建立大型汽輪機(jī)機(jī)組低壓模塊質(zhì)量考核標(biāo)準(zhǔn)的探討

陳伯樹

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

目前國(guó)內(nèi)電站汽輪機(jī)低壓裝置設(shè)計(jì)方法應(yīng)遵循傳統(tǒng)技術(shù)要求，對(duì)于中、小型核電低壓內(nèi)、外汽缸質(zhì)量和剛度按正常的汽缸設(shè)計(jì)和強(qiáng)度校核易得到保證。

基于大型百萬(wàn)級(jí)發(fā)電機(jī)組，特別是百萬(wàn)核電，由于參數(shù)相對(duì)較低、容量大、結(jié)構(gòu)跨度大等特點(diǎn)，導(dǎo)致低壓模塊剛度偏低。因此，對(duì)設(shè)計(jì)方法、加工工藝、加工質(zhì)量、吊裝運(yùn)輸、安裝調(diào)試都提出新的挑戰(zhàn)。為提高整體產(chǎn)品質(zhì)量，常規(guī)的檢測(cè)已經(jīng)無(wú)法滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，由于大型機(jī)組安全性要求非常高，必須建立一套完整檢驗(yàn)和考核體系對(duì)超大型機(jī)組低壓模塊整體加工質(zhì)量和變形進(jìn)行測(cè)試和考核［1］。

1 某核電機(jī)組低壓模塊初裝及其測(cè)試

低壓模塊主要是由低壓外缸、低壓內(nèi)缸及其內(nèi)部其他部件（蒸汽室、隔板套、隔板等）組成。各模塊剛度和支撐主要由低壓內(nèi)、外汽缸提供，低壓外缸底板直接與基礎(chǔ)相連，低壓內(nèi)缸采用落地結(jié)構(gòu)，也是直接支撐于基礎(chǔ)上，低壓內(nèi)缸變形受外缸影響較小，蒸汽室、隔板套和低壓隔板均安裝在低壓內(nèi)缸上?；诘蛪簝?nèi)、外汽缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（均是大型焊接結(jié)構(gòu)形式），考核要求（熱態(tài)）工作過(guò)程中變形應(yīng)在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)，低壓模塊在（冷態(tài)）重力作用下，應(yīng)首先滿足設(shè)計(jì)的變形要求。這就要求低壓內(nèi)、外缸必須有足夠的剛度和裝配到位后的變形在許可范圍之內(nèi)。同時(shí)還可以通過(guò)檢測(cè)低壓模塊的變形及其恢復(fù)狀況，來(lái)考核低壓內(nèi)外缸的整體質(zhì)量［2］。

測(cè)試設(shè)備和裝置如圖1，測(cè)試主要以低壓外缸和低壓內(nèi)缸在安裝過(guò)程中的垂直變形和水平橫向變形為考核重點(diǎn)。低壓外缸中（下半）部水平中分面處均布6 個(gè)測(cè)點(diǎn)（GH1、GH2、GH3、GH4、GH5、GH6），用于測(cè)量低壓外缸水平方向的變形；低壓外缸中部（下半）3 個(gè)筋板中間維持布置3 個(gè)測(cè)點(diǎn)（GV1、GV2、GV3），用于測(cè)量低壓外缸垂直方向的變形。低壓內(nèi)缸下半水平中分面處分布6 個(gè)測(cè)點(diǎn)（NH1、NH2、NH3、NH4、NH5、NH6），用于測(cè)量低壓內(nèi)缸水平方向的變形；低壓內(nèi)缸下半中心線處分布5 個(gè)測(cè)點(diǎn)（NV1、NV2、NV3、NV4、NV5），具體位置如圖2 所示，用于測(cè)量低壓內(nèi)缸垂直方向的變形。

