液壓拉伸對輪螺栓在汽輪發(fā)電機組中的應用

汪永久，林 森，劉學增

(1．華能大連電廠，遼寧 大連 116100;2．東北電力科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006)

汽輪發(fā)電機組容量越來越大，聯(lián)軸器螺栓的裝配和拆卸也越來越困難。國外采用液壓拉伸對輪螺栓替代傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓，有效解決了這一難題。這種先進的液壓拉伸螺栓在歐洲電站及大型艦船已經(jīng)廣泛使用，GE公司在大型發(fā)電機組上也開始推廣應用。國內(nèi)進口大部分法國ALSTOM生產(chǎn)的350 MW機組和核電900 MW機組均使用液壓拉伸螺栓，而國產(chǎn)及早期進口發(fā)電機組在這項技術上還是空白。

1 傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓與液壓拉伸對輪螺栓比較

1.1 傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓存在缺陷［1］

a． 根據(jù)定位精度及傳遞扭矩要求，螺栓與孔直徑間隙保證在0.03 mm(只限定位部)以內(nèi)，且具有良好直線度及光潔度。

安裝中要求穿聯(lián)軸器螺栓時兩對輪及中間墊片(盤車齒輪或測量脹差用)必須同心，但由于加工及測量誤差等，螺栓穿孔非常困難。若強行將螺栓打入螺孔內(nèi)，會使螺栓及螺孔受損，再加上機組啟動帶負荷后，汽機軸功率通過聯(lián)軸器螺栓傳遞到發(fā)電機端，聯(lián)軸器螺栓受扭轉(zhuǎn)剪切應力作用而使定位部變形，那么機組下次檢修時拆卸聯(lián)軸器螺栓將更困難，即使將聯(lián)軸器螺栓拆卸下來，螺栓也會損壞嚴重。

b． 螺孔拉毛，給聯(lián)軸器造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，需要重新鉸孔。

現(xiàn)場鉸孔時放大了間隙，勢必會影響聯(lián)軸器定位精度。當電網(wǎng)振蕩對軸系產(chǎn)生巨大沖擊時，螺孔間隙不均勻會使螺栓受到不均勻剪切力，導致聯(lián)軸器兩側(cè)端面出現(xiàn)錯位，此為軸系發(fā)生工頻倍頻振動的原因之一，直接影響機組穩(wěn)定運行。

c． 由于聯(lián)軸器螺栓拆卸困難，軸系若出現(xiàn)振動、軸瓦溫度高、軸瓦磨損、推力瓦磨損等問題，只能在計劃檢修中實施，搶修時很難實現(xiàn)。

1.2 液壓拉伸螺栓簡介

圖1 液壓拉伸螺栓結(jié)構

a． 液壓拉伸螺栓是20世紀80年代歐洲發(fā)展起來的一種新興技術，與傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓相比，具有許多優(yōu)點，其結(jié)構見圖1。

b． 液壓螺栓使用方法

先將螺栓2和錐形套4放入聯(lián)軸器螺孔內(nèi) (注意錐形套4方向)。錐形套與聯(lián)軸器螺孔具有較大間隙 (0.08 mm)，便于螺栓與聯(lián)軸器螺孔裝配。

c． 利用一個定位套將錐形套4限制在聯(lián)軸器中間位置。

d． 用拉伸桿將拉伸用錐形螺母6旋入，在液壓拉伸器軸向拉力作用下，螺栓被拉伸，強制錐形套4膨脹、外徑變大，在聯(lián)軸器螺孔內(nèi)產(chǎn)生過盈配合 (間隙為0)，完全消除了螺栓與聯(lián)軸器螺孔之間的裝配間隙，從而達到精確定位的目的。

