岳紀斌

[摘? ? 要]文章以加強汽輪機運行穩(wěn)定性為目標，重點探討汽輪機內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口問題。針對該問題，從力學(xué)模型構(gòu)建、應(yīng)力計算等方面分析原因，掌握出現(xiàn)法蘭結(jié)合面張口的形成條件，并提出了相應(yīng)的解決建議。制定針對法蘭結(jié)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(guān)鍵詞]汽輪機;內(nèi)缸;法蘭結(jié)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(zhuǎn)動與靜止兩個部分，轉(zhuǎn)子部分包含主軸、葉輪、動葉片、聯(lián)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(guān)系。一般核電汽輪機內(nèi)部的高壓缸尺寸較大，汽缸壁較薄，內(nèi)部結(jié)構(gòu)繁瑣，若在濕蒸汽環(huán)境中運行，汽缸內(nèi)壁的溫度會在蒸汽溫度影響下出現(xiàn)非常明顯的變化，會因為受力不均導(dǎo)致熱變形、熱應(yīng)力，對汽輪機正常運行造成影響。相關(guān)資料表明，法蘭結(jié)合面接觸狀態(tài)存在很多影響因素。例如，焊接期間存在非金屬雜質(zhì)導(dǎo)致局部導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)合面接觸狀態(tài)，避免出現(xiàn)張口現(xiàn)象。

1 力學(xué)模型構(gòu)建與應(yīng)力計算

內(nèi)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(fù)雜輪廓線等，組成了復(fù)雜的三維立體模型。因為汽缸結(jié)構(gòu)較為繁瑣，所以在分析過程中為了保證準確，先假設(shè)汽缸對稱，法蘭面一旦處于密閉咬合狀態(tài)，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(xué)模型^[1]。建模之后需要應(yīng)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(qū)域可以自動劃分網(wǎng)格或者結(jié)合需求做好網(wǎng)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(wǎng)格劃分圖如圖1所示。調(diào)節(jié)級之后調(diào)節(jié)汽室法蘭范圍內(nèi)，即汽缸張口問題區(qū)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(nèi)、外表面以及蒸汽這三者之間有換熱邊界的存在。按照調(diào)節(jié)級之后高壓內(nèi)缸金屬內(nèi)、外壁采集相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，高壓內(nèi)缸的金屬內(nèi)、外壁溫度無論是在起停還是穩(wěn)定運行過程中均處于已知狀態(tài)，由此也需要將非穩(wěn)態(tài)對流換熱轉(zhuǎn)變成非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)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(jù)數(shù)據(jù)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(shè)置，計算三維汽缸體內(nèi)溫度場。通過軟件包能夠?qū)⒏鱾€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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)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(diào)節(jié)級汽室法蘭位置，最大溫差已經(jīng)超出了85 ℃，如此一來會直接導(dǎo)致汽缸內(nèi)壁形成較大的壓應(yīng)力，從而引發(fā)汽缸張口。

溫度場分析期間，焊接人員也要對缸體應(yīng)力場進行全面剖析。熱分析單元需要被轉(zhuǎn)變成機械分析單元，在其中增設(shè)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(jù)時間的先后順序針對不同時間導(dǎo)出應(yīng)力場分布文件，按照文件最終顯示結(jié)果全面分析缸體應(yīng)力。

溫度場汽缸等應(yīng)力色塊圖分析過程中，可以確定的是調(diào)節(jié)級后汽室法蘭位置有一個區(qū)域應(yīng)力比較集中，對比右側(cè)色塊途虎應(yīng)力顯示的對應(yīng)值，明確其應(yīng)力值超過420 MPa，大于汽缸材料允許值。所以，這一范圍內(nèi)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(jiān)控以及調(diào)節(jié)十分便利，可以提高機組運行的穩(wěn)定性與安全性。

展開應(yīng)力計算時會獲得模型中每個時間點下節(jié)點應(yīng)力值，通過應(yīng)力分析與計算便可以得到應(yīng)力集中范圍內(nèi)不通時間下的最大應(yīng)力值。例如，應(yīng)力集中區(qū)域內(nèi)其中一個典型節(jié)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(yīng)力狀況，通過分析可以確定這一階段部分應(yīng)力值與最大值，并且符合焊接過程中內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口位置，由此可見分析結(jié)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(guān)注的兩個要點，特別是計算溫度場這一環(huán)節(jié)，可將其當作絕熱邊界，使后續(xù)應(yīng)力計算與建模等更加便捷。觀察汽缸內(nèi)部，判斷表面、外表面、蒸汽中間是否有換熱邊界存在。按照現(xiàn)有布設(shè)測點與布局，及時處理汽缸內(nèi)缸內(nèi)外壁，具體處理方法可參考以下幾點：

