某型汽輪發電機組前汽缸蒸汽室壁厚超差問題分析處理

戴娜娜，江 攀，劉 流，劉忠誠

(上海船舶設備研究所，上海 200031)

汽缸是承受高溫高壓的密封容器，承受著缸內外氣體的壓差、汽缸本體和缸體內零部件的重量等靜載荷。由于沿著汽缸的徑向和軸向，溫度分布不均，特別是當快速啟動、停機和工況變化時，將引起溫度急劇變化，因此在汽缸和法蘭處會產生很大的溫度應力和熱變形[1]。在設計中，要保證汽缸的形狀簡單、對稱，壁厚變化均勻，在滿足剛度和強度的情況下，盡可能減薄缸壁厚度。

1 壁厚超差現象

某型汽輪發電機組前汽缸蒸汽室蓋在加工頂部螺紋孔的過程中，當預鉆鉆孔深度約為45 mm時，發現螺栓孔被打穿，問題螺栓孔位置示意圖如圖1所示。在加工第6臺汽缸時，也存在同樣的位置螺栓孔被打穿的現象。隨后對前汽缸木模進行了檢查，發現木模制造錯誤，將圓心(SR100,305)制造成為(SR100,340)，導致蒸汽室蓋壁厚不足。

圖1 問題螺栓孔位置示意圖

汽缸鑄偏時尺寸示意圖如圖2所示。圖2壁厚最薄處，左右兩側相同，按照圖紙理論尺寸，前汽缸壁厚最薄處約為60 mm，將圓心(SR100,305)制造成為(SR100,340)，圖1(b)中標識出前汽缸最薄處約為35 mm。

圖2 汽缸鑄偏時尺寸示意圖

2 應力計算分析

基于前汽缸蒸汽室目前的實際狀態，需考核前汽缸蒸汽室蓋部分在壁厚出現偏差時應力的變化值，考核前汽缸蒸汽室蓋在目前的實際狀態下是否滿足使用要求。根據目前的實際情況，暫定以螺紋孔離汽缸壁面最小距離為5 mm進行計算，并與設計值進行對比計算，如計算結果顯示5 mm可以滿足使用要求，則后續處理方案按螺紋孔與汽缸內壁面距離5 mm進行處理。文中用軟件ABAQUS對模型進行應力及密封性能計算。

2.1 前汽缸壁厚超差應力分析

由于需要評估部位僅為蒸汽室，故僅需將蒸汽室部分單獨建模進行簡化計算即可。將前缸部分使用D900的圓切開，保留蒸汽室蓋部分，再將底面密封，形成密閉腔室與實際機組安裝狀態保持一致；同時去除蒸汽室與蒸汽室蓋的定位銷孔、圓角等特征，形成如圖3所示模型。

圖3 有限元計算幾何模型示意圖

使用ABAQUS網格劃分功能，為模型進行網格劃分，網格類型選用C3D10MT，尺度為10 mm，螺栓位置進行局部加密。

根據機組的設計參數，在高參數及超載工況下，蒸汽參數：內腔壓力5.8 MPa，溫度415 ℃；外部大氣壓0.1 MPa，溫度50 ℃。該螺栓為合金鋼螺栓，并施加了螺栓預緊力，蒸汽室蓋與蒸汽室為接觸邊界條件。分析步設置為計算靜力分析步與壓力—溫度耦合分析步。

有限元計算主要考察位置示意圖如圖4所示，主要考察6個位置的應力變化。其中，位置1～4為缸壁圓角處，該位置由于壁厚減薄，導致應力水平上升，需考核其應力是否滿足要求；位置5、位置6是螺紋孔底孔位置，由于孔底與缸壁距離減少，需評估按照目前距離為5 mm狀態，應力是否滿足要求。

圖4 應力考核位置示意圖

汽缸材料為ZG20CrMo，在純壓狀態下全局許用應力為131.0 MPa，局部區域最大許用應力為196.5 MPa；在熱態下，其許用應力為393.0 MPa。

純壓工況下，在壁厚減薄的情況下，蒸汽室內腔倒圓處峰值應力略有上升，應力由之前的約75 MPa升至約100 MPa，但仍遠小于局部區域峰值許用應力196.5 MPa[2-3]。

