1 000 MW超超臨界機組給水泵芯包優(yōu)化

張 胤，黃 群，董飛英

(上海上電漕涇發(fā)電有限公司，上海 201507)

上海漕涇電廠2×1 000 MW機組汽輪機采用上汽廠引進德國西門子公司技術(shù)設(shè)計制造的超超臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽(一個高壓缸、一個雙流中壓缸和兩個雙流低壓缸)、雙背壓、八級回?zé)岢槠⒎磩幽狡啓C，型號為N1000-26.25/600/600，銘牌功率為1 000 MW，保證熱耗7 306 kJ/kWh。

汽動給水泵是由上海電力修造總廠有限公司按Sulzer 技術(shù)生產(chǎn)的水平、多級、筒式殼體，并具有整抽式芯包設(shè)計的離心泵。型號HPT400-390-6S，主要配套1 000 MW等級超超臨界火電機組汽動給水泵組。

2012年7月，汽動給水泵2A在運行中自由端密封水回水溫度異常升高至97℃，就地檢查發(fā)現(xiàn)該泵自由端密封水調(diào)節(jié)閥后管道上一對發(fā)蘭密封墊被吹損，大量密封水柱狀噴灑到鄰近設(shè)備上。

經(jīng)過緊急搶修抽出汽泵2A芯包后發(fā)現(xiàn)平衡襯套緊固螺栓(16只M16螺栓 )有15只脫落，螺孔磨損擴大，螺栓磨損嚴重變形，在與螺栓軸向?qū)?yīng)的末級導(dǎo)向器處，撞擊形成較大的凹坑。2012年對給水泵2A更換了備用芯包，并對損壞的芯包進行了修復(fù)。后續(xù)幾年利用檢修機會對其他幾臺給水泵的芯包進行了解體檢查，都發(fā)現(xiàn)了相似的問題，甚至于推力盤及推力瓦的損壞。

鑒于這些情況可知，給水泵芯包損壞存在一定的共性情況，遂對芯包損壞問題進行了進一步的原因分析。

1 芯包損壞原因分析

經(jīng)過對損壞的芯包解體檢查發(fā)現(xiàn)故障始發(fā)原點應(yīng)是：由于平衡襯套固定螺栓在運行中松脫造成的后續(xù)設(shè)備損壞。一旦在運行中由于螺栓松動造成平衡襯套與大端蓋的密封損壞，有可能就會發(fā)生水汽外泄，而且螺栓磨損的金屬碎屑進入平衡鼓的節(jié)流間隙(直徑間隙0.44～0.51 mm)，造成平衡鼓磨損，磨損形成的金屬屑粒隨著平衡回水管到了主泵進口，導(dǎo)致葉輪密封環(huán)的磨損。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各間隙處的磨損是同步增加的，即金屬屑粒的總量也在增加，當(dāng)達到一個積累量，最終導(dǎo)致平衡鼓節(jié)流間隙迅速增大，形成惡性循環(huán)，加速其磨損，在較短時間內(nèi)達到嚴重的程度。平衡鼓節(jié)流間隙增大，節(jié)流效應(yīng)下降，回水流量迅速增加，而主泵進口壓力是固定的，由于平衡回水壓力的大幅增高，就發(fā)生迷宮密封間隙大氣側(cè)泄漏(泄荷口無法滿足)，嚴重影響機組安全運行(水流方向見圖1)。

圖1 給水泵芯包故障后水流方向變化圖

泵型號螺栓規(guī)格螺栓數(shù)量螺栓材料設(shè)計力矩/Nm同規(guī)格6.8級螺栓力矩/Nm材料抗拉強度/MPaHPT mk 200-320-6s/28M2024A176Type431(相當(dāng)Cr17Ni2)225249～3091 100～1 200HPT-400-390/6SM1616QT-900113127～158900

2 平衡襯套故障原因分析

(1)法蘭螺栓緊固力矩偏小。襯套法蘭由16只M16螺栓固定，在法蘭下部由一只柔性石墨環(huán)作為平面靜密封，由法蘭的軸向壓緊力來阻斷襯套與殼體內(nèi)配合間隙處的泄漏，密封壓縮量應(yīng)在阻止泄漏通道的同時，法蘭金屬面也必須與殼體金屬結(jié)合面剛性接觸。從測量它們的相對位置可發(fā)現(xiàn)，經(jīng)壓縮后的柔性石墨環(huán)表面至法蘭平面的高度為11.6 mm,襯套凸出止口尺寸是12 mm，雖然兩金屬結(jié)合面有接觸痕跡，但這仍不足以使螺栓有合理的拉伸量。平衡襯套緊固螺栓為16個M16的螺栓，材料為QT900, 設(shè)計力矩值為113 Nm。同時對比其他主泵平衡襯套固定螺栓的情況如表1所示。在給水設(shè)計壓力接近的泵型上，無論是固定螺栓數(shù)量、規(guī)格以及設(shè)計力矩都比目前使用的要高，這也直接造成目前使用的螺栓材料抗拉強度以及整體緊固強度要小很多。

