GT13E2燃氣輪機燃燒室外缸裂紋維修處理的新方法

李 磊，胡啟迪，湯卸明，傅 彪

（深圳南天電力有限公司，廣東 深圳 518040）

0 引言

深圳南天電廠第一臺GT13E2燃氣輪機是ABB公司1993年研發(fā)定型的E級重型燃氣輪機，于1995年建成投產(chǎn)，以輕柴油為燃料，2005年完成油改氣改造，以天然氣為燃料。2012年5月運行期間發(fā)現(xiàn)燃燒室外缸底部有嚴重裂紋，當時為盡快恢復發(fā)電進行了修補。為徹底消除安全隱患，保障燃氣輪機安全可靠運行，2015年10月燃氣輪機第九次大修期間，在排除國外燃氣輪機廠家更換燃燒室外缸和透平外缸以及返廠預組裝方案后，在燃氣輪機基礎上僅對有裂紋的燃燒室外缸進行了更換，節(jié)省了維護成本和維護時間，同時在擺脫燃氣輪機關鍵部件維護長期依靠國外燃氣輪機廠家的道路上邁開了試探性的步伐。

我國燃氣輪機行業(yè)的發(fā)展起步晚、進展慢，燃氣輪機核心部件的維護仍然依賴少數(shù)掌握核心技術的國外燃氣輪機廠家，燃氣輪機廠家的維護固然專業(yè)可靠，但費用高昂。本次燃燒室外缸更換放棄了燃氣輪機廠家給出的保守且費用相對高昂的維護方案，由發(fā)電廠自行組織完成，燃燒室外缸的更換取得了良好效果，希望可以給同行業(yè)燃氣輪機大型鑄造缸體裂紋的維修處理提供參考和借鑒。

1 GT13E2燃氣輪機缸體結(jié)構(gòu)

GT13E2燃氣輪機缸體主要包括壓氣機進氣喇叭口、壓氣機外缸、燃燒室外缸、透平外缸、排氣導向缸等，所有缸體分上缸和下缸，通過水平中分面螺栓連接，其中進氣喇叭口、壓氣機外缸、燃燒室外缸、透平外缸和排氣導向缸依次在垂直面法蘭通過螺栓連接。連成整體的燃氣輪機缸體通過壓氣機入口端支撐和透平排氣端支撐固定，其中壓氣機端支撐為固定支撐，透平排氣端支撐為非固定支撐，用來緩沖燃氣輪機缸體熱膨脹產(chǎn)生的軸向位移。燃氣輪機缸體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 GT13E2燃氣輪機缸體結(jié)構(gòu)

2 裂紋發(fā)展過程及原因分析

2.1 燃燒室外缸裂紋發(fā)展過程

2005年燃氣輪機進行油改氣改造時，發(fā)現(xiàn)燃燒室外缸缸體底部排污管法蘭處有1條小裂紋。2009年1月燃氣輪機C檢大修時，發(fā)現(xiàn)小裂紋變得清晰并有擴展，軸向裂紋長度超過155 mm，周向出現(xiàn)2條長度分別為105 mm和30 mm的裂紋，透平缸排污孔處也出現(xiàn)2條長度分別為70 mm和60 mm的裂紋，當時燃氣輪機等效運行時間175 365 h，啟停次數(shù)3 084次。至2012年初，燃氣輪機等效運行時間已經(jīng)超過20萬h，啟停次數(shù)超過3 700次，且發(fā)現(xiàn)燃氣輪機主機間溫度呈明顯上升趨勢。2012年5月，檢查發(fā)現(xiàn)燃燒室外缸下半部分后端法蘭底部周向外表面出現(xiàn)嚴重裂紋，燃燒室外缸底部左側(cè)11個螺栓孔及15個螺栓孔間隔出現(xiàn)裂紋，右側(cè)5個螺栓孔及間隔出現(xiàn)裂紋，裂紋總長約2.2 m，內(nèi)壁出現(xiàn)長約1.1 m周向裂紋，燃燒室外缸已裂穿透；軸向也出現(xiàn)嚴重裂紋，最底部螺栓孔裂開，并垂直于周向裂紋延伸至燃燒室外缸底部法蘭面，如圖2所示。

2.2 燃燒室外缸裂紋原因分析

結(jié)合燃氣輪機運行環(huán)境和工況，對燃燒室外缸底部裂紋產(chǎn)生的原因進行了分析，認為其根本原因是熱應力周期性作用。燃氣輪機燃用輕柴油時，停機過程中注水清洗燃油噴嘴，在壓氣機排氣壓力較低時，清洗噴嘴的常溫水從燃燒室出口浮動密封環(huán)和透平熱部件冷卻通道進入透平外缸，再沉積到燃燒室外缸底部，常溫的除鹽水急劇冷卻超過400℃的燃燒室外缸底部缸體，產(chǎn)生巨大熱應力，多次作用導致燃燒室外缸底部強度較低的螺栓孔附近產(chǎn)生細小裂紋。油改氣后燃氣輪機燃用天然氣，雖不再噴水清洗噴嘴，但燃氣輪機兩班制運行，頻繁早啟晚停，加之燃氣輪機大修多次后保溫層變薄，燃燒室外缸缸體頻繁加熱和冷卻，熱應力在細小裂紋處集中釋放，導致裂紋逐漸加深和擴展蔓延。

