汽輪機(jī)內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口原因探究

岳紀(jì)斌

[摘? ? 要]文章以加強(qiáng)汽輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性為目標(biāo)，重點(diǎn)探討汽輪機(jī)內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，從力學(xué)模型構(gòu)建、應(yīng)力計(jì)算等方面分析原因，掌握出現(xiàn)法蘭結(jié)合面張口的形成條件，并提出了相應(yīng)的解決建議。制定針對(duì)法蘭結(jié)合面張口問(wèn)題的解決方案，希望能夠從根本上解決張口問(wèn)題，提高汽輪機(jī)運(yùn)行效率。

[關(guān)鍵詞]汽輪機(jī);內(nèi)缸;法蘭結(jié)合面;張口

[中圖分類(lèi)號(hào)]TK267 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）07–00–02

Exploring the Reasons for the Opening of the Flange Joint?Surface of the Steam Turbine Inner Cylinder

Yue Ji-bin

[Abstract]With the goal of enhancing the stability of steam turbine operation， the focus is on the issue of opening of the flange joint surface of the steam turbine inner cylinder. The article analyzes the reasons for the opening of the flange joint surface of the steam turbine inner cylinder from the aspects of mechanical model construction， stress calculation， etc.， and grasps the formation conditions of the flange joint surface opening， and proposes corresponding solutions to the flange joint surface. The solution to the opening problem is hoped to fundamentally solve the opening problem and improve the operating efficiency of the steam turbine.

[Keywords]steam turbine; inner cylinder; flange joint surface; opening

汽輪機(jī)包括轉(zhuǎn)動(dòng)與靜止兩個(gè)部分，轉(zhuǎn)子部分包含主軸、葉輪、動(dòng)葉片、聯(lián)軸器等裝置，靜子部分則包含進(jìn)汽、汽缸、隔板、靜葉柵等裝置，其中汽缸是最為重要的裝置之一。氣缸密封性與汽輪機(jī)能否有效運(yùn)行有密切關(guān)系。一般核電汽輪機(jī)內(nèi)部的高壓缸尺寸較大，汽缸壁較薄，內(nèi)部結(jié)構(gòu)繁瑣，若在濕蒸汽環(huán)境中運(yùn)行，汽缸內(nèi)壁的溫度會(huì)在蒸汽溫度影響下出現(xiàn)非常明顯的變化，會(huì)因?yàn)槭芰Σ痪鶎?dǎo)致熱變形、熱應(yīng)力，對(duì)汽輪機(jī)正常運(yùn)行造成影響。相關(guān)資料表明，法蘭結(jié)合面接觸狀態(tài)存在很多影響因素。例如，焊接期間存在非金屬雜質(zhì)導(dǎo)致局部導(dǎo)熱系數(shù)均勻性降低、軸封處溫度的分布情況。若法蘭變形，便會(huì)降低汽缸密封性。所以焊接人員必須要在工作過(guò)程中仔細(xì)檢查汽缸法蘭結(jié)合面接觸狀態(tài)，避免出現(xiàn)張口現(xiàn)象。

1 力學(xué)模型構(gòu)建與應(yīng)力計(jì)算

內(nèi)缸分為上、下兩個(gè)部分，其中缸體包括汽缸壁以及法蘭子午面復(fù)雜輪廓線(xiàn)等，組成了復(fù)雜的三維立體模型。因?yàn)槠捉Y(jié)構(gòu)較為繁瑣，所以在分析過(guò)程中為了保證準(zhǔn)確，先假設(shè)汽缸對(duì)稱(chēng)，法蘭面一旦處于密閉咬合狀態(tài)，螺栓孔將會(huì)得到填充，考慮到材料相似，可以去掉法蘭面螺孔。計(jì)算時(shí)為了保證簡(jiǎn)便性，只是針對(duì)汽缸的一部分進(jìn)行分析，并建立力學(xué)模型^[1]。建模之后需要應(yīng)用ANSYS有限元通用計(jì)算軟件展開(kāi)分析與計(jì)算工作，該軟件具有非常好的處理功能，針對(duì)指定計(jì)算區(qū)域可以自動(dòng)劃分網(wǎng)格或者結(jié)合需求做好網(wǎng)格密分處理工作，如此便可以全面提升計(jì)算準(zhǔn)確性，汽缸有限元網(wǎng)格劃分圖如圖1所示。調(diào)節(jié)級(jí)之后調(diào)節(jié)汽室法蘭范圍內(nèi)，即汽缸張口問(wèn)題區(qū)域展開(kāi)了密分處理^[2]。

