背压式汽轮机支腿翘起的原因分析及处理

王 涛

(中国石化集团四川维尼纶厂,重庆长寿 401254)

1 概 况

T1701是我厂200 kt/a合成氨装置氮气压缩机的驱动透平,其型号为N G25/20,系杭州汽轮机厂生产的背压式汽轮机。其主要参数如表1。

表1 汽轮机参数

该汽轮机为两侧进汽背压式汽轮机,蒸汽背压压力为0.6 MPa,约250℃,并入我厂6巴蒸汽管网作为它用。

2008年7月,在施工单位完成了汽轮机及其相关管道的安装调试工作后,根据试车条件检查确认表对相关内容进行了逐项确认,开始对该汽轮机进行单机试车。当操作人员按照操作规程对汽轮机暖机后,现场检查发现汽轮机一侧2个猫爪间隙发生了非正常变化,间隙从0.17 mm变为0,而另一侧2个猫爪间隙为0.15 mm,在正常许可范围之内。根据该现象判断汽轮机发生了单侧支腿翘起故障。当关闭相连暖机暖管阀门,冷却下来后,单侧翘腿现象消失。

2 原因分析及论证

造成汽轮机单侧翘腿的原因比较多,主要从以下几方面进行了分析。

2.1 透平热膨胀的不均匀性导致翘腿

引起热膨胀不均匀的因素有透平本身材料膨胀系数不同和工艺操作不规范两个原因。

(1)透平上下缸本身材料膨胀系数不同

该型汽轮机上下汽缸材料均为ZG22Mo,由厂家提供的材质分析检验报告(详见表2)可以判断,缸体材料因素可以排除,因为上下缸材质相同,热膨胀系数相同。

表2 材质分析报告

(2)工艺暖管暖机时间不够造成膨胀不均匀

本机组采用背压暖机,盘车电机驱动棘爪带动透平转子进行暖机。暖机采用6巴蒸汽(压力0.6 MPa、温度 220℃),36巴蒸汽(3.5 MPa、390℃)关到主汽门前。

汽轮机在冷态时,四个猫爪间隙均在0.15～0.20 mm之间,符合要求,其他安装数据如同心度、水平度也符合要求。

2.2 配管施工质量

依据设计图纸和规范 GB/T17116.1-1997《管道支吊架第一部分:技术规范》等施工技术规范检查36巴蒸汽管道,6巴背压蒸汽管道、漏气管管道的支吊架活动部分、恒力支吊架是否随管道热位移正常工作,是否在合理范围,导向装置是否安装正确,滑动板是否安装到位。

通过对上述内容的实际检查,发现在施工中存在如下问题:

(1)6巴蒸汽管道导向装置滑动板未按规范加衬聚四氟乙烯板;

(2)6巴蒸汽管道的一处吊点未按图施工;

(3)36巴蒸汽管道一处恒力支吊架锁定装置未拆除,造成恒力吊架变成了刚性支架,改变了管道的受力。

对上述施工中存在的问题整改后,再次暖机,汽轮机仍出现了支腿翘起现象。

2.3 热力管道附加综合热膨胀力大于汽轮机壳体质量,将其偏心顶起,从而造成汽轮机翘腿

即管道对设备产生的推力及力矩过大引起汽轮机非正常变化。

大家知道,管道的设计特别是热力管道的设计,管道应力分析和计算是其中的一项重要内容。其应力分析与计算主要包括对管系的柔性计算和管系的应力验算两个部分。并主要体现在管道对设备的推力及力矩计算上。

管道对汽轮机产生的推力及力矩,主要是因热胀冷缩、冷紧、附加位移及其他约束位移、持续外载(包括管道的自重及支吊架反力)等造成的。影响推力及力矩的因素较多,主要体现在管道的布置、管子的几何尺寸、钢材的特性、支吊架的布置及形式、运行参数及预冷紧等方面。

基于以上分析,对与汽轮机相连的管道进行了实际察看及判断,结果如下。

(1)管道的布置 该设备及管道安装在已有装置位置,且周围设备管道繁多,为管道设计增加了极大难度,整个管道的设计在柔性方面缺陷较大。

(2)管道的几何尺寸 与汽轮机连接的高温管道主要有 36巴蒸汽管道DN150主管1根、DN150支管2根,6巴蒸汽管道(DN250)1根,漏气管DN100 1根,汽轮机轮式疏水管DN25 1根、平衡疏水管DN15 1根,汽封冷却器进口蒸汽管DN25 1根。从以上数据可以看出,管道公称直径均不大。

(3)管道钢材特性 管道材质分别为15CrMo (36巴蒸汽管用)和20号钢(其他管道用),此两种材质均为较普通的材质,无非常特别的性质。

(4)支吊架的布置及形式 本管系主要有承重支吊架和限位支吊架两种。其中,承重支吊架共7个,限位支吊架2个。

(5)运行参数及预冷紧 管道介质的运行参数均在正常操作范围之内,未超设计。对相关法兰螺栓进行了预冷紧。

当管道对汽轮机的推力及力矩较大时,会使汽轮机产生中心偏移。从厂家的随机资料中得知,该汽轮机壳体质量约2 500 kg(质量较小)。为确定管道对汽轮机的力及力矩,我们委托汽轮机厂家根据设计院提供的管道现场布置图等相关资料对汽轮机各管口的允许力等依据NEMA的相关公式进行了核算,结果如表3。

从表3得知,11项核算结果中有8项显示计算不能通过,仅有3项通过,由此可以判断,与汽轮机相连的管道对设备产生了不合适的力及力矩,造成了汽轮机单侧翘腿。

表3 汽轮机各管口允许力计算结果

3 处理措施

(1)根据管道对设备的推力及推力矩的校核意见,设计人员对与该汽轮机相连的蒸汽管道(主要是36巴和6巴)进行了重新布管,增加了热膨胀弯,改变管道走向,进而增加了整个热力管线的柔性。根据新的管线布置,汽轮机力及力矩值的校核结果通过。

(2)对管道上的各滑动支撑点的接触面加衬聚四氟乙烯板,减少摩擦系数,以便于管道能按照设计计算的方向正常膨胀。

通过上述处理,该汽轮机在暖机及随后的运行中再未发生支腿翘起现象。

4 结 语

(1)对于复杂场所的改造项目,应将管道特别是热力管道的柔性设计放到突出位置,做到管道布置合理,补偿良好,支吊恰当。

(2)对于较小质量的背压式汽轮机,因其对热力管道的推力和力矩的反应更加敏感,故在汽轮机暖机、运行时须加强支腿间隙的检查,及时分析处理异常情况,避免造成设备损坏。

(3)对于包含热力管道及大口径(或大应力)管道的技改扩建,须加强管道的施工质量管理,特别是管道支架、吊架、固定点的管理。