汽輪機(jī)中分面漏汽原因分析與處理

寇向陽(yáng)

（上海寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900）

0 引言

汽輪機(jī)汽缸一般具有體積龐大，前后跨距長(zhǎng)，整體質(zhì)量重等特點(diǎn)，為了使汽輪機(jī)在高溫高壓蒸汽條件下安全生產(chǎn)而不發(fā)生蒸汽泄漏，汽缸中分面必須密不可漏。汽輪機(jī)中分面微量的蒸汽泄漏就可能引起刺耳的噪聲，或者密封面吹槽損壞設(shè)備，同時(shí)發(fā)電效率明顯降低等問(wèn)題，漏汽現(xiàn)象若長(zhǎng)期得不到及時(shí)有效處理，就可能會(huì)發(fā)展成為汽缸永久變形，甚至?xí)a(chǎn)生人身傷害或汽缸無(wú)法修復(fù)而報(bào)廢等嚴(yán)重后果。汽輪機(jī)中分面漏汽原因涉及方面較廣，但以缸體加工缺陷和生產(chǎn)操作使用不當(dāng)引起的汽缸變形而產(chǎn)生的蒸汽泄漏居多，另外在機(jī)組安裝或大修時(shí)螺栓力矩不符合標(biāo)準(zhǔn)，緊固順序錯(cuò)亂等引起的蒸汽泄漏，還有安裝維修人員技術(shù)薄弱或密封脂選用有誤等原因造成的漏汽。通常汽輪機(jī)中分面漏汽都是由于多種原因長(zhǎng)期疊加造成的。

1 機(jī)組概況

鋼鐵生產(chǎn)廠2015 年10 月一座新建高溫高壓煉焦余熱發(fā)電機(jī)組投入運(yùn)行。該汽輪機(jī)為雙抽式，新蒸汽進(jìn)汽壓力8.83（±0.5）MPa，溫度，額定進(jìn)汽量152 t/h，發(fā)電量30 MW。投入運(yùn)行16 個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)右側(cè)高壓蒸汽噴嘴附近汽缸中分面有微量蒸汽泄漏現(xiàn)象，由于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)影響開(kāi)缸處理?xiàng)l件不允許，只做了臨時(shí)引流處理，從汽缸中分面疏水口接一管道引流泄漏蒸汽排出，帶傷運(yùn)行近10 個(gè)月后，蒸汽泄漏量不斷增大，同時(shí)汽輪機(jī)左側(cè)高壓缸附近也發(fā)現(xiàn)大面積漏汽，鑒于蒸汽泄漏量較大，必須停機(jī)開(kāi)缸處理，否則可能引起安全事故，或是汽輪機(jī)產(chǎn)生永久變形而無(wú)法修復(fù)。

1.1 數(shù)據(jù)測(cè)量和分析

2018 年3 月上旬汽輪機(jī)組按維修計(jì)劃停機(jī)，待汽缸溫度降至常溫后拆除上下汽缸保溫層。為了得到汽缸變形漏汽初始數(shù)據(jù)，在未松動(dòng)汽缸螺栓情況下首先對(duì)中分面間隙做了初步測(cè)量（圖1），發(fā)現(xiàn)汽缸左側(cè)6 號(hào)和8 號(hào)螺栓附近，右側(cè)5 號(hào)和7 號(hào)螺栓附近存在漏汽間隙，最大間隙為0.15 mm，寬度達(dá)250 mm，部分深度貫穿中分面寬度。發(fā)生蒸汽泄漏的位置恰好是高壓蒸汽噴嘴附近，也是整個(gè)汽輪機(jī)缸體承受壓力最高的位置，除此之外沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他位置有漏汽間隙存在。

圖1 汽缸中分面平面布置

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)量

拆除汽缸中分面所有螺栓，將上下持環(huán)和轉(zhuǎn)子吊出，清理汽缸面密封脂等殘留物，合空缸后發(fā)現(xiàn)蒸汽高壓噴嘴附近間隙達(dá)0.65 mm，低壓缸同樣存在間隙，0.35 mm 塞尺通過(guò)，為了進(jìn)一步確認(rèn)汽缸變形情況，將汽輪機(jī)排汽缸與汽缸分離，分別采用冷緊和熱緊1/3 缸面螺栓兩種方式，對(duì)汽缸中分面間隙測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。其中，汽缸中分面法蘭間隙設(shè)計(jì)要求：空缸情況下0.05 mm 無(wú)法塞入，1/3 螺栓情況下0.03 mm 無(wú)法塞入。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析，汽缸變形位置主要表現(xiàn)在高壓缸附近，熱緊1/3 缸面螺栓后高壓缸仍有近0.30 mm 間隙存在，這就是導(dǎo)致汽缸漏汽的主要原因。同時(shí)測(cè)量中發(fā)現(xiàn)汽缸中分面內(nèi)部間隙明顯大于外部間隙，中分面呈內(nèi)張口狀態(tài)，而后汽缸內(nèi)外間隙基本相同，變化不大。