1.3 液壓螺栓優(yōu)點

a． 螺栓與聯(lián)軸器螺孔在裝配時留有較大間隙，螺栓與錐形套采用錐面結(jié)構，可實現(xiàn)快速安裝和拆卸，消除螺栓卡住及表面損傷等故障，降低勞動強度，提高工作效率。

b． 聯(lián)軸器螺孔與錐形套4之間徑向過盈配合，容易達到同心度要求，從而避免聯(lián)軸器法蘭盤間滑移錯位。

c． 由于液壓力能夠準確控制螺栓伸長量和緊力，能在聯(lián)軸器法蘭盤間建立巨大正壓力及摩擦力，使螺栓剪切力降低，延長其使用壽命，避免傳統(tǒng)螺栓靠人工打大錘緊固而造成的螺栓受力不均勻。

d． 液壓螺栓可反復使用，無需替換備件，不會對聯(lián)軸器螺孔造成損傷。

2 液壓螺栓強度復核計算

2.1 液壓螺栓強度相關計算

使用材料性能［1］如下。

螺栓及螺母: σ0.2=816 MPa，［τ］=417 MPa，HB=285，彈性模量E=203 GN/m2

許用應用: ［σ1］=281 MPa，［τ1］=162 MPa，

錐套: σ0.2=686 MPa，［σA］=343 MPa，

數(shù)據(jù)測試:測量螺栓總長度L0為453.5 mm。

將螺栓及錐套裝入模擬聯(lián)軸節(jié)試驗裝置的螺栓孔，用定位套將錐套在螺孔中軸向定位，聯(lián)接好液壓系統(tǒng)，安裝測量裝置——磁力表架百分表，開始加壓。這時，螺栓開始軸向位移。壓力表讀數(shù)及螺栓軸向位移試驗數(shù)據(jù)見表1。

此過程為錐套膨脹 (定位)過程，即消除錐套與螺孔間隙，達到過盈配合狀態(tài)。然后，安裝兩端螺母并用手擰緊。在螺栓小端聯(lián)接液壓系統(tǒng)，安裝百分表，進行螺栓拉伸過程。當壓力達到15 000油壓 (PSI)時，用手擰緊小端螺母，釋放油壓。這時螺栓保留0.44 mm的拉伸量，具體過程見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)記錄表

2.2 剪應力計算

運行過程中，假定極端狀態(tài)下扭矩完全由錐套及螺栓承受的剪切力傳遞。螺栓數(shù)量為18根，按額定功率的1.1倍校核，則:

式中，額定功率N=350 MW;對輪螺栓中心圓半徑R1=0.812 8/2=0.406 4 m;液壓對輪螺栓半徑R2=0.069/2=0.034 5 m。

短路狀態(tài)下，按6倍額定功率計算如下:

實際上，因聯(lián)軸節(jié)圓盤之間存在很大摩擦力，僅傳遞30%以上額定功率，故錐套及螺栓實際承受剪切力要比以上數(shù)值更小，滿足使用性能。

2.3 液壓拉伸螺栓的拉應力強度計算

校核實物試驗過程中高壓油泵壓力表顯示最大壓力值，即螺栓所受最大拉力時強度情況:當液壓拉伸壓力達到15 000 PSI時，Pmax=15 000 PSI=103.4 MPa。

求得最大拉力Fmax=414 205 N，螺栓最小截面尺寸D=0.043 5 m Am=πd2/4=0.001 485 m2，因此，σmax=Fmax/Am=279 MPa

螺栓伸長量為Δl，其計算公式如下:

式中，E=203 GN/m2;為對應液壓拉伸螺栓伸長量及其螺栓最小截面積。

實物實驗時，螺栓最后保持伸長量值ΔL0=0.44 mm。對應螺栓保持拉力F0=357 353 N，應力 σ0=F0/Am=240 MPa＜ ［σ1］ =281 MPa，減小伸長量可相應降低螺栓所受拉應力，實際安裝時液壓拉伸螺栓伸長量僅為0.33 mm，所受拉應力比σ0=F0/Am=240 MPa更小，滿足使用性能。

2.4 螺母的強度計算

M52×3，L=50 mm可承受最大拉力為842 800 N，而目前最大拉力僅為357 308 N，安全裕量很大。C422螺母抗拉許用應力〔σb1〕 =281 MPa。

擠壓強度應力:σJ=F0/A0=357 353/0.002 341=152 MPa ＜ 〔σb1〕 =281 MPa［2］。

式中:F0=357 353 N=36.46 T;A0=1/4π (φ12－φ22) =1/4π (882－692) ×10－6=0.002 341 mm2;φ為螺母的有效截面直徑，mm。

