某型50 MW機(jī)組噴嘴現(xiàn)場取出工藝研究

杜炳千，魏 棟，吳 晗

(上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海200240)

石油、化工、鋼鐵和生物質(zhì)發(fā)電等工業(yè)生產(chǎn)過程中存在需要大量余能和余熱的工序，不同的生產(chǎn)需求配置了很多不同類型的汽輪機(jī)，目的在于充分發(fā)揮不同類型汽輪機(jī)熱能多次梯級利用的優(yōu)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)的綜合效益的目的。到目前為止，汽輪機(jī)無論在生產(chǎn)電能還是供應(yīng)熱能方面，都發(fā)揮著重要的作用[1]。早期由國內(nèi)某主機(jī)廠設(shè)計(jì)制造的50 MW汽輪機(jī)，主要用于石化類企業(yè)供熱及自備發(fā)電。本文主要介紹了一種具有T型結(jié)構(gòu)截面，現(xiàn)場拆除更換極難拆除的噴嘴的一種工藝方法，目的在于解決該類型機(jī)組噴嘴拆除、更換問題，對現(xiàn)場拆除噴嘴及具有類似結(jié)構(gòu)的預(yù)扭葉片現(xiàn)場拆除具有指導(dǎo)意義。

1 問題描述

蒸汽進(jìn)入汽缸后首先需要經(jīng)過噴嘴，噴嘴是由相鄰的靜葉片構(gòu)成的汽流通道，它的作用是將蒸汽的熱能變成動能。通常汽輪機(jī)的第1級噴嘴都直接裝在汽缸噴嘴室的T型槽中[2-3]。噴嘴組分成4組，鑲嵌在噴嘴室內(nèi)。每段噴嘴組的一端固定，打定位銷作固定點(diǎn)，另一端可自由脹縮，并裝有密封鍵。噴嘴葉片與內(nèi)外環(huán)采用整體電脈沖加工的結(jié)構(gòu)，這不僅可以增加強(qiáng)度，而且可以保證工作時的汽密性。噴嘴在下半的安裝狀態(tài)如圖1所示。

圖1 下半噴嘴安裝示意圖

噴嘴截面呈T字型，分2段安裝在蒸汽室的T型槽內(nèi)，噴嘴安裝到位后，以噴嘴上預(yù)加工的孔為基準(zhǔn)，鉆定位銷孔，孔加工深度至蒸汽室厚度一半，安裝定位銷后噴嘴通過點(diǎn)焊固定在蒸汽室上。機(jī)組運(yùn)行后，由于噴嘴及蒸汽室部件應(yīng)力釋放、材料蠕變、配合面氧化皮結(jié)垢等因素影響，在噴嘴受損傷或需要對噴嘴進(jìn)行改造時，無法在不損傷T型槽的前提下將噴嘴現(xiàn)場直接拆卸。

此時的常規(guī)處理方法為采用氧乙炔火焰切割和角磨機(jī)切割。這2種方式除耗費(fèi)大量的人力、物力外，還存在一定的技術(shù)風(fēng)險和人員傷亡隱患。

某電廠機(jī)組運(yùn)行期間，汽缸內(nèi)進(jìn)入異物，導(dǎo)致噴嘴損傷，在機(jī)組大修期間，更換噴嘴時出現(xiàn)噴嘴無法拆卸的情況。現(xiàn)場檢修隊(duì)伍使用了拔銷器，采用了火焰烘烤、機(jī)械切割等方式嘗試取出噴嘴，均未成功。這不但耗費(fèi)了大量的資源成本，還出現(xiàn)了蒸汽室輕微損壞的情況。因此，在不損壞槽道的前提下現(xiàn)場快速、高效、準(zhǔn)確地取出該噴嘴及具有T型結(jié)構(gòu)的葉片非常有必要。

2 解決方案及工藝分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

制造廠內(nèi)噴嘴裝配工藝顯示，每段噴嘴在兩端都需配有門型密封鍵，門型密封鍵卡在噴嘴T型大頭側(cè)密封槽內(nèi)，其內(nèi)側(cè)面同噴嘴外側(cè)有間隙，門型密封鍵插入噴嘴內(nèi)有過盈量。密封鍵與噴嘴安裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 門型密封鍵安裝示意圖

兩端密封鍵試裝配間隙合格后，將噴嘴滑入槽道，噴嘴下部端面與蒸汽室端面平齊后，將噴嘴點(diǎn)焊固定，同時鉆鉸定位銷孔，安裝定位銷后點(diǎn)焊固定定位銷。噴嘴也需要點(diǎn)焊固定在蒸汽室上。噴嘴定位銷安裝結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 噴嘴定位銷安裝結(jié)構(gòu)圖

該類型具有T型截面結(jié)構(gòu)的噴嘴安裝方式具有如下幾個特點(diǎn)：

1)機(jī)組運(yùn)行年限比較長，由于熱變形，門型密封鍵與噴嘴及蒸汽室間的間隙已逐漸消失；

2)原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的噴嘴取出螺紋直徑過小(M20)，使用拔銷器嘗試沖擊取出噴嘴時已損傷該螺紋；

3)噴嘴固定定位銷較深，加上機(jī)組運(yùn)行時間長，銷子無法通過拔銷器正常取出，破壞性取出時底部容易殘留銷子頭；

4)除了門型密封鍵區(qū)域，噴嘴與蒸汽室之間接觸的騰空空間已充滿氧化皮；

5)蒸汽室內(nèi)側(cè)為進(jìn)汽通道，噴嘴上脫落的異物會直接掉入蒸汽通道，異物掉入下半后很難清理；

6)汽缸較長，缸體直徑小，內(nèi)部空間有限；

7)分段解體后，由于汽缸變形，回裝非常困難。

2.2 加工方案分析

在對缸的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行狀況進(jìn)行分析后認(rèn)為，噴嘴取出的過程需要在蒸汽室槽道不被損傷的前提下實(shí)現(xiàn)，并要求異物不得落入蒸汽室進(jìn)汽管道內(nèi)。

