淺析凝汽器直通式自平衡膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)方案

朱文廷

(上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機(jī)廠，上海 200090)

0 概 述

采用彈簧支撐的汽輪機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)，其低壓缸與凝汽器采用了剛性連接。低壓缸及凝汽器設(shè)備的豎直方向上的位移，由凝汽器平臺(tái)底部的支撐彈簧所吸收。凝汽器的重量載荷大部分作用在殼體底部彈簧支座上。其余的凝汽器重量載荷，均作用在汽輪機(jī)的低壓缸上。

該凝汽器循環(huán)水的入口管道，在水平段為混凝土管道，然后對(duì)接L型鋼制管道，再進(jìn)入凝汽器。凝汽器水室出口的連接管道，除豎直段為收球網(wǎng)設(shè)備和小段鋼制管道，其余的彎頭及后續(xù)水平管道，均為混凝土材質(zhì)。凝汽器與循環(huán)水管路間的熱脹位移， 由凝汽器循環(huán)水接口處的膨脹節(jié)所吸收。凝汽器與循環(huán)水管道的連接形式，如圖1所示。

圖1 凝汽器與循環(huán)水管道的連接

1 產(chǎn)生的問(wèn)題及盲板力計(jì)算

如果凝汽器的循環(huán)水采用下進(jìn)式，且在凝汽器水室接口處，又設(shè)置了吸收設(shè)備熱脹的膨脹節(jié)，則由循環(huán)水水壓產(chǎn)生的推力，將作用在循環(huán)水的進(jìn)出口上，即在凝汽器水室口對(duì)應(yīng)的截面上，產(chǎn)生向上的盲板力。盲板力的計(jì)算公式為：

∑F=n×P×S。

(1)

式(1)中：n-循環(huán)水接口數(shù)量；

P-循環(huán)水的最大水壓；

S-每個(gè)循環(huán)水接口的內(nèi)截面積。

例如在某型機(jī)組中，凝汽器的單個(gè)殼體有4個(gè)水室(2個(gè)循環(huán)水進(jìn)口水室，2個(gè)循環(huán)水出口水室)。循環(huán)水接口的直徑為DN2800，設(shè)計(jì)壓力為0.4 MPa。若循環(huán)水接口采用向下進(jìn)出式，單個(gè)凝汽器接口將因水壓而產(chǎn)生額外向上的力，約為9 700 kN。

在極端工況下，盲板力過(guò)大，將影響機(jī)組的安全運(yùn)行,特別是對(duì)于由彈簧支撐的汽輪機(jī)平臺(tái)，因此，必須采取有效措施，解決盲板力過(guò)大的問(wèn)題。

2 通常的解決方案

為了平衡該型設(shè)備所受的盲板力，通常采用旁通式軸向壓力平衡型或彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)方案，以消除豎直方向上的盲板力，降低對(duì)機(jī)組運(yùn)行時(shí)的影響。同時(shí)，也需對(duì)水室結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

2.1 旁通式軸向壓力平衡型膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)方案

若采用旁通式軸向壓力平衡型的膨脹節(jié)方案，需調(diào)整凝汽器的水室結(jié)構(gòu)。旁通式軸向壓力平衡型膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。因水壓產(chǎn)生的作用力，將加載在水室上部封頭的內(nèi)表面，而封頭通過(guò)其周?chē)睦瓧U與下面的管道形成剛性連接。如此，水室就不再承載向上的盲板力了。

圖2 旁通式軸向壓力平衡型膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)方案

若采用該方案，需要對(duì)凝汽器水室結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大改動(dòng)和補(bǔ)強(qiáng)，將使水室的尺寸變大和重量增加。同時(shí)，也增加了設(shè)備運(yùn)輸方面的困難。

2.2 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)方案

在彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)方案中，需將凝汽器水室的進(jìn)出口改為側(cè)向進(jìn)出。彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。該方案采用了剛性彎頭，在彎頭兩側(cè)，分別用膨脹節(jié)對(duì)接水室接口和管道接口，同時(shí)，在彎頭的側(cè)面，還有連桿分別連接水室和管道。設(shè)置連桿之后，膨脹節(jié)承受的盲板力均由連桿平衡，而設(shè)備的熱脹位移，則由膨脹節(jié)組的角位移吸收。

