汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸變形問題的討論

1、汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸變形問題的探討梅志農(nóng) ( 上海市電力公司 上海 200002 )摘要： 通過汽缸變形的機(jī)理以及實(shí)際的運(yùn)行方式、運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)等資料，對(duì)楊樹浦發(fā)電廠125 MW機(jī)組在投運(yùn)1年后發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)內(nèi)缸變形進(jìn)行了深入的探討，得出內(nèi)缸變形的原因是汽輪機(jī)在啟動(dòng)和增負(fù)荷階段，因溫度變化率超過設(shè)計(jì)值，引起內(nèi)缸熱應(yīng)力超過材料的屈服極限而發(fā)生塑性變形。該結(jié)論為今后機(jī)組安全運(yùn)行提供了技術(shù)依據(jù)。 關(guān)鍵詞： 高壓內(nèi)缸 塑性變形 熱變形 快冷系統(tǒng)1999年910月，楊樹浦發(fā)電廠改建工程2號(hào)機(jī)組在計(jì)劃大修期間，發(fā)現(xiàn)高壓內(nèi)缸法蘭接合面部分呈內(nèi)張口變形，同時(shí)高壓內(nèi)缸與中壓內(nèi)缸之間的汽封部分磨損。在大修停機(jī)時(shí)，為縮短汽缸冷

2、卻至開缸溫度時(shí)間，按汽輪機(jī)制造廠快速冷卻的要求，在實(shí)施滑參數(shù)停機(jī)后，進(jìn)行汽輪機(jī)強(qiáng)迫冷卻試驗(yàn)工作。由于運(yùn)行過程完全由控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行，停機(jī)過程采用滑參數(shù)方式，加上投快速冷卻系統(tǒng)，使內(nèi)缸的變形原因分析復(fù)雜化。因此，電廠從汽缸變形的機(jī)理，輔以啟停過程中的原始數(shù)據(jù)以及再次投運(yùn)后啟動(dòng)和帶負(fù)荷運(yùn)行試驗(yàn)，客觀、全面地對(duì)汽缸變形的可能原因逐一進(jìn)行分析，從而得出2號(hào)機(jī)內(nèi)缸變形是由于汽輪機(jī)啟動(dòng)和增負(fù)荷過程中實(shí)際溫度變化率超過制造廠自動(dòng)控制設(shè)定值，造成內(nèi)缸內(nèi)外壁溫差過大而發(fā)生塑性變形的結(jié)論。1 汽缸塑性變形的原因分析1.1 汽缸變形的可能原因 （1）常見原因是汽輪機(jī)在變動(dòng)工況，例如啟動(dòng)和停機(jī)過程中溫度變化率過大，使

3、汽缸內(nèi)外壁和法蘭內(nèi)外壁溫差過大，不僅產(chǎn)生熱翹曲，而且產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服極限時(shí)，則產(chǎn)生塑性變形，在溫差消失后，法蘭接合面會(huì)出現(xiàn)張口，并可能造成漏汽，這種變形有一定規(guī)律，可按變形現(xiàn)象形成的機(jī)理來進(jìn)行分析。   （2）汽缸也會(huì)因制造缺陷在運(yùn)行一段時(shí)間后產(chǎn)生變形。主要原因是鑄造后的大件，因厚度不同，澆口位置等影響，在凝結(jié)冷卻過程中因冷卻速度不同，留有殘余應(yīng)力，若未很好消除，則在運(yùn)行中隨著溫度的變化，內(nèi)應(yīng)力會(huì)消失，造成汽缸發(fā)生變形。1.2 2號(hào)機(jī)高壓內(nèi)缸變形原因   （1）汽缸壁內(nèi)外溫差引起的熱變形2號(hào)汽輪機(jī)高壓段為雙層缸，在內(nèi)外缸之間夾層中

4、流過的是高壓段的排汽返流至中壓段，內(nèi)缸外壁沒有隔熱屏屏蔽，內(nèi)缸外壁受到低溫汽冷卻，故內(nèi)缸內(nèi)外壁間的溫差較大。當(dāng)汽缸壁厚在內(nèi)壁溫度高于外壁溫度時(shí)，內(nèi)壁熱膨脹量較外壁大，內(nèi)壁熱膨脹受外壁的約束，使內(nèi)壁受壓應(yīng)力，而外壁受拉應(yīng)力。當(dāng)汽輪機(jī)啟動(dòng)及加負(fù)荷過快，內(nèi)壁溫升率很大時(shí)，則會(huì)引起內(nèi)外壁溫差很大，內(nèi)壁所受壓應(yīng)力也很大，若超過材料的屈服限，則將產(chǎn)生塑性變形。在汽缸內(nèi)外壁溫差趨于零后，例如停機(jī)完全冷卻后，這種內(nèi)壁因受壓而產(chǎn)生的永久變形已使內(nèi)壁圓周變短，外壁基本不變，故汽缸法蘭接合面處主要呈現(xiàn)內(nèi)張口變形。汽輪機(jī)的降溫過程過快，同樣會(huì)造成汽缸外張口變形。  （2）汽缸法蘭內(nèi)外壁溫差引起的熱變形2號(hào)汽

