汽輪機紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸設(shè)計制造與檢修的技術(shù)研究

史進淵， 汪 勇， 劉東旗， 鄧志成， 危 奇， 楊 宇， 林潤達

(1.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院，上海 200240；2.東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川德陽 618000)

瑞士的ABB公司和法國的ALSTOM公司分別從1988年和2000年開始生產(chǎn)使用紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)的汽輪機。超超臨界汽輪機的主蒸汽壓力達到28～35 MPa時，高壓內(nèi)缸中分面法蘭的高溫螺栓強度很難滿足現(xiàn)有汽輪機設(shè)計規(guī)范的要求。采用對稱圓筒形結(jié)構(gòu)的紅套環(huán)高壓內(nèi)缸后，其溫度場分布均勻，熱應(yīng)力較小，便于快速起動和變工況。從2013年起，東方電氣集團東方汽輪機有限公司與哈爾濱汽輪機廠有限責(zé)任公司研制的主蒸汽壓力在28 MPa及以上的660 MW和1 000 MW超超臨界汽輪機采用帶有紅套環(huán)的筒形高壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)。國內(nèi)自主研制汽輪機紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸需要該高壓內(nèi)缸的實際過盈量設(shè)計與制造保障方法。

ABB公司、ALSTOM公司與北重阿爾斯通(北京)電氣裝備有限公司生產(chǎn)的采用紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸的汽輪機，已經(jīng)在華能石洞口第二電廠、湖北大別山發(fā)電廠和國電寶雞發(fā)電有限責(zé)任公司等電廠投運。東方電氣集團東方汽輪機有限公司生產(chǎn)的采用紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸的汽輪機，已經(jīng)在重慶神華萬州電廠等電廠投運。在汽輪機紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸的使用過程中，由于高溫段紅套環(huán)的工作溫度高，隨著運行時間的增加，紅套環(huán)發(fā)生蠕變與松弛，紅套緊力減小，可能會導(dǎo)致高壓內(nèi)缸中分面漏汽。若紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸的紅套緊力監(jiān)控不當(dāng)，會影響汽輪機的安全與經(jīng)濟運行[1]。因此，在汽輪機大修過程中，急需一套有針對性的紅套緊力監(jiān)控方法。筆者提出了紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸額定負荷穩(wěn)態(tài)工況和起動與停機瞬態(tài)工況下的強度設(shè)計方法,額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下的蠕變設(shè)計方法和起動與停機瞬態(tài)工況下的高壓內(nèi)缸中分面嚴密性的設(shè)計方法，給出了某電廠600 MW超臨界汽輪機紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸的紅套環(huán)設(shè)計數(shù)據(jù)，以及高壓內(nèi)缸制造與檢修過程中增加墊片厚度的應(yīng)用實例，并分析了高壓內(nèi)缸開裂的原因。

1 常規(guī)設(shè)計方法

1.1 紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸的定性設(shè)計

在公開的科技文獻中，介紹紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸設(shè)計方法的研究還比較少。文獻[2]給出了紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸的定性設(shè)計分析方法，其要點如下：

(1)在汽輪機起停和負荷變動的任何工況下，紅套環(huán)都應(yīng)具有使汽缸中分面密封的緊力。起動和升負荷時，由于汽缸的溫度高于紅套環(huán)的溫度，還應(yīng)注意使紅套環(huán)的應(yīng)力不超過許用應(yīng)力。

(2)尚須考慮材料的抗松弛性能，420 ℃以上的高溫條件下工作的紅套環(huán)在1.5×105h運行后需要更換新的紅套環(huán)。

(3)在紅套環(huán)外側(cè)加裝了擋熱板，可以防止高壓內(nèi)缸熱量傳到外缸，在起停與負荷變動過程中減緩了紅套環(huán)溫度場和應(yīng)力場的變化。

1.2 紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸的定量設(shè)計

1.2.1 紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸名義過盈量的設(shè)計判據(jù)

根據(jù)文獻[3]，選擇紅套環(huán)材料的線膨脹系數(shù)與高壓內(nèi)缸材料的線膨脹系數(shù)相同，名義過盈量δ約為高壓內(nèi)缸外半徑的0.001倍，紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸名義過盈量δ的設(shè)計判據(jù)為

(1)

式中：DZ為紅套環(huán)套裝部位的汽缸外直徑；DR為紅套環(huán)的內(nèi)直徑；Rb1為紅套環(huán)套裝部位的汽缸外半徑；Rb2為紅套環(huán)的內(nèi)半徑。

1.2.2 紅套環(huán)面積的設(shè)計判據(jù)

