后的運行中再未發(fā)生支腿翹起現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

(1)對于復(fù)雜場所的改造項目,應(yīng)將管道特別是熱力管道的柔性設(shè)計放到突出位置,做到管道布置合理,補償良好,支吊恰當(dāng)。

(2)對于較小質(zhì)量的背壓式汽輪機,因其對熱力管道的推力和力矩的反應(yīng)更加敏感,故在汽輪機暖機、運行時須加強支腿間隙的檢查,及時分析處理異常情況,避免造成設(shè)備損壞。

(3)對于包含熱力管道及大口徑(或大應(yīng)力)管道的技改擴建,須加強管道的施工質(zhì)量管理,特別是管道支架、吊架、固定點的管理。