汽輪機內缸法蘭結合面張口原因探究

岳紀斌

[摘? ? 要]文章以加強汽輪機運行穩定性為目標，重點探討汽輪機內缸法蘭結合面張口問題。針對該問題，從力學模型構建、應力計算等方面分析原因，掌握出現法蘭結合面張口的形成條件，并提出了相應的解決建議。制定針對法蘭結合面張口問題的解決方案，希望能夠從根本上解決張口問題，提高汽輪機運行效率。

[關鍵詞]汽輪機;內缸;法蘭結合面;張口

[中圖分類號]TK267 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）07–00–02

Exploring the Reasons for the Opening of the Flange Joint?Surface of the Steam Turbine Inner Cylinder

Yue Ji-bin

[Abstract]With the goal of enhancing the stability of steam turbine operation， the focus is on the issue of opening of the flange joint surface of the steam turbine inner cylinder. The article analyzes the reasons for the opening of the flange joint surface of the steam turbine inner cylinder from the aspects of mechanical model construction， stress calculation， etc.， and grasps the formation conditions of the flange joint surface opening， and proposes corresponding solutions to the flange joint surface. The solution to the opening problem is hoped to fundamentally solve the opening problem and improve the operating efficiency of the steam turbine.

[Keywords]steam turbine; inner cylinder; flange joint surface; opening

汽輪機包括轉動與靜止兩個部分，轉子部分包含主軸、葉輪、動葉片、聯軸器等裝置，靜子部分則包含進汽、汽缸、隔板、靜葉柵等裝置，其中汽缸是最為重要的裝置之一。氣缸密封性與汽輪機能否有效運行有密切關系。一般核電汽輪機內部的高壓缸尺寸較大，汽缸壁較薄，內部結構繁瑣，若在濕蒸汽環境中運行，汽缸內壁的溫度會在蒸汽溫度影響下出現非常明顯的變化，會因為受力不均導致熱變形、熱應力，對汽輪機正常運行造成影響。相關資料表明，法蘭結合面接觸狀態存在很多影響因素。例如，焊接期間存在非金屬雜質導致局部導熱系數均勻性降低、軸封處溫度的分布情況。若法蘭變形，便會降低汽缸密封性。所以焊接人員必須要在工作過程中仔細檢查汽缸法蘭結合面接觸狀態，避免出現張口現象。

1 力學模型構建與應力計算

內缸分為上、下兩個部分，其中缸體包括汽缸壁以及法蘭子午面復雜輪廓線等，組成了復雜的三維立體模型。因為汽缸結構較為繁瑣，所以在分析過程中為了保證準確，先假設汽缸對稱，法蘭面一旦處于密閉咬合狀態，螺栓孔將會得到填充，考慮到材料相似，可以去掉法蘭面螺孔。計算時為了保證簡便性，只是針對汽缸的一部分進行分析，并建立力學模型^[1]。建模之后需要應用ANSYS有限元通用計算軟件展開分析與計算工作，該軟件具有非常好的處理功能，針對指定計算區域可以自動劃分網格或者結合需求做好網格密分處理工作，如此便可以全面提升計算準確性，汽缸有限元網格劃分圖如圖1所示。調節級之后調節汽室法蘭范圍內，即汽缸張口問題區域展開了密分處理^[2]。

汽缸法蘭絕熱邊界是溫度場計算過程中的中分面以及左右對稱面。內、外表面以及蒸汽這三者之間有換熱邊界的存在。按照調節級之后高壓內缸金屬內、外壁采集相關數據顯示，高壓內缸的金屬內、外壁溫度無論是在起停還是穩定運行過程中均處于已知狀態，由此也需要將非穩態對流換熱轉變成非穩態導熱問題加以解決，以采樣溫度為前提針對缸體場分布情況進行分析。

根據數據分析，建議工作人員在操作過程中將物性材料與自由度限制全部加載于計算模型中，按照邊界條件對每個面溫度約束進行設置，計算三維汽缸體內溫度場。通過軟件包能夠將各個時刻下溫度場分布情況清晰地顯示出來，并且獲得各個時刻下的溫度場數據，為了更加直觀的了解溫度場分布，可以繪制示溫度場分布圖，也為之后的數據對比分析提供參考。

通過對汽缸溫度場等溫線的分析可知，軸向、徑向中氣缸有溫度梯度，徑向溫度梯度要大于軸向梯度，特別是調節級汽室法蘭位置，最大溫差已經超出了85 ℃，如此一來會直接導致汽缸內壁形成較大的壓應力，從而引發汽缸張口。

溫度場分析期間，焊接人員也要對缸體應力場進行全面剖析。熱分析單元需要被轉變成機械分析單元，在其中增設用于分析缸體機械的自由度限制，將實體熱分析溫度場順利加載出來，并且根據時間的先后順序針對不同時間導出應力場分布文件，按照文件最終顯示結果全面分析缸體應力。

溫度場汽缸等應力色塊圖分析過程中，可以確定的是調節級后汽室法蘭位置有一個區域應力比較集中，對比右側色塊途虎應力顯示的對應值，明確其應力值超過420 MPa，大于汽缸材料允許值。所以，這一范圍內便可形成帶有永久性的塑性變形。通過上述分析了解到缸體危險點以及危險時間段的存在，這對于運行過程中機組監控以及調節十分便利，可以提高機組運行的穩定性與安全性。

