核電廠汽輪機差脹探測器摩擦轉子問題分析與處理

(中廣核工程有限公司，廣東 深圳 518124)

某核電廠使用HN1119-6.43/280/269-H型汽輪機，該汽輪機為飽和蒸汽、單軸、4缸、6排汽、中間再熱、沖動凝汽式半速汽輪機，使用9級高壓和4級中壓的高中壓合缸[1]，該型汽輪機為ALSTOM技術許可國產化制造的壓水堆核電用汽輪機。調試期間汽輪機熱抽真空試驗過程中，電動盤車啟動后汽輪機轉子以8 r/min的盤車轉速旋轉，汽輪機軸封蒸汽系統按計劃正常投運，當軸封蒸汽母管溫度達到95.6 ℃時，現場巡檢人員發現汽輪機前箱附近有機械摩擦的異常聲響，因異常聲響來源不明，熱抽真空試驗暫停。為了查明問題原因，調試人員按照以下3個步驟對異響的來源進行檢查：1)單獨啟動輔助盤車；2)單獨啟動電動盤車；3)啟動電動盤車后，投運汽輪機軸封蒸汽系統。經過試驗，前兩步檢查均未發現有異常聲響；執行第3步檢查，當汽輪機軸封蒸汽投入后，異常聲響復現，目視觀察發現汽機HIP轉子鐘擺式差脹探測器的擺架垂直臂和MPT存在明顯晃動，發現泄漏的軸封蒸汽直接接觸MBS外表面。因此，異常聲響是由MPT與MBS發生接觸摩擦所致。MPT摩擦損傷記錄見圖1。

圖1 磁性拖板摩擦損傷Fig.1 Magnetic pallet friction damage

1 差脹測量原理

HN1119-6.43/280/269-H型汽輪機使用兩套探測器實現高壓差脹測量，一是測量高壓缸缸體絕對膨脹量的AE119探測器;二是測量HIP轉子軸向變形量的DP243探測器，DP243測量值減去AE119測量值即為高壓差脹值。DP243為一套支架固定在汽輪機前箱上的鐘擺式探測裝置，MPT跟隨MBS在軸向移動的同時帶動擺架垂直臂移動，力矩傳遞到擺架的水平臂使之發生垂直方向位移，電渦流探測器與水平臂間隙發生變化導致監測電壓發生變化，經后端信號處理輸出HIP轉子軸向變形量監測值；鐘擺式探測器測量原理見圖2。

2 問題原因分析

現場檢查后排除了因DP243支架緊固螺栓松脫、擺架垂直臂脫落等機械故障導致MPT與MBS間隙變小的可能。查詢安裝數據發現，DP243首次安裝是在室溫下機務推汽輪機大軸到位，停運頂軸油泵后使用1.00 mm間隙完成首次安裝。即，MPT與MBS的間隙為1.00 mm。汽輪機頂軸油泵投運后HIP轉子頂軸油膜建立，其頂軸高度為0.15 mm[2]。因此，DP243首次安裝完成、HIP轉子頂軸油膜建立后MPT與MBS實際最大間隙為0.85 mm。

金屬體受熱后發生膨脹，當溫度改變不大時，其單位長度的改變量近似與溫度改變量成正比[3]。由此可得MBS受熱后在直徑向的膨脹量計算式：

ΔR=αΔTR

(1)

式中：

α——轉子鋼線熱膨脹系數，10-5/℃；

ΔT——MBS平均溫度相對室溫變化量，℃；

R——MBS直徑，mm。

HIP轉子的高壓部分為整鍛加工制造，轉子鋼為STM528，MBS與轉子高壓部分材質相同，室溫下MBS的圓周直徑為708 mm[4]。根據機組熱力參數以及MBS所處實際位置，計算其直徑方向熱膨脹數據，疊加HIP轉子頂軸高度后，可得HIP轉子頂軸油膜建立后不同溫度下MPT與MBS的間隙變化量G的計算式為：

G=ΔR+h

(2)