強度校核計算表明:液壓對輪螺栓強度能滿足機組運行要求。

3 改造實施工藝過程及應用

3.1 改造實施工藝過程

a． 軸系找完中心后，用4條臨時螺栓將聯(lián)軸器擰緊。

b． 測量聯(lián)軸器孔徑原始尺寸后，開始鏜孔。當鏜孔尺寸、橢圓度、光潔度、錐度達到汽輪機出廠標準后，測量聯(lián)軸器孔徑最終尺寸。

c． 按鏜孔后聯(lián)軸器孔徑尺寸配磨錐形套，使其尺寸小于聯(lián)軸器孔徑尺寸 (0.06～0.08 mm)。

d． 裝配前測量螺栓原始長度。

e． 連接好液壓系統(tǒng)，在螺栓兩端裝上百分表用以測量伸長量。

f． 液壓系統(tǒng)加壓，在不同壓力下記錄伸長數(shù)據(jù)。當達到預定壓力時，用手擰緊螺母，釋放壓力。測量的螺栓長度與原始長度之差即為螺栓伸長量，使其達到設計伸長量 (0.33 mm)。

經(jīng)過安裝測量表明，采用新型液壓拉伸對輪螺栓完全能夠滿足原有傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓安裝的技術工藝要求。

3.2 新型液壓拉伸對輪螺栓的應用

華能大連電廠1期2臺三菱350 MW機組和2期英巴350 MW機組高壓缸—低壓缸、低壓缸—發(fā)電機對輪螺栓，均為傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓。從2006年開始，4臺機組陸續(xù)將對輪螺栓改造為液壓拉伸螺栓。

2006年4號機組大修期間，拆卸高壓—低壓、低壓—發(fā)電機傳統(tǒng)聯(lián)軸器對輪螺栓，用時48 h，18根對輪螺栓中有7根拉毛損壞嚴重已無法使用，見圖2。2011年5月，4號機組大修期間，拆卸使用了運行5年的高壓—低壓、低壓—發(fā)電機新型液壓拉伸對輪螺栓，僅用時2 h，液壓拉伸螺栓無一拉毛及損壞，見圖3。僅拆卸對輪螺栓一項，就節(jié)省工時46 h，經(jīng)濟效益顯著。

采用新型液壓拉伸螺栓后，所配螺母也由六方形改為圓形，且對輪護板直接禁錮在螺栓上，降低了對輪鼓風的影響，提高了設備安全。

采用液壓螺栓連接后，螺栓緊力增強，受力更加均勻，提高了設備運行的可靠性。

采用液壓拉伸方法后，聯(lián)軸器螺栓不會受到徑向沖擊載荷，螺栓使用壽命大大提高，機組運行更可靠。

4臺350 MW機組將高壓缸—低壓缸、低壓缸—發(fā)電機的對輪螺栓改造為液壓拉伸螺栓后，運行至今已有5年時間，期間經(jīng)歷了多次超速試驗和長時間滿負荷運行，實踐證明，液壓拉伸螺栓性能穩(wěn)定，軸系振動合格，技術改造非常成功。

4 結(jié)論

a． 華能大連電廠4臺350 MW機組采用新型液壓對輪螺栓后，拆裝單臺機組高壓—低壓、低壓—發(fā)電機對輪所用時間由48 h減少到2 h，所用工時大幅減少，僅此一項就節(jié)省2天大修時間，經(jīng)濟效益顯著。

b． 采用新型液壓拉伸對輪螺栓，聯(lián)軸器螺栓不會受到徑向沖擊載荷，螺栓使用壽命大大提高。

c． 采用新型液壓拉伸對輪螺栓，強度、材料使用、外形尺寸、螺栓伸長量等因素都滿足傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓技術工藝要求。

［1］ 徐 為．汽輪發(fā)電機組聯(lián)軸節(jié)液壓螺栓系統(tǒng)介紹［R］．聯(lián)軸節(jié)液壓螺栓的安裝手冊 (用戶版)．

［2］ 劉鳴放．金屬材料力學性能手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2010．

［3］ 黃冰陽．艦船軸系用高強度液壓螺栓的性能研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學，2008．