5、輪機(jī)汽缸法蘭厚度是缸壁的34倍，故法蘭溫度低，因此法蘭沿軸向法蘭內(nèi)外壁均存在較大溫差，在水平面內(nèi)產(chǎn)生熱變形。當(dāng)法蘭內(nèi)壁溫度高于外壁溫度時(shí)，內(nèi)側(cè)熱膨脹量大，外側(cè)熱膨脹量小，則沿汽缸軸向方向各橫截面產(chǎn)生彎曲變形，兩端向外彎曲，中間向內(nèi)彎曲，因汽缸垂直方向剛度小，在這種變形力的作用下，汽缸兩端的水平部分被拉大，呈一橫橢圓形（水平軸大于垂直軸），使通流部分上下間隙變小，水平間隙變大，法蘭接合面呈外張口；中間部分成為一豎橢圓形（垂直軸大于水平軸），法蘭呈內(nèi)張口。2 汽缸變形測(cè)量和啟動(dòng)數(shù)據(jù)的分析2.1 內(nèi)缸變形量測(cè)量結(jié)果1999年9月1719日，對(duì)變形內(nèi)缸進(jìn)行了不緊螺栓、緊1/3螺栓、緊全部螺栓和熱緊全部

6、螺栓后汽缸中分面間隙測(cè)量，不緊螺栓的測(cè)量結(jié)果見圖1。測(cè)量結(jié)果為汽缸已發(fā)生內(nèi)張口變形，變形最大部分在高壓汽封端，未緊螺栓時(shí)測(cè)量上下缸橢圓度上下方向6.3mm，三彎方向3.95mm；熱緊螺栓后，內(nèi)缸中分面最大張口為0.05mm可塞進(jìn)4050mm，在高壓汽封端處橢圓度測(cè)量為4.77mm，三彎方向4.71mm。從測(cè)量的數(shù)據(jù)可知，從高壓汽封向兩端以軸向方向內(nèi)張口變形量逐漸變小，這與汽缸在啟動(dòng)和加負(fù)荷時(shí)引起變形的機(jī)理相符。熱緊全部螺栓后可消除內(nèi)張口，這雖然可以保證正常工況時(shí)高壓內(nèi)缸中分面無間隙運(yùn)行，不會(huì)吹壞汽缸平面，但由于已發(fā)生內(nèi)張口變形，原制造廠要求的螺栓熱緊力為克服內(nèi)張口塑性變形量，使原有水平接合面的

7、緊力余度相應(yīng)減少，如果通過增加螺栓緊力來達(dá)到原緊力要求，則螺栓的使用壽命將減少。2.2 啟動(dòng)數(shù)據(jù)的分析2號(hào)機(jī)大修后再次啟動(dòng)時(shí)，對(duì)機(jī)組的主蒸汽溫度、高壓內(nèi)缸壁溫度等重要參數(shù)進(jìn)行了記錄，汽輪機(jī)啟動(dòng)和帶負(fù)荷過程完全按制造廠預(yù)置的程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)啟動(dòng)。制造廠的設(shè)計(jì)思想是通過內(nèi)缸壁2點(diǎn)100深度的溫度測(cè)點(diǎn)來?yè)Q算出汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)力，而整個(gè)啟動(dòng)、停機(jī)和增減負(fù)荷過程的應(yīng)力控制是以轉(zhuǎn)子的計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行設(shè)置，所以如果實(shí)際轉(zhuǎn)子應(yīng)力滿足要求范圍，則可推斷高壓內(nèi)缸應(yīng)力也應(yīng)在受控狀態(tài)，反之，汽輪機(jī)應(yīng)力控制器將自動(dòng)停止啟動(dòng)和減負(fù)荷，通過延長(zhǎng)時(shí)間至應(yīng)力滿足要求，再允許進(jìn)一步啟動(dòng)或增負(fù)荷。因此在投入應(yīng)力控制器后不會(huì)發(fā)生的內(nèi)缸變形。在對(duì)

8、實(shí)際啟動(dòng)和帶負(fù)荷數(shù)據(jù)記錄分析后，發(fā)現(xiàn)雖然按制造廠設(shè)置的自動(dòng)程序?qū)C(jī)組進(jìn)行整個(gè)工況的應(yīng)力控制，但代表轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸應(yīng)力的內(nèi)缸壁溫度變化率遠(yuǎn)大于制造廠提供的轉(zhuǎn)子溫度變化率曲線。沖轉(zhuǎn)時(shí)內(nèi)缸壁2點(diǎn)100溫度分別為217.58和211.67，按曲線要求溫度變化率應(yīng)小于等于2.4/min，但實(shí)際記錄發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)過程中有多個(gè)區(qū)域存在連續(xù)溫度變化率超過允許值，在升負(fù)荷階段，內(nèi)缸1002點(diǎn)溫度分別為299.88、298.88，查曲線允許溫度變化率應(yīng)小于等于2.4min，但實(shí)際記錄也發(fā)現(xiàn)了連續(xù)溫度變化率超過允許值。這說明設(shè)計(jì)的應(yīng)力控制器對(duì)轉(zhuǎn)子和內(nèi)缸的應(yīng)力控制并不能完全精確反映實(shí)際運(yùn)行情況，控制設(shè)定值和實(shí)際運(yùn)行值存在差異

