朱文廷

(上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海 200090)

0 概 述

采用彈簧支撐的汽輪機基礎平臺，其低壓缸與凝汽器采用了剛性連接。低壓缸及凝汽器設備的豎直方向上的位移，由凝汽器平臺底部的支撐彈簧所吸收。凝汽器的重量載荷大部分作用在殼體底部彈簧支座上。其余的凝汽器重量載荷，均作用在汽輪機的低壓缸上。

該凝汽器循環(huán)水的入口管道，在水平段為混凝土管道，然后對接L型鋼制管道，再進入凝汽器。凝汽器水室出口的連接管道，除豎直段為收球網設備和小段鋼制管道，其余的彎頭及后續(xù)水平管道，均為混凝土材質。凝汽器與循環(huán)水管路間的熱脹位移， 由凝汽器循環(huán)水接口處的膨脹節(jié)所吸收。凝汽器與循環(huán)水管道的連接形式，如圖1所示。

圖1 凝汽器與循環(huán)水管道的連接

1 產生的問題及盲板力計算

如果凝汽器的循環(huán)水采用下進式，且在凝汽器水室接口處，又設置了吸收設備熱脹的膨脹節(jié)，則由循環(huán)水水壓產生的推力，將作用在循環(huán)水的進出口上，即在凝汽器水室口對應的截面上，產生向上的盲板力。盲板力的計算公式為：

∑F=n×P×S。

(1)

式(1)中：n-循環(huán)水接口數量；

P-循環(huán)水的最大水壓；

S-每個循環(huán)水接口的內截面積。

例如在某型機組中，凝汽器的單個殼體有4個水室(2個循環(huán)水進口水室，2個循環(huán)水出口水室)。循環(huán)水接口的直徑為DN2800，設計壓力為0.4 MPa。若循環(huán)水接口采用向下進出式，單個凝汽器接口將因水壓而產生額外向上的力，約為9 700 kN。

在極端工況下，盲板力過大，將影響機組的安全運行,特別是對于由彈簧支撐的汽輪機平臺，因此，必須采取有效措施，解決盲板力過大的問題。

2 通常的解決方案

為了平衡該型設備所受的盲板力，通常采用旁通式軸向壓力平衡型或彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的設計方案，以消除豎直方向上的盲板力，降低對機組運行時的影響。同時，也需對水室結構進行適當的調整。

2.1 旁通式軸向壓力平衡型膨脹節(jié)的設計方案

若采用旁通式軸向壓力平衡型的膨脹節(jié)方案，需調整凝汽器的水室結構。旁通式軸向壓力平衡型膨脹節(jié)的設計方案，如圖2所示。因水壓產生的作用力，將加載在水室上部封頭的內表面，而封頭通過其周圍的拉桿與下面的管道形成剛性連接。如此，水室就不再承載向上的盲板力了。

圖2 旁通式軸向壓力平衡型膨脹節(jié)的設計方案

若采用該方案，需要對凝汽器水室結構進行較大改動和補強，將使水室的尺寸變大和重量增加。同時，也增加了設備運輸方面的困難。

2.2 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的設計方案

在彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的設計方案中，需將凝汽器水室的進出口改為側向進出。彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的設計方案，如圖3所示。該方案采用了剛性彎頭，在彎頭兩側，分別用膨脹節(jié)對接水室接口和管道接口，同時，在彎頭的側面，還有連桿分別連接水室和管道。設置連桿之后，膨脹節(jié)承受的盲板力均由連桿平衡，而設備的熱脹位移，則由膨脹節(jié)組的角位移吸收。

圖3 彎管壓力平衡型膨脹節(jié)的設計方案

在該方案中，凝汽器水室采用了側進方式，設備的重量較輕，運輸時設備高度較低。但是，采用該方案時，需修改循環(huán)水管道的進水方向后，才能使用。在水室接口外部管道的布置中，還應增加1個彎頭的布置空間。并且，因水室接口處的熱膨脹位移，需由膨脹節(jié)的角位移進行吸收。

3 直通式軸向壓力自平衡型膨脹節(jié)方案

3.1 膨脹節(jié)的工作原理

在直通式軸向壓力自平衡式橡膠膨脹節(jié)中，具有串聯(lián)3個膨脹節(jié)的結構，由中間平衡膨脹節(jié)和前后2個工作膨脹節(jié)組成。采用法蘭連接膨脹節(jié)，共有4個連接法蘭，設置了拉桿等結構件，組成了3個膨脹節(jié)的整體結構。壓力自平衡型膨脹節(jié)的結構，如圖4所示。

圖4 壓力自平衡型膨脹節(jié)的結構

依據帕斯卡靜力學原理，在管道上布置壓力平衡型膨脹節(jié)，可使管道內壓達到自平衡，即為受力相等且方向相反的靜力平衡。當平衡膨脹節(jié)的環(huán)形面受壓時，其環(huán)形受壓面的截面積等于管道通流截面積，即膨脹節(jié)的工作截面積。特殊設計的平衡腔，可滿足受力相等、方向相反的平衡要求。因此，在凝汽器水室接口和循環(huán)水管道接口處，僅需承受膨脹節(jié)組變形時產生的彈性反力。壓力自平衡型膨脹節(jié)的安裝，如圖5所示。