圖3 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的設(shè)計(jì)方案

在該方案中，凝汽器水室采用了側(cè)進(jìn)方式，設(shè)備的重量較輕，運(yùn)輸時(shí)設(shè)備高度較低。但是，采用該方案時(shí)，需修改循環(huán)水管道的進(jìn)水方向后，才能使用。在水室接口外部管道的布置中，還應(yīng)增加1個(gè)彎頭的布置空間。并且，因水室接口處的熱膨脹位移，需由膨脹節(jié)的角位移進(jìn)行吸收。

3 直通式軸向壓力自平衡型膨脹節(jié)方案

3.1 膨脹節(jié)的工作原理

在直通式軸向壓力自平衡式橡膠膨脹節(jié)中，具有串聯(lián)3個(gè)膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)，由中間平衡膨脹節(jié)和前后2個(gè)工作膨脹節(jié)組成。采用法蘭連接膨脹節(jié)，共有4個(gè)連接法蘭，設(shè)置了拉桿等結(jié)構(gòu)件，組成了3個(gè)膨脹節(jié)的整體結(jié)構(gòu)。壓力自平衡型膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 壓力自平衡型膨脹節(jié)的結(jié)構(gòu)

依據(jù)帕斯卡靜力學(xué)原理，在管道上布置壓力平衡型膨脹節(jié)，可使管道內(nèi)壓達(dá)到自平衡，即為受力相等且方向相反的靜力平衡。當(dāng)平衡膨脹節(jié)的環(huán)形面受壓時(shí)，其環(huán)形受壓面的截面積等于管道通流截面積，即膨脹節(jié)的工作截面積。特殊設(shè)計(jì)的平衡腔，可滿足受力相等、方向相反的平衡要求。因此，在凝汽器水室接口和循環(huán)水管道接口處，僅需承受膨脹節(jié)組變形時(shí)產(chǎn)生的彈性反力。壓力自平衡型膨脹節(jié)的安裝，如圖5所示。

圖5 壓力自平衡型膨脹節(jié)的安裝

從圖5可知，壓力自平衡型膨脹節(jié)中的法蘭A與凝汽器水室采用了剛性連接，法蘭A和法蘭C通過(guò)拉桿進(jìn)行固定。法蘭C環(huán)形面的面積與管道截面積相同。這樣，循環(huán)水作用于水室上的盲板力，就與作用在法蘭C環(huán)形面的壓力載荷相平衡，受力的大小相等、方向相反，達(dá)到平衡狀態(tài)。同理，法蘭B和法蘭D也能使受力載荷達(dá)到平衡狀態(tài)。

在凝汽器的運(yùn)行工況中，水室接口的熱位移是向下的，整個(gè)膨脹節(jié)組將吸收設(shè)備向下的熱膨脹位移，處于壓縮狀態(tài)。在膨脹節(jié)組中，上下2個(gè)工作膨脹節(jié)因吸收了熱膨脹位移，是處于壓縮狀態(tài)，中間的平衡膨脹節(jié)處于拉伸狀態(tài)。自平衡式膨脹節(jié)與旁通式軸向壓力平衡型膨脹節(jié)、彎管壓力平衡型膨脹節(jié)一樣，也采用了橡膠材質(zhì)，可吸收部分軸向、徑向、角向上的位移量。相對(duì)于不銹鋼膨脹節(jié)，橡膠產(chǎn)品的剛度較低。如果采用自平衡式膨脹節(jié)方案，則膨脹節(jié)的直徑較大，約為同等口徑膨脹節(jié)的1.5倍，在凝汽器循環(huán)水的管道布置中，占用管道的長(zhǎng)度達(dá)1.7 m。