汽缸法蘭絕熱邊界是溫度場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中的中分面以及左右對(duì)稱(chēng)面。內(nèi)、外表面以及蒸汽這三者之間有換熱邊界的存在。按照調(diào)節(jié)級(jí)之后高壓內(nèi)缸金屬內(nèi)、外壁采集相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，高壓內(nèi)缸的金屬內(nèi)、外壁溫度無(wú)論是在起停還是穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中均處于已知狀態(tài)，由此也需要將非穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱轉(zhuǎn)變成非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題加以解決，以采樣溫度為前提針對(duì)缸體場(chǎng)分布情況進(jìn)行分析。

根據(jù)數(shù)據(jù)分析，建議工作人員在操作過(guò)程中將物性材料與自由度限制全部加載于計(jì)算模型中，按照邊界條件對(duì)每個(gè)面溫度約束進(jìn)行設(shè)置，計(jì)算三維汽缸體內(nèi)溫度場(chǎng)。通過(guò)軟件包能夠?qū)⒏鱾€(gè)時(shí)刻下溫度場(chǎng)分布情況清晰地顯示出來(lái)，并且獲得各個(gè)時(shí)刻下的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，為了更加直觀的了解溫度場(chǎng)分布，可以繪制示溫度場(chǎng)分布圖，也為之后的數(shù)據(jù)對(duì)比分析提供參考。

通過(guò)對(duì)汽缸溫度場(chǎng)等溫線(xiàn)的分析可知，軸向、徑向中氣缸有溫度梯度，徑向溫度梯度要大于軸向梯度，特別是調(diào)節(jié)級(jí)汽室法蘭位置，最大溫差已經(jīng)超出了85 ℃，如此一來(lái)會(huì)直接導(dǎo)致汽缸內(nèi)壁形成較大的壓應(yīng)力，從而引發(fā)汽缸張口。

溫度場(chǎng)分析期間，焊接人員也要對(duì)缸體應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行全面剖析。熱分析單元需要被轉(zhuǎn)變成機(jī)械分析單元，在其中增設(shè)用于分析缸體機(jī)械的自由度限制，將實(shí)體熱分析溫度場(chǎng)順利加載出來(lái)，并且根據(jù)時(shí)間的先后順序針對(duì)不同時(shí)間導(dǎo)出應(yīng)力場(chǎng)分布文件，按照文件最終顯示結(jié)果全面分析缸體應(yīng)力。

溫度場(chǎng)汽缸等應(yīng)力色塊圖分析過(guò)程中，可以確定的是調(diào)節(jié)級(jí)后汽室法蘭位置有一個(gè)區(qū)域應(yīng)力比較集中，對(duì)比右側(cè)色塊途虎應(yīng)力顯示的對(duì)應(yīng)值，明確其應(yīng)力值超過(guò)420 MPa，大于汽缸材料允許值。所以，這一范圍內(nèi)便可形成帶有永久性的塑性變形。通過(guò)上述分析了解到缸體危險(xiǎn)點(diǎn)以及危險(xiǎn)時(shí)間段的存在，這對(duì)于運(yùn)行過(guò)程中機(jī)組監(jiān)控以及調(diào)節(jié)十分便利，可以提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。

