煙氣輪機(jī)殼體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊 俊 張玉峰 ，梁宗輝

（1.渤海裝備蘭州石油化工機(jī)械廠，甘肅蘭州 730060；2.甘肅省煉化特種裝備工程技術(shù)研究中心，甘肅蘭州 730060）

0 引言

煙氣輪機(jī)（圖1）是催化裂化裝置能量回收系統(tǒng)主風(fēng)機(jī)組的核心設(shè)備之一。其主要用途是將催化裂化裝置再生反應(yīng)器反應(yīng)生成的介質(zhì)氣（高溫?zé)煔猓┠芰窟M(jìn)行回收，輸出機(jī)械能驅(qū)動(dòng)主風(fēng)機(jī)組其他設(shè)備正常運(yùn)行。

殼體是煙氣輪機(jī)關(guān)鍵零部件之一，通過安裝于殼體的氣封組裝密封高溫?zé)煔猓瑢⒆鐾旯Φ臒煔饨?jīng)由自身內(nèi)腔垂直向上或向下排入裝置管線。

圖1 煙氣輪機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 殼體

1 問題

1.1 殼體支承筋板角焊縫開裂

殼體主要由法蘭錐體、氣封體固定環(huán)、支承筋板、內(nèi)殼體等零件組焊加工而成（圖2）。為了去除焊接應(yīng)力，通常工藝安排殼體組焊后熱處理消除焊接應(yīng)力。支承筋板連接法蘭錐體與內(nèi)殼體，采取焊接制造工藝。根據(jù)近年來煙氣輪機(jī)部件返廠修復(fù)及用戶現(xiàn)場(chǎng)檢維修情況發(fā)現(xiàn)，殼體支承筋板靠近內(nèi)殼體一端的角焊縫容易出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

1.2 氣封與轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜摩擦

殼體氣封體固定環(huán)部位安裝有氣封組裝，用于煙氣輪機(jī)軸端密封。通常密封機(jī)構(gòu)采用蜂窩密封帶或梳齒密封帶，密封帶為不銹鋼材料。密封帶與轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)密封面設(shè)計(jì)有一定范圍的安裝間隙，煙氣輪機(jī)正常運(yùn)行時(shí)此處不會(huì)發(fā)生動(dòng)靜摩擦。當(dāng)設(shè)計(jì)間隙發(fā)生改變時(shí)，此處就會(huì)發(fā)生動(dòng)靜摩擦，磨損氣封帶，磨損轉(zhuǎn)子密封面。當(dāng)情況嚴(yán)重時(shí)，有可能破壞轉(zhuǎn)子密封面部位幾何結(jié)構(gòu)（圖3），引發(fā)設(shè)備事故。

圖3 轉(zhuǎn)子密封面磨損痕跡

圖4 支承筋板角焊縫開裂部位

2 原因分析

2.1 殼體支承筋板角焊縫開裂原因

（1）焊縫熱應(yīng)力。殼體支承筋板角焊縫發(fā)生開裂部位見圖4。由于所處位置特殊，支承筋板位于殼體煙氣流道，所處部位溫度較高約550℃，焊縫開裂部位由于靠近內(nèi)殼體外表面，溫度與流道內(nèi)相比較低。因?yàn)闇囟确植嫉淖兓颂幮纬梢粋€(gè)較小的局部溫度場(chǎng)，零件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。如果設(shè)備頻繁啟停機(jī)或由于裝置工藝改變煙氣輪機(jī)運(yùn)行溫度頻繁波動(dòng)，會(huì)形成交變熱應(yīng)力，加劇焊縫疲勞裂紋的產(chǎn)生。

（2）催化劑的沖蝕。催化劑成分中含有腐蝕性硫、磷等元素。如果催化裝置有大量的催化劑跑損到煙氣中，催化劑大直徑顆粒隨煙氣流動(dòng)對(duì)焊縫具有沖蝕破壞力，小直徑催化劑在焊縫根部角落沉積。煙氣輪機(jī)輪盤冷卻蒸汽品質(zhì)較差帶少量水汽時(shí)，與沉積在焊縫根部的催化劑混合后加劇焊縫金屬的腐蝕性破壞。

2.2 氣封與轉(zhuǎn)子的動(dòng)靜摩擦原因

（1）安裝找正。氣封組裝與轉(zhuǎn)子密封面的設(shè)計(jì)安裝間隙較小，煙氣輪機(jī)在用戶現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)轉(zhuǎn)子與殼體相對(duì)位置十分關(guān)鍵，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝找正。如果安裝過程中對(duì)煙氣輪機(jī)設(shè)計(jì)安裝值把控不嚴(yán)，此處密封間隙不能得到有效保障，煙氣輪機(jī)運(yùn)行時(shí)就會(huì)發(fā)生動(dòng)靜摩擦。