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

（2）按照調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)級之后的高壓內(nèi)缸金屬內(nèi)、外壁，基于作業(yè)采集具體數(shù)據(jù)?？纱_定的是高壓內(nèi)缸金屬內(nèi)、外壁溫度，在起停、負荷升降、運轉(zhuǎn)等多個環(huán)節(jié)均為已知狀態(tài)，因此非穩(wěn)態(tài)對流換熱需要切換到非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱狀態(tài)，通過采樣溫度可以掌握缸體場分布情況。高壓內(nèi)缸材料性能參數(shù)這一層面，一般是以ZG20CrMoV鋼材料特性參數(shù)為主要的計算參數(shù)，這也是力學(xué)模型構(gòu)建、應(yīng)力計算需要參考的數(shù)據(jù)。

2 汽輪機內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口原因

汽輪機氣缸體結(jié)構(gòu)較為復(fù)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(yè)環(huán)境下，會增加其導(dǎo)熱膨脹系數(shù)，導(dǎo)致氣缸結(jié)合面出現(xiàn)張口現(xiàn)象^[3]。同時，氣缸鑄造期間，因為鍛造時會出現(xiàn)氣孔，加之存在一些其他的非金屬雜質(zhì)，所以會影響局部導(dǎo)熱系數(shù)均勻性，提高材料應(yīng)力。氣缸在高溫環(huán)境下作業(yè)，溫度波動形成熱應(yīng)力，引發(fā)張口問題。焊接之前工作人員往往會展開三維非穩(wěn)態(tài)溫度場有限元計算，通過最終獲得的計算結(jié)果了解到，內(nèi)缸壁金屬溫度如果超過了500 ℃，證明其應(yīng)力水平高，如果負荷超過了100 MW，這樣即可證明高壓內(nèi)缸內(nèi)外壁存在較大的溫度差值，并且形成了非常大的熱應(yīng)力。三維非穩(wěn)態(tài)溫度場有限元計算的結(jié)果表明，在高壓汽輪機內(nèi)缸張口位置一般會有一個區(qū)域應(yīng)力比較集中，負荷如果大于100 MW，超出穩(wěn)定運行范圍，那么其應(yīng)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(yīng)力值此時會超過400 MPa。這樣一來便會導(dǎo)致因為區(qū)域應(yīng)力過大而汽缸體張口現(xiàn)象。

3 針對汽輪機內(nèi)缸法蘭結(jié)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(zhì)等及時清除，確保金屬光澤度;③內(nèi)缸法蘭結(jié)合面預(yù)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(xiàn)結(jié)合面張口問題。

此外，三維非穩(wěn)態(tài)溫度場有限元計算之后，根據(jù)最終的計算結(jié)果，若是內(nèi)缸壁金屬溫度超過505 ℃，代表應(yīng)力水平也隨之提升。若是負荷達到了100 MW，代表高壓內(nèi)缸內(nèi)外壁溫度之間存在較大差值與熱應(yīng)力。與此同時，高壓內(nèi)缸張口位置必然會有應(yīng)力集中區(qū)形成，而且負荷大于100 MW，且處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，其應(yīng)力值大于σ0.2=340 MPa限制值，特別是高負荷狀態(tài)下負荷提升速度也非?？欤瑧?yīng)力值最高可超過400 MPa，由此會導(dǎo)致區(qū)域應(yīng)力過大與汽缸體張口^[4]。鑒于此，建議工作人員在機組平穩(wěn)運行過程中，維持負荷的穩(wěn)定狀態(tài)，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(yīng)力數(shù)值的穩(wěn)定性，保持在300 MPa，以免出現(xiàn)汽輪機內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口現(xiàn)象^[5]。

為了解決汽輪機內(nèi)缸法蘭結(jié)合面張口問題，需要全面整修研究機組。結(jié)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(nèi)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(nèi)缸內(nèi)壁金屬溫度不斷提升，其平均升溫率已經(jīng)高達3.075 ℃/min，滿負荷狀態(tài)下的內(nèi)外壁溫差高達119 ℃，通過這些數(shù)據(jù)便可以確定其已經(jīng)超出了要求限制值。

4 結(jié)束語

綜上所述，汽輪機內(nèi)缸一旦出現(xiàn)張口問題，會直接影響其平穩(wěn)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(huán)境，構(gòu)建力學(xué)模型，解決因為材料導(dǎo)致的張口問題，提出對應(yīng)的解決對策，為今后汽輪機相關(guān)研究與操作提供參考。

參考文獻

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