1.3 汽缸變形分析及可能產(chǎn)生的原因

對(duì)汽輪機(jī)中分面間隙進(jìn)行多種狀態(tài)下多手段測(cè)量，其結(jié)果認(rèn)定為汽缸變形，汽缸左右兩側(cè)第5，6，7，8 四顆螺栓位附近汽缸變形量最大，汽缸頂部的變形引起中分面回縮呈內(nèi)張口狀態(tài)，汽缸中部外凸，而高壓缸和低壓缸上翹，高壓缸變形量最為明顯，汽缸整體成為一個(gè)小V 形。究其原因，汽輪機(jī)缸體變形原因較多，其主要有以下3 個(gè)方面。

表1 汽缸中分面間隙測(cè)量數(shù)據(jù)記錄 mm

（1）汽缸在制造加工過(guò)程中產(chǎn)生缺陷，主要集中在應(yīng)力消除不徹底或不均。為了使汽缸能夠承受一定的蒸汽壓力和穩(wěn)定轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，國(guó)內(nèi)大多數(shù)汽輪機(jī)缸體都是鑄造而成，相對(duì)其它部件，汽輪機(jī)缸體體形龐大，又由于汽缸前后受力不同，所以在鑄造時(shí)，造成汽缸壁前厚后薄的特點(diǎn)。汽缸鑄造完畢后需經(jīng)過(guò)時(shí)效處理，使汽缸在鑄造過(guò)程中所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力完全消失，若時(shí)效處理不透徹或過(guò)程不完善，汽缸仍會(huì)留有殘余內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)汽輪機(jī)投入生產(chǎn)運(yùn)行后，隨著時(shí)間的推移和溫度的變化，殘余內(nèi)應(yīng)力會(huì)自然慢慢釋放出來(lái)，從而造成汽缸變形。在經(jīng)濟(jì)利益和設(shè)備交貨周期不斷壓縮的條件驅(qū)使下，目前國(guó)內(nèi)汽缸鑄造件基本都采用人工強(qiáng)制時(shí)效處理，由于汽缸體型龐大，缸體壁厚，人工時(shí)效處理設(shè)施和時(shí)間上都難以達(dá)標(biāo)，成為了汽缸內(nèi)應(yīng)力無(wú)法徹底消除而引起缸體變形的主要原因。

（2）生產(chǎn)工況發(fā)生突變引起汽缸受熱不均，特別表現(xiàn)在汽輪機(jī)開(kāi)停機(jī)過(guò)程中，沒(méi)有按照操作規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)操作，暖機(jī)升溫不正確或停機(jī)時(shí)溫度下降速率過(guò)快等原因造成。根據(jù)汽輪機(jī)操作說(shuō)明要求，機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程需階梯式升速，只有當(dāng)汽缸溫度達(dá)到要求后，才可進(jìn)行下一步工作，時(shí)刻關(guān)注汽缸溫升至關(guān)重要，當(dāng)汽缸中分面法蘭上下壁溫差值超過(guò)50 ℃時(shí)，上下缸就會(huì)產(chǎn)生較大的膨脹熱應(yīng)力差，使汽缸發(fā)生彈性變形，當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)汽缸材料屈服極限時(shí)，塑性變形就會(huì)發(fā)生，此時(shí)即使在汽缸上下壁溫差消失后，汽缸變形也無(wú)法恢復(fù)到原始狀態(tài)，其表現(xiàn)形式就是汽缸中分面變形出現(xiàn)漏汽現(xiàn)象，上下缸體無(wú)法緊密攏合。當(dāng)汽缸中分面漏汽發(fā)生后，特別是高壓缸，需及時(shí)處理，否則在汽流的沖刷和汽缸受力不均等多重作用下，漏汽情況會(huì)不斷惡化并擴(kuò)大，甚至在中分面出現(xiàn)吹槽。