熱耦合工況下[4]，許用應力為393 MPa，遠遠大于實際所受應力。

對2種工況的計算結果進行了匯總，結果見表1。由表1知，在目前的實際狀態下，兩工況的應力較設計工況均有不同程度的增加，但增加值較小，僅在位置1處增加25 MPa,達到100 MPa，但仍遠小于許用值196.5 MPa；當安全余量大于或等于1時為合格，6個位置考核結果都是合格的。

表1 考核位置結果匯總表

2.2 前汽缸密封性能分析

對本機組的密封考核要求為運行后不應出現螺栓外漏現象，即密封面接觸壓力應至少有連續1圈超過1.5倍的汽缸內蒸汽壓力，即7.5 MPa。

對于本機組，密封需考核蒸汽室密封面接觸壓力?？己斯r為純壓工況、熱態運行工況及經過長期運行(100 000 h)后螺栓松弛條件下的工況。根據目前方案，鑲套位置由于低于密封面，該位置不與蒸汽室蓋接觸，減小了密封接觸面，故需進行有限元計算，考核其密封性。

在蒸汽室蓋上增加D46的孔，用來模擬該位置蒸汽室與蒸汽室蓋不接觸狀態(目前該方案不接觸區域僅為直徑36 mm的圓)，網格劃分原則與應力考核時相同，密封計算有限元網格模型如圖5所示。

圖5 密封計算有限元網格模型

按照機組的運行參數最高工況進行分析，該螺栓為合金鋼螺栓，并施加了螺栓預緊力；蒸汽室蓋與蒸汽室為接觸邊界條件。分析步設置為計算靜力分析步、壓力—溫度耦合分析步以及經過長期運行后，螺栓預緊力降低后的分析步。

依據密封考核要求，對于本機組，密封考核內容為運行后，不應出現螺栓外漏現象，密封計算結果見圖6，分別在3種工況下的密封面壓應力云圖，為便于觀察，本文只截出我們重點關注的左右邊緣的4只螺栓所在區域，從圖6可以看出，設計狀態與當前狀態壓應力水平基本一致，應力水平約為45 MPa，且均未出現螺栓外漏的情況。密封狀態基本無影響。

綜上所述，該鑄造偏差雖然一定程度上造成峰值應力升高，但在光孔底部距離內腔5 mm時，蒸汽室所受應力仍遠小于許用值，可以安全運行。

3 處理方案

因汽缸問題發現較早，汽缸還未進行研磨及水壓試驗，因此對前汽缸采用鑲套的方式進行處理，即對打穿的螺紋孔進行鑲套處理，保證汽缸最小壁厚處大于5 mm，處理完成后，按圖紙要求進行整缸泵水試驗，試驗壓力8.4MPa,持續10 min，無泄漏。

1)在問題螺紋孔同心位置鉆攻7個M36×3螺栓孔，鉆穿。

2)加工7只螺塞，材料選用20CrMoA，螺塞材料須進行復驗并形成記錄。

3)將螺塞裝配至螺孔位置，螺塞裝配時，螺塞頂部距蒸汽室上表面5 mm，注意：旋塞安裝時，在汽缸內壁采用頂錐施加反作用力，保證旋塞擰緊，所需力矩由廠工藝制定?？墒褂媚透邷孛芊饽z涂抹螺紋位置。保證螺塞頂部距離蒸汽室上表面5 mm的同時，還應保證螺塞底部不凸出底面，如發現螺塞凸出底面，應將螺塞從底部截短修磨后重新裝配。

圖6 密封計算結果

4)螺塞頂部進行整圈5 mm坡口焊及3 mm角焊。焊接時注意對密封面進行保護，防止焊渣飛濺至密封面。

5)在焊縫位置進行滲透探傷并形成報告。

6)按照圖紙要求，在原螺紋孔位置攻鉆M24、深30 mm的螺紋孔，光孔尺寸為35 mm，不得打穿。如有需要，可以使用平底鉆。