圖5 壓力自平衡型膨脹節(jié)的安裝

從圖5可知，壓力自平衡型膨脹節(jié)中的法蘭A與凝汽器水室采用了剛性連接，法蘭A和法蘭C通過拉桿進行固定。法蘭C環(huán)形面的面積與管道截面積相同。這樣，循環(huán)水作用于水室上的盲板力，就與作用在法蘭C環(huán)形面的壓力載荷相平衡，受力的大小相等、方向相反，達到平衡狀態(tài)。同理，法蘭B和法蘭D也能使受力載荷達到平衡狀態(tài)。

在凝汽器的運行工況中，水室接口的熱位移是向下的，整個膨脹節(jié)組將吸收設備向下的熱膨脹位移，處于壓縮狀態(tài)。在膨脹節(jié)組中，上下2個工作膨脹節(jié)因吸收了熱膨脹位移，是處于壓縮狀態(tài)，中間的平衡膨脹節(jié)處于拉伸狀態(tài)。自平衡式膨脹節(jié)與旁通式軸向壓力平衡型膨脹節(jié)、彎管壓力平衡型膨脹節(jié)一樣，也采用了橡膠材質，可吸收部分軸向、徑向、角向上的位移量。相對于不銹鋼膨脹節(jié)，橡膠產品的剛度較低。如果采用自平衡式膨脹節(jié)方案，則膨脹節(jié)的直徑較大，約為同等口徑膨脹節(jié)的1.5倍，在凝汽器循環(huán)水的管道布置中，占用管道的長度達1.7 m。

3.2 受力分析

3.2.1 拉桿的受力計算

拉桿的受力，可按最高設計壓力所產生的推力進行計算。設備運行時，溫度為10～40℃，因溫差的變化較小，所以，不考慮溫差對許用應力產生的影響。拉桿的受力為：

∑F拉桿=1.5Pd×A

(2)

式(2)中：設計壓力Pd=0.4 MPa；截面積A=6 069 871 mm2(DN2800管道內截面積)。

經計算，單根拉桿可承受的拉力，為3 642 kN。共設置了12根拉桿，平均單根拉桿的受力，為303.5 kN。選用的拉桿的材料為35CrMoA。在GB/T3077-2015標準中，該材料M24～M48螺栓的許用應力，為206 MPa。經核算，單根拉桿的直徑應大于43 mm，圓整后，選用M48，即可滿足設計要求。

3.2.2 法蘭的應力分析

膨脹節(jié)組中的法蘭，采用了Q345R材料，并在圓周上均布了48塊加強筋板。在中間平衡膨脹節(jié)處，需提供與通流面積一致的環(huán)形截面，用于盲板力的自平衡，所對應的法蘭需承受最外圈拉桿、環(huán)形面上的水壓壓力、工作膨脹節(jié)及中間平衡膨脹節(jié)的彈性力。在法蘭上的受力較為復雜，因此，需對法蘭進行應變分析和應力分析。

加載相應受力后，法蘭的應變云圖，如圖6所示。從圖6可知，最大處的應變值，為0.012 927 mm，遠低于Q345R材料的0.2%的屈服應變，判定合格。

圖6 計算后的應變云圖

經計算，法蘭的應力云圖，如圖7所示。由圖7可知，法蘭的最大應力，為2.366 6 MPa，按ASME Ⅷ-2標準中的要求，遠低于Q345R材料的許用應力189 MPa，因此，驗算合格。

圖7 計算后的應力云圖

3.2.3 驗證橡膠膨脹節(jié)的力學性能

橡膠膨脹節(jié)為非均質的材料組成，無法采用常規(guī)的公式進行計算和應力分析。因此，只能利用水壓試驗驗證橡膠膨脹節(jié)的力學性能。水壓試驗的壓力，取1.5倍的設計壓力。

同時，在整個膨脹節(jié)組自由狀態(tài)下，利用水壓試驗的壓力，可獲得檢測產品的變形總長度，以測試其力學平衡的性能。膨脹節(jié)總體尺寸伸長則說明內壓不能平衡，不伸長則說明內壓平衡。

4 結 語

采用自平衡式膨脹節(jié)方案后，仍可采用凝汽器循環(huán)水接口的下進式，相比于采用旁通式軸向壓力平衡型膨脹節(jié)方案的水室更輕，更便于運輸。相對于彎管壓力平衡型膨脹節(jié)方案，采用自平衡式方案的凝汽器，因水室為下進式接口，所以，還節(jié)省了部分循環(huán)水管道的布置空間。

總之，采用自平衡式膨脹節(jié)方案，為解決凝汽器水室盲板力過大的問題，提供了一個新的設計方案。