根據(jù)上述要求，對常規(guī)的噴嘴取出工藝方法進(jìn)行了工藝分析：

1)火焰切割。該方法存在切割面不平整、發(fā)熱量大，可能導(dǎo)致缸體變形及損壞蒸汽室配合面等問題。

2)千斤頂施加拉力取出和拔銷器施加沖擊力取出。由于金屬變形、氧化皮填充等原因，因大面積的摩擦力而無法取出噴嘴。且此方式強(qiáng)力取出會造成蒸汽室槽道內(nèi)密封面被拉傷。兩種拉出式取出方法示意圖如圖4所示。

(a)千斤頂施加拉力 (b)拔銷器沖擊力

3)角磨機(jī)切割。該方法存在工作量大、部分位置切不到、切深不可控等問題，非常容易損傷蒸汽室配合面，且一旦操作不當(dāng)，會產(chǎn)生角磨片崩碎飛出傷人等問題。

因此以上幾種方法實(shí)現(xiàn)噴嘴取出難度非常高。

噴嘴的取出要求必須保護(hù)好蒸汽室內(nèi)的槽道，因此，考慮在噴嘴T型截面處整圈沿著軸向加工出一定尺寸的卸荷槽，控制卸荷槽深度方向，使其不損壞蒸汽室內(nèi)壁。當(dāng)卸荷槽尺寸達(dá)到可使門型密封鍵脫開時即滿足要求。初步工藝加工方案如圖5所示。

(a)直通一字式路徑

卸荷槽需要兩條，將一字式卸荷槽同直角L型進(jìn)行比較：由于材料膨脹、蒸汽室變形等原因，噴嘴T型定位肩與蒸汽室內(nèi)配合面已緊緊貼牢，一字式卸荷槽無法使該部位應(yīng)力釋放掉，而L型槽可以使噴嘴同蒸汽室配合部位應(yīng)力大幅釋放。因此選擇了直角L型路徑作為刀具加工路徑。

綜上所述，有必要開發(fā)一種回轉(zhuǎn)式便攜式冷加工設(shè)備及工藝，快速定位，高效加工，以實(shí)現(xiàn)在不損傷槽道的前提下拆除具有T型結(jié)構(gòu)的噴嘴及預(yù)扭葉片等難拆除部件的功能。

3 工藝實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

在傳統(tǒng)工藝方法存在不足的前提下，兼顧設(shè)計(jì)、安裝工藝要求，本文開發(fā)了一種適應(yīng)性強(qiáng)的專用設(shè)備，用于取出噴嘴。設(shè)備安裝工位如圖6所示。

圖6 設(shè)備安裝工位

具有中心主軸的回轉(zhuǎn)式鏜床安裝在汽缸中分面上，設(shè)備通過驅(qū)動單元的接口與橋式吊架連接，主軸與汽缸中心的對正通過墊箱及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。刀架上有兩軸十字拖板，X/Z向可通過導(dǎo)軌滑塊帶動刀具移動，X/Z向進(jìn)給均采用伺服電機(jī)控制。主軸采用了伺服電機(jī)配齒輪減速機(jī)，可實(shí)現(xiàn)程序控制切削加工。

設(shè)備具有以下幾個特點(diǎn)：

1)采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠快速安裝定位；

2)主軸采用了2.5 kW伺服電機(jī)，切削能力強(qiáng)，加工效率高；

3)采用兩軸數(shù)控進(jìn)刀，切削量可控。

3.2 具體工藝方案

在不損壞槽道的前提下，要現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)噴嘴取出，首先需要對噴嘴本體結(jié)構(gòu)、裝配結(jié)構(gòu)、材料和機(jī)組運(yùn)行后噴嘴結(jié)構(gòu)變形等影響噴嘴取出的因素進(jìn)行梳理。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品工藝文件中規(guī)定的關(guān)于噴嘴的現(xiàn)場安裝工藝，制定適用于現(xiàn)場情況的不損壞槽道的噴嘴取出方案，主要工藝流程如圖7所示，加工后效果如圖8所示。

圖7 噴嘴現(xiàn)場取出工藝流程圖

圖8 加工后效果

取出前先對噴嘴中分面M20螺紋孔進(jìn)行改造，將其改造成M30螺紋，配如圖4所示的拔銷器一副。然后，在槽道內(nèi)注入松動劑，靜置2 h。最后對拔銷子上部進(jìn)行撞擊，底部配合敲擊，取出噴嘴，取出過程如圖9所示。

圖9 噴嘴取出過程示意圖

噴嘴取出后采用火焰加熱烘烤槽道，然后在槽道內(nèi)澆常溫水。氧化皮遇冷后，會迅速冷卻而爆裂，與本體表面分離，這樣，使用油石打磨氧化皮就變得容易了。最后，測量槽道尺寸，進(jìn)行密封鍵的配做。新噴嘴的安裝參照產(chǎn)品工藝即可完成。

4 結(jié) 論

本文針對具有T型截面結(jié)構(gòu)及門型鍵密封的滑入式噴嘴難以拆除的問題，介紹了一種現(xiàn)場使用便攜式設(shè)備加工卸荷槽，然后用工具對噴嘴進(jìn)行快速且不損壞配合槽道的破壞式取出方法。該方法相對于傳統(tǒng)取出方法具有不損壞配合槽道、快速高效的優(yōu)勢。后續(xù)該方法可在具有T型結(jié)構(gòu)的滑入式葉片破壞性取出場景進(jìn)行推廣。