展開(kāi)應(yīng)力計(jì)算時(shí)會(huì)獲得模型中每個(gè)時(shí)間點(diǎn)下節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值，通過(guò)應(yīng)力分析與計(jì)算便可以得到應(yīng)力集中范圍內(nèi)不通時(shí)間下的最大應(yīng)力值。例如，應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)其中一個(gè)典型節(jié)點(diǎn)在4月1日到6月1日之間，汽輪機(jī)啟停以及變負(fù)荷階段的峰值應(yīng)力狀況，通過(guò)分析可以確定這一階段部分應(yīng)力值與最大值，并且符合焊接過(guò)程中內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口位置，由此可見(jiàn)分析結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠。

此外，汽缸法蘭中分面、左右對(duì)稱(chēng)面是必須要關(guān)注的兩個(gè)要點(diǎn)，特別是計(jì)算溫度場(chǎng)這一環(huán)節(jié)，可將其當(dāng)作絕熱邊界，使后續(xù)應(yīng)力計(jì)算與建模等更加便捷。觀察汽缸內(nèi)部，判斷表面、外表面、蒸汽中間是否有換熱邊界存在。按照現(xiàn)有布設(shè)測(cè)點(diǎn)與布局，及時(shí)處理汽缸內(nèi)缸內(nèi)外壁，具體處理方法可參考以下幾點(diǎn)：

（1）高壓內(nèi)缸的金屬外壁，一般情況下對(duì)流換熱系數(shù)相等，換言之也可以直接為內(nèi)缸外壁金屬溫度相等。

（2）按照調(diào)節(jié)級(jí)、高壓缸出口、高壓汽封的順序，溫度必須呈均勻下降趨勢(shì)。當(dāng)上述假定確定，便可以針對(duì)調(diào)節(jié)級(jí)之后的高壓內(nèi)缸金屬內(nèi)、外壁，基于作業(yè)采集具體數(shù)據(jù)。可確定的是高壓內(nèi)缸金屬內(nèi)、外壁溫度，在起停、負(fù)荷升降、運(yùn)轉(zhuǎn)等多個(gè)環(huán)節(jié)均為已知狀態(tài)，因此非穩(wěn)態(tài)對(duì)流換熱需要切換到非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱狀態(tài)，通過(guò)采樣溫度可以掌握缸體場(chǎng)分布情況。高壓內(nèi)缸材料性能參數(shù)這一層面，一般是以ZG20CrMoV鋼材料特性參數(shù)為主要的計(jì)算參數(shù)，這也是力學(xué)模型構(gòu)建、應(yīng)力計(jì)算需要參考的數(shù)據(jù)。

2 汽輪機(jī)內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口原因

汽輪機(jī)氣缸體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，運(yùn)行溫度高，再加上壁厚這一原因，所以鑄造過(guò)程中往往會(huì)使用鑄鋼材料。材料本身成本較低，具有非常高的減振性與耐腐蝕性，所以在汽輪缸體鑄造中得到廣泛運(yùn)用。但是，鑄鋼材料處于高溫作業(yè)環(huán)境下，會(huì)增加其導(dǎo)熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)致氣缸結(jié)合面出現(xiàn)張口現(xiàn)象^[3]。同時(shí)，氣缸鑄造期間，因?yàn)殄懺鞎r(shí)會(huì)出現(xiàn)氣孔，加之存在一些其他的非金屬雜質(zhì)，所以會(huì)影響局部導(dǎo)熱系數(shù)均勻性，提高材料應(yīng)力。氣缸在高溫環(huán)境下作業(yè)，溫度波動(dòng)形成熱應(yīng)力，引發(fā)張口問(wèn)題。焊接之前工作人員往往會(huì)展開(kāi)三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)有限元計(jì)算，通過(guò)最終獲得的計(jì)算結(jié)果了解到，內(nèi)缸壁金屬溫度如果超過(guò)了500 ℃，證明其應(yīng)力水平高，如果負(fù)荷超過(guò)了100 MW，這樣即可證明高壓內(nèi)缸內(nèi)外壁存在較大的溫度差值，并且形成了非常大的熱應(yīng)力。三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)有限元計(jì)算的結(jié)果表明，在高壓汽輪機(jī)內(nèi)缸張口位置一般會(huì)有一個(gè)區(qū)域應(yīng)力比較集中，負(fù)荷如果大于100 MW，超出穩(wěn)定運(yùn)行范圍，那么其應(yīng)力值便會(huì)大于σ0.2=340 MPa，特別是當(dāng)負(fù)荷較高時(shí)，負(fù)荷提升速度也較快，應(yīng)力值此時(shí)會(huì)超過(guò)400 MPa。這樣一來(lái)便會(huì)導(dǎo)致因?yàn)閰^(qū)域應(yīng)力過(guò)大而汽缸體張口現(xiàn)象。