圖1 低壓模塊測(cè)量示意圖

圖2 低壓內(nèi)缸垂直變形測(cè)點(diǎn)位置

該核電低壓模塊安裝過(guò)程測(cè)試，設(shè)定低壓模塊20 個(gè)狀態(tài)，測(cè)試各個(gè)測(cè)點(diǎn)的變形值，作為衡量低壓內(nèi)外汽缸整體質(zhì)量的手段之一。本次測(cè)試的點(diǎn)為安裝和拆卸過(guò)程中取20 個(gè)狀態(tài)：初始位置狀態(tài)為外缸下半與內(nèi)缸下半就位時(shí)的情況；內(nèi)部部套下半就位狀態(tài)；內(nèi)部部套上半就位狀態(tài)；千斤頂1 000 psi 狀態(tài)；千斤頂0 psi 狀態(tài)；內(nèi)缸上半就位狀態(tài)；千斤頂8 100 psi 狀態(tài)；內(nèi)缸水平中分面螺栓擰緊狀態(tài)；千斤頂0 psi 狀態(tài)；螺絲扣0 psi 狀態(tài)；螺絲扣3 500 psi 狀態(tài)；水平中分面螺栓拆卸狀態(tài)；內(nèi)缸上半拆卸狀態(tài)；螺絲扣3 500 psi 狀態(tài)；螺絲扣0 psi 狀態(tài)；螺絲扣7 000 psi 狀態(tài)；螺絲扣0 psi 狀態(tài)；去掉內(nèi)部部套上半狀態(tài)；去掉內(nèi)部部套下半狀態(tài)。該核電低壓模塊安裝變形隨安裝狀態(tài)的變化曲線如圖3 所示。

圖3 安裝過(guò)程中低壓內(nèi)缸垂直變形曲線

低壓模塊要測(cè)試其變形隨安裝狀態(tài)的變化，還須檢測(cè)低壓模塊變形及其恢復(fù)情況，這也是考核低壓模塊整體加工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。在半實(shí)缸狀態(tài)下，擰緊水平中分面螺栓，確保水平中分面全面接觸后，檢測(cè)低壓內(nèi)缸NV1、NV2、NV3、NV4、NV5 測(cè)點(diǎn)隨千斤頂載荷變化時(shí)，其垂直變形及其恢復(fù)情況，千斤頂每變化104N，測(cè)試一個(gè)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 低壓內(nèi)缸變形隨千斤頂載荷變化曲線

2 用三維數(shù)值模擬低壓模塊變形與恢復(fù)

通過(guò)測(cè)試的數(shù)據(jù)與三維數(shù)值仿真結(jié)果相比較，可以互相驗(yàn)證。一是驗(yàn)證數(shù)值仿真的真實(shí)可靠性，二是可以通過(guò)裝配變形與設(shè)計(jì)值的差異結(jié)果了解整體加工質(zhì)量及安全可靠性。

配合測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)三維模擬可做適當(dāng)調(diào)整，不包含低壓外缸上半和低壓排汽導(dǎo)流環(huán)。同時(shí)為便于計(jì)算和分析，對(duì)一些細(xì)小特征在不影響結(jié)果的情況下進(jìn)行了修改。三維模型及其部件的三維模型如圖5 所示，為了使結(jié)果與實(shí)際更準(zhǔn)確，本次分析中采用全模型進(jìn)行。

圖5 低壓模塊三維模型

在ANSA 中完成高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分，本次分析采用全協(xié)調(diào)六面體單元，總單元數(shù)量為645 584，其中六面體單元數(shù)量為629 616，占總單元數(shù)的97.53%，五面體單元數(shù)量為15 968，占總單元數(shù)的2.47%，具體如圖5 所示。在ABAQUS 中完成非線性分析，在ABAQUS/Standard 模塊中所有部件按裝配關(guān)系，部套之間力的傳遞關(guān)系通過(guò)接觸Tie 或者Contact 來(lái)傳遞［3］。