3.2 受力分析

3.2.1 拉桿的受力計(jì)算

拉桿的受力，可按最高設(shè)計(jì)壓力所產(chǎn)生的推力進(jìn)行計(jì)算。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，溫度為10～40℃，因溫差的變化較小，所以，不考慮溫差對(duì)許用應(yīng)力產(chǎn)生的影響。拉桿的受力為：

∑F拉桿=1.5Pd×A

(2)

式(2)中：設(shè)計(jì)壓力Pd=0.4 MPa；截面積A=6 069 871 mm2(DN2800管道內(nèi)截面積)。

經(jīng)計(jì)算，單根拉桿可承受的拉力，為3 642 kN。共設(shè)置了12根拉桿，平均單根拉桿的受力，為303.5 kN。選用的拉桿的材料為35CrMoA。在GB/T3077-2015標(biāo)準(zhǔn)中，該材料M24～M48螺栓的許用應(yīng)力，為206 MPa。經(jīng)核算，單根拉桿的直徑應(yīng)大于43 mm，圓整后，選用M48，即可滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 法蘭的應(yīng)力分析

膨脹節(jié)組中的法蘭，采用了Q345R材料，并在圓周上均布了48塊加強(qiáng)筋板。在中間平衡膨脹節(jié)處，需提供與通流面積一致的環(huán)形截面，用于盲板力的自平衡，所對(duì)應(yīng)的法蘭需承受最外圈拉桿、環(huán)形面上的水壓壓力、工作膨脹節(jié)及中間平衡膨脹節(jié)的彈性力。在法蘭上的受力較為復(fù)雜，因此，需對(duì)法蘭進(jìn)行應(yīng)變分析和應(yīng)力分析。

加載相應(yīng)受力后，法蘭的應(yīng)變?cè)茍D，如圖6所示。從圖6可知，最大處的應(yīng)變值，為0.012 927 mm，遠(yuǎn)低于Q345R材料的0.2%的屈服應(yīng)變，判定合格。

圖6 計(jì)算后的應(yīng)變?cè)茍D

經(jīng)計(jì)算，法蘭的應(yīng)力云圖，如圖7所示。由圖7可知，法蘭的最大應(yīng)力，為2.366 6 MPa，按ASME Ⅷ-2標(biāo)準(zhǔn)中的要求，遠(yuǎn)低于Q345R材料的許用應(yīng)力189 MPa，因此，驗(yàn)算合格。

圖7 計(jì)算后的應(yīng)力云圖

3.2.3 驗(yàn)證橡膠膨脹節(jié)的力學(xué)性能

橡膠膨脹節(jié)為非均質(zhì)的材料組成，無(wú)法采用常規(guī)的公式進(jìn)行計(jì)算和應(yīng)力分析。因此，只能利用水壓試驗(yàn)驗(yàn)證橡膠膨脹節(jié)的力學(xué)性能。水壓試驗(yàn)的壓力，取1.5倍的設(shè)計(jì)壓力。

同時(shí)，在整個(gè)膨脹節(jié)組自由狀態(tài)下，利用水壓試驗(yàn)的壓力，可獲得檢測(cè)產(chǎn)品的變形總長(zhǎng)度，以測(cè)試其力學(xué)平衡的性能。膨脹節(jié)總體尺寸伸長(zhǎng)則說(shuō)明內(nèi)壓不能平衡，不伸長(zhǎng)則說(shuō)明內(nèi)壓平衡。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用自平衡式膨脹節(jié)方案后，仍可采用凝汽器循環(huán)水接口的下進(jìn)式，相比于采用旁通式軸向壓力平衡型膨脹節(jié)方案的水室更輕，更便于運(yùn)輸。相對(duì)于彎管壓力平衡型膨脹節(jié)方案，采用自平衡式方案的凝汽器，因水室為下進(jìn)式接口，所以，還節(jié)省了部分循環(huán)水管道的布置空間。

總之，采用自平衡式膨脹節(jié)方案，為解決凝汽器水室盲板力過(guò)大的問(wèn)題，提供了一個(gè)新的設(shè)計(jì)方案。