3 針對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口建議

按照以上分析，焊接之前做好以下準(zhǔn)備工作：①處理好坡口，將坡口加工為U形，成凹陷狀，為后期補(bǔ)焊提供方便;②完成坡口加工后需要做好后期處理工作，將坡口附近的鐵銹與雜質(zhì)等及時(shí)清除，確保金屬光澤度;③內(nèi)缸法蘭結(jié)合面預(yù)熱工作非常重要，使用氧-乙炔進(jìn)行焊接位置的加熱，通常加熱溫度控制在200 ℃，如此便可以避免出現(xiàn)結(jié)合面張口問(wèn)題。

此外，三維非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)有限元計(jì)算之后，根據(jù)最終的計(jì)算結(jié)果，若是內(nèi)缸壁金屬溫度超過(guò)505 ℃，代表應(yīng)力水平也隨之提升。若是負(fù)荷達(dá)到了100 MW，代表高壓內(nèi)缸內(nèi)外壁溫度之間存在較大差值與熱應(yīng)力。與此同時(shí)，高壓內(nèi)缸張口位置必然會(huì)有應(yīng)力集中區(qū)形成，而且負(fù)荷大于100 MW，且處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，其應(yīng)力值大于σ0.2=340 MPa限制值，特別是高負(fù)荷狀態(tài)下負(fù)荷提升速度也非?？欤瑧?yīng)力值最高可超過(guò)400 MPa，由此會(huì)導(dǎo)致區(qū)域應(yīng)力過(guò)大與汽缸體張口^[4]。鑒于此，建議工作人員在機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行過(guò)程中，維持負(fù)荷的穩(wěn)定狀態(tài)，使其始終處于95 ～100 MW。如果升負(fù)荷超過(guò)70 MW，這時(shí)必須對(duì)快速升負(fù)荷情況進(jìn)行控制，將升負(fù)荷率維持在0.9 MW/min。如此一來(lái)便可以提高熱應(yīng)力數(shù)值的穩(wěn)定性，保持在300 MPa，以免出現(xiàn)汽輪機(jī)內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口現(xiàn)象^[5]。

為了解決汽輪機(jī)內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口問(wèn)題，需要全面整修研究機(jī)組。結(jié)束整修之后便可以啟動(dòng)機(jī)組，由此展開(kāi)如下分析：第一次檢修之后啟動(dòng)，為了確保啟動(dòng)的順利進(jìn)行，需要提前組織試驗(yàn)^[6]。具體在啟動(dòng)之前的兩天內(nèi)不帶負(fù)荷，第3日方可帶滿(mǎn)負(fù)荷。啟動(dòng)期間個(gè)別時(shí)間段的高壓內(nèi)缸內(nèi)壁金屬溫度不斷提升，其平均升溫率已經(jīng)高達(dá)3.075 ℃/min，滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)下的內(nèi)外壁溫差高達(dá)119 ℃，通過(guò)這些數(shù)據(jù)便可以確定其已經(jīng)超出了要求限制值。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，汽輪機(jī)內(nèi)缸一旦出現(xiàn)張口問(wèn)題，會(huì)直接影響其平穩(wěn)運(yùn)行，焊接人員必須要加以重視。一方面要做好焊接準(zhǔn)備工作，另一方面需要分析汽輪機(jī)運(yùn)行環(huán)境，構(gòu)建力學(xué)模型，解決因?yàn)椴牧蠈?dǎo)致的張口問(wèn)題，提出對(duì)應(yīng)的解決對(duì)策，為今后汽輪機(jī)相關(guān)研究與操作提供參考。

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