邊界條件：X 向（橫向）采用對(duì)稱約束邊界；Y 向（軸向）也按對(duì)稱約束邊界；Z 向（垂直方向）的約束在低壓外缸底板下表面。

分析過(guò)程和載荷：重力載荷，隨裝配過(guò)程變化的千斤頂載荷和螺絲扣載荷。不考慮工質(zhì)工作狀態(tài)下的溫度和壓力。數(shù)值分析內(nèi)容主要有三個(gè)方面：裝配全過(guò)程中的變形值分析；半實(shí)缸狀態(tài)下，垂直變形值分析；隨千斤頂載荷變化的變形情況分析。

分析結(jié)果及其部分圖表：低壓模塊半實(shí)缸垂直變形如圖6 所示，最大變形為2.34 mm；最大垂直變形為1.86 mm。最大軸向變形為1.59 mm，最大橫向變形為0.75 mm。低壓模塊全實(shí)缸狀態(tài)下隨千斤頂載荷變化，其垂直變形的變化如圖7 所示。

圖6 低壓模塊垂直變形云圖

圖7 某核電低壓模塊垂直變形隨千斤頂載荷變化曲線

圖7 中：1）數(shù)值模擬中只能采用絕對(duì)變形進(jìn)行直接描述，為實(shí)際絕對(duì)變形量。2）縱坐標(biāo)為垂直變形，橫坐標(biāo)為載荷。3）橫坐標(biāo)為加載時(shí)間點(diǎn)，0～100為重力施加狀態(tài)，100～200為千斤頂施加作態(tài)。100～200 分別對(duì)應(yīng)為千斤頂0～106N。

3 整體汽缸加工質(zhì)量及其安裝質(zhì)量的考核標(biāo)準(zhǔn)

低壓模塊整體加工質(zhì)量考核：通過(guò)半實(shí)缸狀態(tài)下的垂直變形值和橫向變形值來(lái)考核該低壓模塊加工質(zhì)量水平，測(cè)試變形小于三維數(shù)值模擬中的變形修正值，說(shuō)明該低壓模塊整體加工質(zhì)量滿足產(chǎn)品的安全運(yùn)行需求。

式中：U試驗(yàn)為安裝時(shí)變形測(cè)試值；［U］為安裝狀態(tài)三維數(shù)值分析模擬結(jié)果；ξ為修正系數(shù)。

低壓模塊整體安裝的質(zhì)量考核：半實(shí)缸狀態(tài)下，通過(guò)改變施加在低壓內(nèi)缸上的千斤頂載荷，測(cè)試低壓內(nèi)缸垂直變形的變化情況。測(cè)試的垂直變形結(jié)果必須與三維數(shù)值分析結(jié)果一致，同時(shí)變形變化趨勢(shì)也必須與三維數(shù)值模擬結(jié)果一致。誤差被控制在一定范圍，即可認(rèn)為該低壓模塊整體安裝質(zhì)量合格。

4 結(jié)論

在引進(jìn)的第三代百萬(wàn)核電技術(shù)同時(shí)，提出建立大型汽輪機(jī)機(jī)組低壓模塊質(zhì)量考核標(biāo)準(zhǔn)，目的在于完善百萬(wàn)機(jī)組的產(chǎn)品設(shè)計(jì)體系，特別是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中提高產(chǎn)品的可信度，避免裝置成型后糾偏，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

采用三維數(shù)值分析手段與試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合，可以控制產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題和安裝問(wèn)題。對(duì)于核電汽輪機(jī)產(chǎn)品，不但要嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)考核方法來(lái)考核其質(zhì)量，而且還必須要對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制，包括加工、運(yùn)輸、吊裝、安裝調(diào)試過(guò)程中進(jìn)行的綜合檢查和考核，確保產(chǎn)品安全可靠運(yùn)行。

［1］丁有宇.汽輪機(jī)強(qiáng)度計(jì)算［M］.北京：水力電力出版社，1985.

［2］陳伯樹，楊凱利，王洋，等.第三代百萬(wàn)核電AP1000 汽輪機(jī)低壓模塊數(shù)值分析［J］.熱力透平，2011，40（3）：212-214，224.

［3］趙騰倫.ABAQUS V6.6 在機(jī)械工程中的應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2007.