展開應力計算時會獲得模型中每個時間點下節點應力值，通過應力分析與計算便可以得到應力集中范圍內不通時間下的最大應力值。例如，應力集中區域內其中一個典型節點在4月1日到6月1日之間，汽輪機啟停以及變負荷階段的峰值應力狀況，通過分析可以確定這一階段部分應力值與最大值，并且符合焊接過程中內缸法蘭結合面張口位置，由此可見分析結果的準確與可靠。

此外，汽缸法蘭中分面、左右對稱面是必須要關注的兩個要點，特別是計算溫度場這一環節，可將其當作絕熱邊界，使后續應力計算與建模等更加便捷。觀察汽缸內部，判斷表面、外表面、蒸汽中間是否有換熱邊界存在。按照現有布設測點與布局，及時處理汽缸內缸內外壁，具體處理方法可參考以下幾點：

（1）高壓內缸的金屬外壁，一般情況下對流換熱系數相等，換言之也可以直接為內缸外壁金屬溫度相等。

（2）按照調節級、高壓缸出口、高壓汽封的順序，溫度必須呈均勻下降趨勢。當上述假定確定，便可以針對調節級之后的高壓內缸金屬內、外壁，基于作業采集具體數據。可確定的是高壓內缸金屬內、外壁溫度，在起停、負荷升降、運轉等多個環節均為已知狀態，因此非穩態對流換熱需要切換到非穩態導熱狀態，通過采樣溫度可以掌握缸體場分布情況。高壓內缸材料性能參數這一層面，一般是以ZG20CrMoV鋼材料特性參數為主要的計算參數，這也是力學模型構建、應力計算需要參考的數據。

2 汽輪機內缸法蘭結合面張口原因

汽輪機氣缸體結構較為復雜，運行溫度高，再加上壁厚這一原因，所以鑄造過程中往往會使用鑄鋼材料。材料本身成本較低，具有非常高的減振性與耐腐蝕性，所以在汽輪缸體鑄造中得到廣泛運用。但是，鑄鋼材料處于高溫作業環境下，會增加其導熱膨脹系數，導致氣缸結合面出現張口現象^[3]。同時，氣缸鑄造期間，因為鍛造時會出現氣孔，加之存在一些其他的非金屬雜質，所以會影響局部導熱系數均勻性，提高材料應力。氣缸在高溫環境下作業，溫度波動形成熱應力，引發張口問題。焊接之前工作人員往往會展開三維非穩態溫度場有限元計算，通過最終獲得的計算結果了解到，內缸壁金屬溫度如果超過了500 ℃，證明其應力水平高，如果負荷超過了100 MW，這樣即可證明高壓內缸內外壁存在較大的溫度差值，并且形成了非常大的熱應力。三維非穩態溫度場有限元計算的結果表明，在高壓汽輪機內缸張口位置一般會有一個區域應力比較集中，負荷如果大于100 MW，超出穩定運行范圍，那么其應力值便會大于σ0.2=340 MPa，特別是當負荷較高時，負荷提升速度也較快，應力值此時會超過400 MPa。這樣一來便會導致因為區域應力過大而汽缸體張口現象。

3 針對汽輪機內缸法蘭結合面張口建議

按照以上分析，焊接之前做好以下準備工作：①處理好坡口，將坡口加工為U形，成凹陷狀，為后期補焊提供方便;②完成坡口加工后需要做好后期處理工作，將坡口附近的鐵銹與雜質等及時清除，確保金屬光澤度;③內缸法蘭結合面預熱工作非常重要，使用氧-乙炔進行焊接位置的加熱，通常加熱溫度控制在200 ℃，如此便可以避免出現結合面張口問題。

此外，三維非穩態溫度場有限元計算之后，根據最終的計算結果，若是內缸壁金屬溫度超過505 ℃，代表應力水平也隨之提升。若是負荷達到了100 MW，代表高壓內缸內外壁溫度之間存在較大差值與熱應力。與此同時，高壓內缸張口位置必然會有應力集中區形成，而且負荷大于100 MW，且處于穩定運行狀態，其應力值大于σ0.2=340 MPa限制值，特別是高負荷狀態下負荷提升速度也非?？?，應力值最高可超過400 MPa，由此會導致區域應力過大與汽缸體張口^[4]。鑒于此，建議工作人員在機組平穩運行過程中，維持負荷的穩定狀態，使其始終處于95 ～100 MW。如果升負荷超過70 MW，這時必須對快速升負荷情況進行控制，將升負荷率維持在0.9 MW/min。如此一來便可以提高熱應力數值的穩定性，保持在300 MPa，以免出現汽輪機內缸法蘭結合面張口現象^[5]。

為了解決汽輪機內缸法蘭結合面張口問題，需要全面整修研究機組。結束整修之后便可以啟動機組，由此展開如下分析：第一次檢修之后啟動，為了確保啟動的順利進行，需要提前組織試驗^[6]。具體在啟動之前的兩天內不帶負荷，第3日方可帶滿負荷。啟動期間個別時間段的高壓內缸內壁金屬溫度不斷提升，其平均升溫率已經高達3.075 ℃/min，滿負荷狀態下的內外壁溫差高達119 ℃，通過這些數據便可以確定其已經超出了要求限制值。

4 結束語

綜上所述，汽輪機內缸一旦出現張口問題，會直接影響其平穩運行，焊接人員必須要加以重視。一方面要做好焊接準備工作，另一方面需要分析汽輪機運行環境，構建力學模型，解決因為材料導致的張口問題，提出對應的解決對策，為今后汽輪機相關研究與操作提供參考。

參考文獻

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