在2個紅套環(huán)之間做出垂直于軸線的中間線，如圖1中的虛線所示；2條虛線之間的汽缸截面積稱為紅套環(huán)對應(yīng)段汽缸截面積AC。紅套環(huán)截面積AR為

AR=k×AC

(2)

式中：k為系數(shù)，通常k=0.2～0.4[3]。

圖1 紅套環(huán)截面積AR與對應(yīng)段汽缸截面積AC的示意圖

Fig.1 Shrink-ring cross section areaARand corresponding cylinder cross section areaAC

2 有限元分析設(shè)計方法

根據(jù)汽輪機結(jié)構(gòu)強度有限元分析積累的經(jīng)驗[4-7]，結(jié)合紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸的結(jié)構(gòu)特點，提出紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸強度的有限元分析設(shè)計判據(jù)。

2.1 額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下的強度設(shè)計

2.1.1 額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下平均應(yīng)力的設(shè)計判據(jù)

考慮到材料高溫短時與長時力學(xué)性能，在汽輪機額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下，高壓內(nèi)缸與紅套環(huán)的平均應(yīng)力有限元分析設(shè)計判據(jù)為

σeq1≤[σmt]

(3)

(4)

2.1.2 額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下表面等效應(yīng)力的設(shè)計判據(jù)

在汽輪機額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下，高壓內(nèi)缸與紅套環(huán)表面等效應(yīng)力σeq2的有限元分析設(shè)計判據(jù)為

(5)

2.2 起動與停機瞬態(tài)工況下的強度設(shè)計

在汽輪機起動、停機或負荷變動的瞬態(tài)工況下，高壓內(nèi)缸與紅套環(huán)最大應(yīng)力的有限元分析設(shè)計判據(jù)為

(6)

式中：K為1～2內(nèi)的常數(shù)，推薦鍛件K=2，鑄件K=1.5；σeq3為結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中部位或強度危險點的等效應(yīng)力。

2.3 額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下的蠕變設(shè)計

2.3.1 考慮多軸蠕變效應(yīng)的局部應(yīng)變設(shè)計判據(jù)

在汽輪機額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下，工作2.1×105h(即工作30年，年均運行約7×103h)后，高壓內(nèi)缸表面有應(yīng)力集中部位的局部應(yīng)變的有限元分析設(shè)計判據(jù)為

ε1max×FCA≤5%

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：ε1max為汽缸表面有應(yīng)力集中部位的局部應(yīng)變(最大主應(yīng)變?yōu)棣?)；FCA為Cocks與Ashby系數(shù)；σeq為馮·米塞斯等效應(yīng)力；σh為靜水應(yīng)力；n為材料的Norton指數(shù)；σ1為最大主應(yīng)力；σ2為中間主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；sinh(x)為雙曲正弦函數(shù)。

2.3.2 考慮多軸蠕變效應(yīng)的平均應(yīng)變設(shè)計判據(jù)

在汽輪機額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下，工作2.1×105h(約30年)后，高壓內(nèi)缸沿厚度平均的最大主應(yīng)變的有限元分析設(shè)計判據(jù)為

ε1m×FCA≤1%

(12)

式中：ε1m為沿厚度平均的最大主應(yīng)變。

2.4 起停瞬態(tài)工況下高壓內(nèi)缸中分面的嚴密性設(shè)計

2.4.1 高壓內(nèi)缸中分面嚴密性的設(shè)計判據(jù)

在汽輪機的額定負荷下以及停機過程、起動過程和負荷變動過程中，采用紅套環(huán)的高壓內(nèi)缸中分面嚴密性的設(shè)計判據(jù)是采用有限元數(shù)值計算得出的中分面的接觸壓力pCP大于高壓內(nèi)缸內(nèi)外表面壓差Δp的2倍，即

pCP≥2Δp

(13)

Δp=pi-pe

(14)

式中：pi為高壓內(nèi)缸第i個部位內(nèi)表面蒸汽壓力；pe為高壓內(nèi)缸的外表面蒸汽壓力，通常為高壓缸的排汽壓力。

2.4.2 考慮蠕變高壓內(nèi)缸中分面嚴密性的設(shè)計判據(jù)

在汽輪機額定負荷穩(wěn)態(tài)工況下，nA年一次大修，每年運行小時數(shù)按7×103h計算，運行t=7×103nA(若汽輪機6年一次大修，t=4.2×104h)，考慮蠕變與松弛作用后高壓內(nèi)缸中分面嚴密性的設(shè)計判據(jù)為

pCPt≥0

(15)

式中：pCPt為運行t=7×103nA后考慮蠕變與松弛作用的汽缸中分面的接觸壓力。

3 制造實際過盈量保障措施

3.1 紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸之間增加墊片厚度的判據(jù)