（3）螺栓緊固力矩不足或緊固順序不對(duì)。汽缸的嚴(yán)密性主要靠螺栓的拉緊力來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常汽缸螺栓緊固分為冷態(tài)預(yù)緊和熱態(tài)緊固兩步，在每一個(gè)緊固步驟中，每一顆螺栓位都有對(duì)應(yīng)的緊固力矩，當(dāng)力矩小于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，汽缸在高負(fù)荷情況下產(chǎn)生的熱應(yīng)力和螺栓高溫膨脹會(huì)造成螺栓應(yīng)力松馳，螺栓對(duì)汽缸拉緊力減小，造成汽缸不能完全密封而漏汽。當(dāng)力矩大于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，螺栓自身會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，長(zhǎng)期運(yùn)行后，螺栓強(qiáng)度逐漸降低而失效，失去應(yīng)有的緊固功能。所以正確的螺栓緊固力矩是合理消除汽缸自然間隙的必要條件。一般汽缸螺栓在緊固時(shí)從汽缸中部向兩端對(duì)角逐漸延伸的順序進(jìn)行，這樣會(huì)將汽缸變形量最大的間隙向汽缸前后自由端擠壓移動(dòng)，最后間隙逐漸消失。如果汽缸螺栓從兩端向中間緊固，會(huì)造成自然間隙集中在汽缸中部，最終使汽缸形成弓型，造成中分面無(wú)法密封而泄漏。若從汽缸一端到另一端緊固，由于汽缸一般前后跨距較長(zhǎng)，最后緊固末端會(huì)形成向上翹頭的彎曲，末端自然間隙難以消除，也易造成中分面泄漏。

1.4 漏汽原因綜合分析

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)及造成汽缸變形機(jī)理分析，此次汽缸中分面變形產(chǎn)生漏汽主要原因是由于缸體時(shí)效應(yīng)力處理不徹底而造成的，同時(shí)還有生產(chǎn)操作不規(guī)范等其它綜合性原因疊加而成，最終造成汽缸呈V 形塑性變形，并在高壓缸位置伴有內(nèi)張口現(xiàn)象，產(chǎn)生漏汽初期汽缸沒(méi)有得到及時(shí)有效處理，也成為了漏汽狀況不斷惡化和擴(kuò)大的誘因。

2 修復(fù)方案確定及處理

2.1 汽缸中分面研磨

為了方便維修和降低維修成本，本次維修采用飛缸研磨方案。以上缸中分面為基準(zhǔn)面并涂以藍(lán)丹，下缸中分面涂紅丹，通過(guò)不斷重復(fù)合缸壓痕，根據(jù)接觸壓痕高低對(duì)下缸中分面飛缸研磨，使合缸后的壓痕均勻分布于接觸面，直至在空缸合攏情況下塞尺0.05 mm 不入，冷緊1/3 缸面螺栓時(shí)0.03 mm 不入為標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)不斷地反復(fù)飛缸研磨徹底消除變形間隙。

2.2 螺栓堅(jiān)固參數(shù)修正

根據(jù)合空缸后的自然間隙和汽輪機(jī)設(shè)計(jì)螺栓緊固要求，本次維修對(duì)汽缸螺栓緊固也做了適當(dāng)調(diào)整。汽缸螺栓緊固修正前后對(duì)比值見(jiàn)表2，冷緊采用最大充許力矩，熱緊螺栓伸長(zhǎng)值根據(jù)汽缸前后位置和冷緊時(shí)測(cè)量間隙做了微量增補(bǔ)。

表2 汽缸螺栓緊固修正前后對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

該雙抽式汽輪機(jī)經(jīng)過(guò)此次大修后，于2018 年3 月上旬啟動(dòng)沖轉(zhuǎn)，期間經(jīng)受了超速和全負(fù)荷試驗(yàn)，中壓和低壓抽汽以設(shè)計(jì)額定參數(shù)流量投入，均未發(fā)現(xiàn)中分面蒸汽漏汽，排汽缸真空壓力值由大修前的-91 kPa 提升到-93 kPa。此種汽缸研磨處理中分面漏汽的方法得到了有效驗(yàn)證，徹底解決了汽缸漏汽問(wèn)題，發(fā)電效率也有了明顯提升，同時(shí)減少了經(jīng)濟(jì)損失，延長(zhǎng)了汽輪機(jī)使用壽命。在安全生產(chǎn)方面，也杜絕了蒸汽泄漏造成的人身傷害。