圖2 GT13E2燃氣輪機燃燒室外缸底部外壁裂紋

燃燒室外缸底部發(fā)現(xiàn)嚴重裂紋后，發(fā)電廠采用波浪鍵螺釘扣合密封工藝和筋板拉合方法對裂紋進行了修復。為徹底消除安全隱患，保證燃氣輪機的安全可靠運行，于2014年10月利用大修時間對燃燒室外缸進行了更換。

3 GT13E2燃氣輪機燃燒室外缸更換

3.1 技術難點

燃氣輪機燃燒室外缸更換的具體工作由發(fā)電廠執(zhí)行，發(fā)電廠與燃氣輪機廠家在缸體更換前就相關問題進行了探討。

燃氣輪機燃燒室外缸與壓氣機外缸、透平外缸之間連接采用機械硬密封，缸體尺寸大且運行溫度高，對結(jié)合面尺寸精度要求非常高。燃氣輪機廠家認為燃氣輪機運行超過20萬h，缸體可能發(fā)生變形，如果僅更換有裂紋的燃燒室外缸，新的燃燒室外缸與舊的透平外缸結(jié)合會出現(xiàn)密封面漏氣的問題，建議將燃燒室外缸整體和透平外缸整體同時更換。考慮整體更換燃燒室外缸和透平外缸的經(jīng)濟成本，發(fā)電廠決定只更換出現(xiàn)嚴重裂紋的燃燒室外缸，在更換過程中通過涂紅丹合缸、研磨等手段來解決新舊缸體結(jié)合時可能出現(xiàn)的密封面結(jié)合不嚴密的問題。

燃氣輪機缸體體型大、質(zhì)量重，其中燃燒室外缸重31 t，透平外缸重31 t，透平排氣缸重16 t，燃氣輪機廠家提出將燃燒室外缸和透平外缸倒立組合進行合缸，但由于檢修現(xiàn)場條件有限，倒立整體組合難度大、危險性高，且透平外缸和燃燒室外缸間水平中分面沒有測量面，難以找正對齊，需要返回工廠或在當?shù)卣壹庸S進行組裝。考慮到運回工廠組裝的時間成本和經(jīng)濟成本，發(fā)電廠決定在燃氣輪機基礎上進行合缸和預組裝，既解決了倒立組合難度大危險性高的問題，也解決了合缸相關尺寸測量的難題。

在燃氣輪機缸體合缸過程中，燃氣輪機廠家主張將燃燒室外缸整體組裝后安裝到壓氣機外缸上，再將透平外缸整體組裝后安裝到燃燒室外缸上，而舊的壓氣機外缸與透平外缸止口圓度難以保證，與新的燃燒室外缸止口間隙僅有0.1～0.2 mm，整體吊裝插入難度大，也沒有測量面，缸體間水平中分面難以對齊，現(xiàn)場決定將燃氣輪機缸體依次按照燃燒室外缸下半、透平外缸下半、燃燒室外缸上板、壓氣機外缸上半、透平外缸上半的順序進行合缸。

3.2 更換步驟

燃氣輪機燃燒室外缸更換的具體工作按以下步驟依次完成。

（1）燃氣輪機主要附件及缸體拆卸。

首先按照燃氣輪機標準C檢程序拆卸燃氣輪機本體保溫、附件及管道，按順序依次拆卸透平外缸上半、透平排氣缸上半、燃燒室外缸上半、壓氣機外缸上半、透平內(nèi)缸上半、環(huán)形燃燒室上半、壓氣機內(nèi)缸上半，并吊至檢修間，再拆卸燃氣輪機前后軸承蓋并吊出轉(zhuǎn)子，最后依次拆卸透平內(nèi)缸下半、環(huán)形燃燒室下半、壓氣機內(nèi)缸下半。

（2）燃燒室外缸和透平外缸下半缸體拆卸準備工作。

燃燒室外缸和透平外缸上半拆卸后，下半部分在自重作用下產(chǎn)生變形和下垂，需要在燃燒室外缸和透平外缸底部前后法蘭安裝千斤頂支撐，在壓氣機進氣缸支撐處安裝定位螺栓，防止缸體左右晃動。測量透平外缸、燃燒室外缸下半前后法蘭止口直徑，測量缸體平面水平度留底。

（3）透平外缸下半和燃燒室外缸下半拆卸。

先拆卸透平外缸下半，從燃燒室底部6點鐘位置向左右兩邊對稱松開透平外缸與燃燒室外缸下半法蘭面螺栓，吊出透平外缸下半。再拆卸燃燒室外缸下半，從底部6點鐘位置向左右兩邊對稱松開燃燒室外缸與壓氣機外缸下半法蘭面螺栓，吊出燃燒室外缸下半。