（2）氣封體變形。氣封組裝設(shè)計(jì)有蒸汽和空氣密封系統(tǒng)，其中用于密封的蒸氣溫度250℃和常溫空氣溫度不同，同時(shí)氣封組裝處于輪盤后側(cè)，受到來自煙氣溫度的輻射。復(fù)雜的溫度場(chǎng)內(nèi)氣封組裝零部件會(huì)形成復(fù)雜多變的熱應(yīng)力，長(zhǎng)期在這種環(huán)境中工作，零部件逐漸通過自身形變來釋放或吸收內(nèi)部熱應(yīng)力。當(dāng)氣封組裝零件形變達(dá)到某種程度、足以影響到密封間隙發(fā)生改變時(shí)，轉(zhuǎn)子與密封帶就會(huì)發(fā)生動(dòng)靜摩擦。

（3）氣封體固定環(huán)變形。氣封體固定環(huán)用于固定安裝氣封組裝，煙氣輪機(jī)經(jīng)過一個(gè)周期的使用返廠修復(fù)時(shí)，通常都要檢查該零件關(guān)鍵安裝面及止口。大量返修經(jīng)驗(yàn)證明，該零件的關(guān)鍵安裝尺寸有著大小不同的變形。如果關(guān)鍵尺寸發(fā)生改變，必將影響氣封組裝整體的安裝精度，導(dǎo)致氣封間隙發(fā)生改變，引發(fā)動(dòng)靜摩擦。

（4）出口管道作用力。煙氣輪機(jī)殼體連接裝置排氣管道，裝置排氣管道受熱時(shí)會(huì)向殼體方向膨脹變形，如果管道設(shè)計(jì)的膨脹節(jié)沒能有效吸收熱膨脹量，就會(huì)對(duì)殼體形成很大的作用力。長(zhǎng)期承受這種作用力，殼體零部件會(huì)通過發(fā)生形變來釋放或者吸收作用力。如果安裝氣封組裝的零件發(fā)生緩慢形變導(dǎo)致氣封密封間隙改變，氣封帶與轉(zhuǎn)子就會(huì)發(fā)生動(dòng)靜摩擦。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 采用浮動(dòng)式支承筋板

改變?cè)瓪んw支撐筋板兩端焊接結(jié)構(gòu)，采用懸浮式支承筋板結(jié)構(gòu)。支承筋板與法蘭錐體端沿用原焊接制造，另一端設(shè)計(jì)有一定量的膨脹間隙（圖5），允許機(jī)構(gòu)受熱膨脹變形釋放熱應(yīng)力，通過均勻的設(shè)計(jì)間隙對(duì)機(jī)構(gòu)的熱膨脹變形進(jìn)行合理限位，防止發(fā)生不均勻熱膨脹變形改變零部件相對(duì)位置、進(jìn)而改變氣封密封間隙造成動(dòng)靜摩擦。

3.2 殼體出口設(shè)計(jì)膨脹節(jié)

殼體排氣法蘭與煙機(jī)出口過渡段連接部位設(shè)計(jì)膨脹節(jié)，見圖6，根據(jù)殼體出口法蘭處的熱膨脹量及相連管道的熱膨脹量設(shè)計(jì)膨脹節(jié)可調(diào)節(jié)范圍，膨脹節(jié)安裝時(shí)需要預(yù)拉伸安裝，確保煙氣輪機(jī)運(yùn)行時(shí)可以將殼體及管道發(fā)生的熱膨脹量有效吸收，防止發(fā)生因管道作用力使得殼體受壓變形，影響氣封密封間隙造成動(dòng)靜摩擦。

圖5 支承筋板懸浮式設(shè)計(jì)

圖6 殼體出口設(shè)置膨脹節(jié)

3.3 殼體內(nèi)外表面保溫

由于煙氣輪機(jī)工況特殊，殼體等部件屬于熱部件，需要對(duì)這些關(guān)鍵零部件外表面做保溫措施，盡量讓這些零部件處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且均勻的溫度場(chǎng)內(nèi)，避免較多熱應(yīng)力的產(chǎn)生導(dǎo)致零部件發(fā)生形變、造成動(dòng)靜磨損，進(jìn)而提高氣封、轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵零部件的使用壽命，保證裝置長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)語

煙氣輪機(jī)殼體起到高溫?zé)煔獾倪^渡、密封和連接管線的作用，其運(yùn)行好壞程度直接影響相關(guān)設(shè)備及裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。從設(shè)計(jì)制造到安裝運(yùn)行都需要嚴(yán)格對(duì)待及精心維護(hù)。針對(duì)問題分析原因做出的優(yōu)化設(shè)計(jì)，一部分已成功應(yīng)運(yùn)于生產(chǎn)實(shí)踐，并取得了良好效果。