9、。所以對(duì)運(yùn)行在內(nèi)外壁有較高溫差的高壓內(nèi)缸而言，僅通過控制轉(zhuǎn)子計(jì)算應(yīng)力來推斷汽缸是否會(huì)發(fā)生變形的設(shè)計(jì)思路難圓其說。2.3 快冷系統(tǒng)的投運(yùn)過程1999年9月17日2100，2號(hào)機(jī)開始滑參數(shù)停機(jī)；9月18日200打閘停機(jī)，高壓內(nèi)缸壁溫度已降至299，950分投快冷通熱壓縮空氣，1150結(jié)束通氣冷卻，內(nèi)缸壁溫度55，共耗時(shí)50h?？炖湎到y(tǒng)的工質(zhì)流程為雜用氣泵站快冷裝置自動(dòng)主汽門疏水管自動(dòng)主汽門高壓調(diào)門高壓內(nèi)缸通流部分高壓內(nèi)外缸夾層中壓段二抽安全門出口。冷卻方式采用順流冷卻。    快冷系統(tǒng)投運(yùn)的控制指標(biāo)：    差脹：大于3mm（設(shè)

10、計(jì)允許值5mm9mm）；軸向位移：0.3mm0.3mm（設(shè)計(jì)允許值：0.6mm0.6mm）；    上下缸溫差：2525）；轉(zhuǎn)子晃動(dòng)值：小于等于0.02mm（與原始值比較）；    汽缸降溫速率：小于0.2/min?？炖溥^程和發(fā)生的問題：因先冷卻高壓內(nèi)缸，后冷卻高壓外缸（內(nèi)外夾層），所以差脹向負(fù)差脹方向發(fā)展。在冷卻過程中差脹達(dá)2.63mm，曾停止通氣超過7h，待差脹下降至2.16 mm后再次通氣冷卻；在冷卻過程中當(dāng)高壓內(nèi)缸溫度降至88，高壓外缸進(jìn)汽段端壁溫約130，中壓缸排汽端壁溫仍有140，說明冷卻過程按設(shè)計(jì)流程達(dá)不到各部套均勻降溫

11、的要求，從而增加了冷嘲熱諷卻至停盤車和油系統(tǒng)120的時(shí)間。    控制汽輪機(jī)各部件的溫度是快冷能得以順利實(shí)施的關(guān)鍵，因此溫度變化率嚴(yán)格控制在小于等于0.2min是合理的，并且按部件的實(shí)際溫度來控制溫度變化率，使溫度低的部件允許有較大的變化率，溫度高的部件則采用較小的溫度變化率，從而來確保各部件的使用壽命?？焖倮鋮s是內(nèi)缸內(nèi)壁溫度低于外壁溫度形成內(nèi)外壁溫差的冷卻過程，按汽缸變形的機(jī)理分析，如果由于快冷引起的汽缸塑性變形，汽缸中分面應(yīng)呈外張口變形，這與實(shí)際變形情況不符。另外，快冷過程汽缸的降溫速率遠(yuǎn)比制造廠滑參數(shù)停機(jī)允許的溫度變化率低，所以可以排除快冷造成內(nèi)缸變形的可能。3 結(jié)論   （1）汽輪機(jī)啟動(dòng)和加負(fù)荷過程是對(duì)汽輪機(jī)內(nèi)缸進(jìn)行升溫的過程，此時(shí)內(nèi)缸內(nèi)壁溫度比外壁溫度高，形成溫差。而汽輪機(jī)停機(jī)和強(qiáng)迫冷卻過程是對(duì)內(nèi)缸進(jìn)行降溫過程，在內(nèi)缸內(nèi)外壁形成相反溫差，兩種工況造成內(nèi)缸變形的機(jī)理完全相反。內(nèi)缸產(chǎn)生內(nèi)張口塑性變形按機(jī)理分析是由啟動(dòng)和增加負(fù)荷時(shí)升溫速率過快引起。 （2）按制造廠預(yù)置的程序自動(dòng)啟停，理論上通過控制內(nèi)缸100深度的測(cè)點(diǎn)溫度變化率來設(shè)置轉(zhuǎn)子應(yīng)力范圍和控制汽缸的應(yīng)力，但實(shí)際記錄數(shù)據(jù)存在連續(xù)溫度變化率超過允許值，所以，制造廠解釋的通過轉(zhuǎn)子應(yīng)