在汽輪機制造階段，為了保證紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸首次裝配的實際過盈量δ0達到設(shè)計要求，考慮到實際加工存在公差等因素，在紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸精加工結(jié)束后，應(yīng)測量紅套環(huán)內(nèi)直徑DR與對應(yīng)部位汽缸外直徑DZ，按照式(1)計算出紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸的名義過盈量δ。若δ<0.001Rb1=0.000 5DZ，通過增加墊片厚度S來保證紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸的實際過盈量δ0=(δ+S)≥0.001Rb1=0.000 5DZ。紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸首次裝配的實際過盈量δ0為

(16)

3.2 紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸之間增加的墊片厚度上限

在汽輪機制造階段，需要嚴格控制紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸的制造質(zhì)量。在汽輪機制造企業(yè)，出廠之前套裝的新增墊片厚度通常為0.1 mm或0.2 mm，新增墊片厚度的上限值為0.2 mm。若需要新增的墊片更厚，表明紅套環(huán)加工偏差過大，需要報廢，必須重新加工一個新的紅套環(huán)。

4 紅套緊力監(jiān)控方法

4.1 在役汽輪機紅套環(huán)紅套緊力的監(jiān)控方法

紅套環(huán)高壓內(nèi)缸投入使用后，在汽輪機的大修中把高壓內(nèi)缸與高壓轉(zhuǎn)子一起從外缸的下缸中吊出，待紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸冷卻后，在拆除紅套環(huán)之前，仔細測量紅套環(huán)上2個檢測孔之間的距離(見圖2)，在紅套環(huán)加熱拆除、冷卻后，還要再次仔細測量紅套環(huán)上2個檢測孔之間的距離，以計算大修中新增墊片厚度。

圖2 紅套環(huán)上2個檢測孔之間距離的示意圖

在大修中拆除紅套環(huán)并完成轉(zhuǎn)子、靜葉與高壓內(nèi)缸檢修后，再次套上紅套環(huán)時，需要在紅套環(huán)內(nèi)表面與高壓內(nèi)缸外表面之間新增墊片。通過調(diào)整其墊片厚度來控制紅套環(huán)的紅套緊力與實際過盈量，以保證紅套環(huán)的紅套緊力與中分面的嚴密性。計算新增墊片厚度是紅套緊力監(jiān)控的一項重要工作，如果紅套環(huán)墊片加少了，在運行中會使汽缸紅套緊力不夠，造成汽缸中分面漏汽；如果紅套環(huán)墊片加多了，高壓內(nèi)缸與紅套環(huán)的附加應(yīng)力將會增大，這可能會影響汽缸的安全性，同時也會使紅套環(huán)的使用壽命減少。

4.2 紅套環(huán)新增墊片厚度的計算方法

紅套環(huán)新增墊片厚度的計算步驟如下：

(1)計算首次套紅套環(huán)前后2個檢測孔之間距離的變化值X0：

X0=L1-L0

(17)

式中：L0和L1分別為汽輪機出廠之前套紅套環(huán)前后2個檢測孔之間的距離。

(2)確定紅套環(huán)墊片調(diào)整系數(shù)k3。在紅套環(huán)精加工完成后，根據(jù)紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸的實際尺寸，由制造企業(yè)的技術(shù)人員計算在室溫下(約20 ℃)紅套環(huán)墊片調(diào)整系數(shù)k3。

(3)測量拆除紅套環(huán)之前的紅套環(huán)上2個檢測孔之間的距離L2。在汽輪機大修中，高壓內(nèi)缸與高壓轉(zhuǎn)子一起從外缸的下缸中吊出，待紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸冷卻后，拆除紅套環(huán)之前，在室溫下(約20 ℃)采用游標卡尺測量紅套環(huán)上2個檢測孔之間的距離L2。

(4)測量拆除紅套環(huán)之后的紅套環(huán)上2個檢測孔之間的距離L3。在汽輪機大修中，高壓內(nèi)缸與高壓轉(zhuǎn)子一起從外缸的下缸中吊出后，通過加熱拆除紅套環(huán)并待紅套環(huán)冷卻之后，在室溫下(約20 ℃)采用游標卡尺測量紅套環(huán)上2個檢測孔之間的距離L3。

(5)計算大修拆除紅套環(huán)前后2個檢測孔之間距離的變化值Xj：

Xj=L3-L2

(18)

(6)計算紅套環(huán)上2個檢測孔之間距離的變化值的改變量ΔX。在汽輪機大修中，紅套環(huán)上2個檢測孔之間距離的變化值X0與Xj之差為ΔX：

ΔX=X0-Xj

(19)