（4）燃燒室外缸合缸及研磨。

燃氣輪機缸體間為機械硬密封，密封面一面為平面，另一面在密封面穿過螺栓孔內(nèi)、外側(cè)均有突出平面，內(nèi)平面起密封作用，外平面起支撐作用，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。本次大修只更換出現(xiàn)嚴重裂紋的燃燒室外缸，其他缸體不更換，因燃氣輪機運行超過20萬h，缸體可能會存在整體微弱變性的情況，為防止新的燃燒室外缸與舊的透平外缸和壓氣機外缸連接時舊缸體變形致密封不嚴漏氣，在更換新燃燒室外缸時，需要檢查燃燒室外缸與透平外缸和壓氣機外缸之間的密封面，對不符合要求的密封面進行研磨，以確保密封面不漏氣。

圖3 透平外缸法蘭面密封示意

首先清理燃燒室外缸下半前法蘭面和壓氣機外缸下半后法蘭面，在燃燒室前法蘭面均勻涂上紅丹粉，然后吊裝燃燒室外缸下半，再從與壓氣機外缸下半連接的法蘭面底部開始向兩邊對稱間隔安裝螺栓，并按照60%標準復裝力矩緊固螺栓，法蘭面螺栓間隔緊固后再松開取下，吊開燃燒室外缸下半，檢查法蘭密封面和支撐面壓痕，壓痕要求連續(xù)無折斷且寬度不小于2.0 mm，如圖4所示。如果壓痕不滿足要求，需要對密封面和支撐面進行打磨，重新合缸檢查，直到密封面和支撐面滿足壓痕要求為止。最后再復裝燃燒室外缸下半，連接與壓氣機外缸下半法蘭面間所有螺栓并按照安裝工藝卡要求力矩緊固。

圖5 燃燒室外缸與透平法蘭面定位銷孔位置示意

燃燒室外缸下半復裝完成后，依次對透平外缸下半、透平外缸下半、燃燒室外缸上半、壓氣機外缸上半、透平外缸上半進行合缸，檢查缸體接合面之間的密封情況，并對不符合壓痕要求的密封面和支撐面進行打磨，直至滿足壓痕要求，再按照復裝工藝卡要求連接緊固缸體間法蘭面螺栓，其具體流程與燃燒室外缸下半合缸和復裝流程相同。

（5）在燃燒室外缸與透平外缸的法蘭結(jié)合面加工定位銷。

為防止燃燒室外缸與透平外缸發(fā)生不對稱下沉，在兩者的法蘭結(jié)合面設計了定位銷，而新的燃燒室外缸為整體鑄造件，定位銷需要在現(xiàn)場與透平外缸結(jié)合后重新加工。

燃氣輪機所有缸體完成合缸后，吊開透平外缸，在透平外缸法蘭面定位銷加工位置處，將密封面與支撐面間凹槽補焊并打磨至與密封面和支撐面相同高度，然后復裝透平外缸，連接透平外缸與燃燒室外缸法蘭連接螺栓，并按工藝卡要求力矩緊固。透平外缸復裝完成后，在燃燒室外缸與透平外缸接合面定位銷孔處安裝磁力鉆加工定位銷孔，如圖5所示。

（6）燃氣輪機復裝。

燃燒室外缸與透平外缸結(jié)合面定位銷孔加工完成后，吊開燃燒室外缸上半和透平外缸上半，按照GT13E2燃氣輪機標準C檢工藝要求復裝其他部件。

3.3 合缸需注意的細節(jié)

燃氣輪機缸體合缸過程中，兩缸體法蘭面貼合后連接螺栓要間隔安裝，并按照對應缸體復裝工藝卡要求力矩的60%緊固螺栓，以確保合缸時紅丹粉是靠缸體自然貼合產(chǎn)生的壓痕，而不是在螺栓緊固力下產(chǎn)生的壓痕。

3.4 更換后的效果分析

燃燒室外缸更換后，在燃氣輪機運行期間對主機間溫度進行監(jiān)測，在燃氣輪機主機間通風狀況相同的情況下，通過長期跟蹤測量，主機間南北兩側(cè)4個溫度計維持在約55℃，恢復到出現(xiàn)裂紋之前的水平，這表明燃燒室外缸更換后與舊的缸體密封面接觸良好，沒有發(fā)生漏氣情況。

4 結(jié)語

GT13E2燃氣輪機缸體設計為機械硬密封，缸體部件對精度要求很高，通過合缸、涂紅丹粉檢查密封面和局部打磨等工藝手段，能有效保證更換的新燃燒室外缸與舊的壓氣機缸體和透平外缸結(jié)合密封完好。燃氣輪機大型缸體更換時，由于檢修現(xiàn)場條件有限，在燃氣輪機基礎上合缸和試組裝簡單方便，安全性好、可行性高，節(jié)省了缸體返回工廠組裝所產(chǎn)生的費用和時間。實踐證明，這種燃氣輪機維護模式可以為國內(nèi)燃氣輪機電廠提供參考。