(2)平衡襯套由16只螺栓固定在大端蓋上，運行中長期受到水流、振動因素的影響。目前平衡襯套與大端蓋的配合位置僅占平衡襯套全長的1/8左右，其他部分是懸臂的僅依靠襯套法蘭處螺栓固定。固定螺栓松脫的基本原因是螺栓在緊固后，未達到應(yīng)有的彈性伸長量(螺栓力矩設(shè)計值偏小或安裝時未緊固到要求的力矩)，并且緊固螺栓沒有防松脫措施，在水流、振動等因素的長期作用下最終松脫，而松脫后的螺栓，由于它與末級導(dǎo)向器蓋板的軸向距離較短，而無法全部脫下，則它在泵運轉(zhuǎn)過程中不斷地作軸向沖擊末級導(dǎo)向蓋板的相應(yīng)位置，最終在蓋板相應(yīng)位置形成較大的凹坑，同時產(chǎn)生金屬屑粒進入平衡裝置及各級葉輪的動靜間隙。

3 平衡襯套改進方案

針對解體過程中發(fā)現(xiàn)的問題，制造廠重新改進加工平衡襯套，平衡襯套法蘭螺栓規(guī)格由M16×50 mm改為M16×80 mm，數(shù)量由16只增加到28只。螺栓緊固力矩由113 Nm改為130 Nm。

平衡襯套將其外圓直徑340 mm部分進行的堆焊車削配合改為過盈配合(平衡套下部密封墊必須同時保持壓緊) ，使配合保持一定的過盈量(0.02～0.04 mm)來阻斷振動向螺栓處傳導(dǎo)，在最大程度上降低動態(tài)下對螺栓的交變應(yīng)力作用(如圖2所示)。

圖2 平衡襯套與大端蓋間過盈配合示意圖

將平衡襯套1的一端通過機加工與大端蓋4對應(yīng)位置形成過盈配合，過盈度0.02～0.04 mm。裝入彈性密封圈3后，使用液氮冷卻平衡襯套1，再將平衡襯套1與大端蓋3組裝到位，形成第一個支點，然后用緊固螺栓2將平衡襯套1與大端蓋3緊固住，形成第二個支點，使得原來單支點懸臂結(jié)構(gòu)的平衡襯套，改為了雙支點結(jié)構(gòu)，增加了運行中的穩(wěn)定性。

緊固螺栓2共設(shè)有28個，緊固螺栓的深度增加了10 mm，通過增加緊固螺栓的數(shù)量及長度，增加了平衡襯套的總的緊固力矩，同時又降低了每顆螺栓受力，提高了平衡襯套在運行中的安全性。

平衡襯套1內(nèi)壁有4條槽齒渦旋阻尼,鼓套處于高差壓的節(jié)流狀態(tài)。當(dāng)水流在很大的壓差下通過平衡鼓間隙，它是處于低頻振動的沖擊下的狀況，通過改進平衡襯套1與大端蓋4之間的配合方式，改為雙支點后，振動情況大幅改善，緊固螺栓2承受剪切力大大減小，有效防止了緊固螺栓2的松脫與斷裂，也防止了平衡襯套1與大端蓋4的損傷，更進一步保障了給水泵芯包的安全運行。

4 平衡襯套改進效果

改造前，芯包平衡襯套僅依靠固定螺栓單支點固定，呈懸臂結(jié)構(gòu)，在水流的作用下，平衡襯套長期處于低頻振動狀態(tài)，易造成緊固螺栓的松脫。通過改進后，在增加了螺栓數(shù)量和緊力的同時也對襯套的整體安裝結(jié)構(gòu)進行了改進，改為雙支點的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。消除當(dāng)水流在很大的壓差下通過平衡鼓間隙時產(chǎn)生的低頻振動沖擊，提高了平衡襯套及給水泵芯包的運行安全性。平衡襯套的緊固螺栓由16個增加至28個，增加了緊固力矩，提高了芯包使用的安全性和可靠性。

5 結(jié)語

通過對原有給水泵芯包的優(yōu)化和改造，提高了給水泵的使用安全性，同時也可延長芯包的使用壽命，減少檢修時間和費用的投入。對其他同類型芯包上都可以做改進，且不需要更換新的平衡襯套，在原襯套及大端蓋上改進即可，可以為其他類似的改造提供可行的依據(jù)和借鑒的經(jīng)驗。