(7)計算紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸之間新增墊片厚度Δδj。在汽輪機大修中，對于已經(jīng)發(fā)生蠕變與松弛的紅套環(huán)，通過在紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸之間新增墊片厚度來保證高壓內(nèi)缸的嚴密性，紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸之間新增的墊片厚度Δδj為

Δδj=k3×ΔX

(20)

4.3 高壓內(nèi)缸嚴密性的驗證判據(jù)

高壓內(nèi)缸嚴密性的驗證判據(jù)包括以下3項。

(1)高壓內(nèi)缸再次套上紅套環(huán)后，測量紅套環(huán)上2個檢測孔之間的距離L4。在汽輪機大修中，在紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸紅套之后，在室溫下(約20 ℃)采用游標卡尺測量紅套環(huán)上2個檢測孔之間的距離L4。

(2)計算大修紅套環(huán)前后2個檢測孔之間的距離變化值Xr：

Xr=L4-L3

(21)

(3)大修紅套環(huán)后高壓內(nèi)缸嚴密性的驗證判據(jù)為

Xr≥X0

(22)

5 應(yīng)用實例

某電廠1號600 MW超臨界汽輪機采用紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸結(jié)構(gòu)。該汽輪機筒形高壓內(nèi)缸工作在高溫區(qū)的A、B、C 3個紅套環(huán)的實際過盈量設(shè)計值見表1。在紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸制造過程中，新增墊片厚度見表2。在汽輪機的大修中，通過新增A紅套環(huán)、B紅套環(huán)和C紅套環(huán)的墊片厚度，保障了紅套環(huán)筒形高壓內(nèi)缸的實際過盈量以及高壓內(nèi)缸中分面的嚴密性,具體結(jié)果見表3。

表1 某電廠1號汽輪機紅套環(huán)實際過盈量的設(shè)計值

表2 某電廠1號汽輪機紅套環(huán)實際過盈量的制造保障要求

表3 某電廠1號汽輪機紅套環(huán)實際過盈量的檢修監(jiān)控結(jié)果

該電廠1號汽輪機已運行10年，高壓內(nèi)缸外表面發(fā)現(xiàn)2條整圈裂紋，裂紋深度為10 mm。經(jīng)有限元分析，開裂原因是瞬態(tài)工況下強度設(shè)計不合格，冷態(tài)起動最大應(yīng)力出現(xiàn)在335 MW負荷下；溫態(tài)起動最大應(yīng)力出現(xiàn)在327 MW負荷下；熱態(tài)起動最大應(yīng)力出現(xiàn)在272 MW負荷下；極熱態(tài)起動最大應(yīng)力出現(xiàn)在316 MW負荷下；大負荷變動時升負荷最大應(yīng)力出現(xiàn)在326 MW負荷下。進行蠕變與疲勞交互作用下裂紋萌生壽命與裂紋擴展壽命評定，計算得出1號汽輪機裂紋深度為10 mm，與實際裂紋深度一致。對此提出了以下延壽措施：在檢修方面，車掉裂紋，修大圓角；在運行方面，考慮到冷態(tài)起動、溫態(tài)起動、熱態(tài)起動、極熱態(tài)起動與大負荷變動時的最大應(yīng)力出現(xiàn)在250～350 MW，在該負荷段減小升溫率并修改電廠“運行規(guī)程”，以降低高壓內(nèi)缸的起動瞬態(tài)熱應(yīng)力。實施效果是改進后該電廠2臺汽輪機又安全運行了10年，目前還在繼續(xù)使用。

6 結(jié) 論

(1)在汽輪機設(shè)計階段，根據(jù)紅套環(huán)與筒形高壓內(nèi)缸的紅套環(huán)過盈量、紅套環(huán)面積、紅套環(huán)與汽缸的強度、蠕變和嚴密性的設(shè)計判據(jù)，可以保證紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸的結(jié)構(gòu)完整性與服役安全性。

(2)在紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸精加工結(jié)束后，通過測量紅套環(huán)內(nèi)直徑DR與對應(yīng)部位的汽缸外直徑DZ，在紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸之間增加墊片，可以保證紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸首次裝配的實際過盈量δ0達到設(shè)計要求。

(3)在汽輪機大修中測量紅套環(huán)上2個檢測孔之間的距離，如果蠕變與松弛導(dǎo)致汽輪機紅套環(huán)上2個檢測孔之間的距離的變化值減小，通過增加紅套環(huán)與高壓內(nèi)缸之間的墊片厚度，可保證紅套環(huán)的紅套緊力與高壓內(nèi)缸的嚴密性處于受控狀態(tài)。

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