式中：

G——MPT與MBS的間隙變化量，mm；

ΔR——MBS直徑方向的熱膨脹量，mm；

h——HIP轉子頂軸高度，mm。

用式(2)以20 ℃為約定室溫計算不同溫度條件下的G值，G隨MBS平均溫度T的變化趨勢見圖3。

現場摩擦首次發生時的軸封蒸汽溫度為95.6 ℃，使用100 ℃時轉子鋼線熱膨脹系數計算G=0.82 mm，初始安裝間隙相對該值還有0.18 mm的裕量，理論上MPT與MBS不會發生接觸摩擦。檢查發現MPT幾何形狀為不規則弧形，其主要摩擦痕跡不在拖板幾何中心位置，而是集中在距離中心一定尺寸的弧段上，且呈左右對稱分布。安裝階段使用塞尺測量MPT與MBS的機械間隙，測量方法是從弧形體兩側沿MBS周向實施測量；從摩擦結果看這種間隙測量方法不能保證MPT全弧段與MBS間隙均為1.00 mm。

參考相同技術路線、主要熱力參數基本相同的HN1086-6.43/280/269-H型汽輪機熱抽真空數據，該型汽輪機熱抽真空過程中泄漏的軸封蒸汽是MBS熱膨脹的主要熱源，真空建立之前，尤其是真空泵啟動的初始階段，汽輪機真空為91.12kPa時，軸封蒸汽溫度已達125.08 ℃，此時軸封蒸汽泄漏量較大，泄漏的軸封蒸汽加熱MBS及其附近HIP轉子的高壓部分后造成其發生熱膨脹。查詢G—T趨勢曲線可知，當T=125 ℃時，G=1.05 mm，因安裝間隙為1.00 mm，即便MPT全弧度安裝間隙均合格，此時MPT也必與MBS發生接觸摩擦。因此，安裝間隙測量方法不當導致實際安裝間隙局部不合格只是摩擦問題的原因之一，而不是其根本原因。HN1086-6.43/280/269-H型汽輪機熱抽真空期間軸封蒸汽溫度記錄見圖4。

圖3 G—T趨勢曲線Fig.3 G—T trend curve

圖4 熱抽真空期間軸封蒸汽溫度記錄曲線Fig.4 Temperature record curve of shaft seal steam during thermal vacuum test

汽輪機真空建立后的軸封蒸汽泄漏量相比熱抽真空初期的泄漏量可以忽略不計，HN1119-6.43/280/269-H型汽輪機啟動和運行期間實際軸封蒸汽溫度均不高于150 ℃，T=150 ℃時，G=1.28 mm。雖然圖4所示的熱抽真空試驗過程中軸封蒸汽溫度最高為136.85 ℃，但從安全角度考慮，后續計算分析將以軸封蒸汽可能達到的150 ℃進行計算分析。

MBS位于高壓汽缸外，且暴露于空氣中自然冷卻，參考HN1086-6.43/280/269-H型汽輪機運行經驗，機組帶滿負荷穩定運行期間T實測值不超過110 ℃，基于T=150 ℃計算出的G是相對較大值。對于主要熱力參數相同的HN1119-6.43/280/269-H型汽輪機而言，當DP243探測器安裝間隙大于1.28 mm就可避免因G值變化導致MPT與MBS發生接觸摩擦的問題；所以DP243探測器在HN1119-6.43/280/269-H型汽輪機的Csmin=1.29 mm。因此，DP243探測器在該核電廠汽輪機首次安裝后的C0

3 解決方案及驗證結果

DP243探測器制造廠實驗室測試報告給出的安裝間隙允許范圍是[1.00 mm, 1.50 mm][5]。據此把DP243探測器的最大安裝間隙選定為1.50 mm，該值對應的T≈175 ℃。現場按照1.29 mm≤Ci≤1.50 mm的要求，在室溫條件下重新安裝DP243探測器，可以確保安裝間隙相對G有充足的安全裕量。安裝過程中根據MPT弧段結構，沿軸向分3段實施測量[6]，確保各弧段安裝間隙符合要求。間隙測量可使用塞尺，也可使用標準厚度墊塊；安裝間隙測量方法示意圖見圖5。

圖5 安裝間隙測量方法示意圖Fig.5 Schematic of installation clearance measuring method

該汽輪機的DP243探測器重新安裝、調試后，在汽輪機熱抽真空、沖轉、并網直至帶滿負荷過程中MPT與MBS未再發生接觸摩擦，汽輪機高壓差脹監測功能正常。同型汽輪機應用上述解決方案后，MPT與MBS接觸摩擦問題未重發。

4 結 論

ALSTOM技術路線核電半速汽輪機普遍采用鐘擺式差脹探測器，需根據汽輪機參數計算出探測器的Csmin。探測器選型時應確保Camax>Csmin，實際安裝間隙應滿足Csmin≤Ci≤Camax的要求。