浅析凝汽器直通式自平衡膨胀节的设计方案

朱文廷

(上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海 200090)

0 概 述

采用弹簧支撑的汽轮机基础平台，其低压缸与凝汽器采用了刚性连接。低压缸及凝汽器设备的竖直方向上的位移，由凝汽器平台底部的支撑弹簧所吸收。凝汽器的重量载荷大部分作用在壳体底部弹簧支座上。其余的凝汽器重量载荷，均作用在汽轮机的低压缸上。

该凝汽器循环水的入口管道，在水平段为混凝土管道，然后对接L型钢制管道，再进入凝汽器。凝汽器水室出口的连接管道，除竖直段为收球网设备和小段钢制管道，其余的弯头及后续水平管道，均为混凝土材质。凝汽器与循环水管路间的热胀位移， 由凝汽器循环水接口处的膨胀节所吸收。凝汽器与循环水管道的连接形式，如图1所示。

图1 凝汽器与循环水管道的连接

1 产生的问题及盲板力计算

如果凝汽器的循环水采用下进式，且在凝汽器水室接口处，又设置了吸收设备热胀的膨胀节，则由循环水水压产生的推力，将作用在循环水的进出口上，即在凝汽器水室口对应的截面上，产生向上的盲板力。盲板力的计算公式为：

∑F=n×P×S。

(1)

式(1)中：n-循环水接口数量；

P-循环水的最大水压；

S-每个循环水接口的内截面积。

例如在某型机组中，凝汽器的单个壳体有4个水室(2个循环水进口水室，2个循环水出口水室)。循环水接口的直径为DN2800，设计压力为0.4 MPa。若循环水接口采用向下进出式，单个凝汽器接口将因水压而产生额外向上的力，约为9 700 kN。

在极端工况下，盲板力过大，将影响机组的安全运行,特别是对于由弹簧支撑的汽轮机平台，因此，必须采取有效措施，解决盲板力过大的问题。

2 通常的解决方案

为了平衡该型设备所受的盲板力，通常采用旁通式轴向压力平衡型或弯管压力平衡型膨胀节的设计方案，以消除竖直方向上的盲板力，降低对机组运行时的影响。同时，也需对水室结构进行适当的调整。

2.1 旁通式轴向压力平衡型膨胀节的设计方案

若采用旁通式轴向压力平衡型的膨胀节方案，需调整凝汽器的水室结构。旁通式轴向压力平衡型膨胀节的设计方案，如图2所示。因水压产生的作用力，将加载在水室上部封头的内表面，而封头通过其周围的拉杆与下面的管道形成刚性连接。如此，水室就不再承载向上的盲板力了。

图2 旁通式轴向压力平衡型膨胀节的设计方案

若采用该方案，需要对凝汽器水室结构进行较大改动和补强，将使水室的尺寸变大和重量增加。同时，也增加了设备运输方面的困难。

2.2 弯管压力平衡型膨胀节的设计方案

在弯管压力平衡型膨胀节的设计方案中，需将凝汽器水室的进出口改为侧向进出。弯管压力平衡型膨胀节的设计方案，如图3所示。该方案采用了刚性弯头，在弯头两侧，分别用膨胀节对接水室接口和管道接口，同时，在弯头的侧面，还有连杆分别连接水室和管道。设置连杆之后，膨胀节承受的盲板力均由连杆平衡，而设备的热胀位移，则由膨胀节组的角位移吸收。

图3 弯管压力平衡型膨胀节的设计方案

在该方案中，凝汽器水室采用了侧进方式，设备的重量较轻，运输时设备高度较低。但是，采用该方案时，需修改循环水管道的进水方向后，才能使用。在水室接口外部管道的布置中，还应增加1个弯头的布置空间。并且，因水室接口处的热膨胀位移，需由膨胀节的角位移进行吸收。

3 直通式轴向压力自平衡型膨胀节方案

3.1 膨胀节的工作原理

在直通式轴向压力自平衡式橡胶膨胀节中，具有串联3个膨胀节的结构，由中间平衡膨胀节和前后2个工作膨胀节组成。采用法兰连接膨胀节，共有4个连接法兰，设置了拉杆等结构件，组成了3个膨胀节的整体结构。压力自平衡型膨胀节的结构，如图4所示。

图4 压力自平衡型膨胀节的结构

依据帕斯卡静力学原理，在管道上布置压力平衡型膨胀节，可使管道内压达到自平衡，即为受力相等且方向相反的静力平衡。当平衡膨胀节的环形面受压时，其环形受压面的截面积等于管道通流截面积，即膨胀节的工作截面积。特殊设计的平衡腔，可满足受力相等、方向相反的平衡要求。因此，在凝汽器水室接口和循环水管道接口处，仅需承受膨胀节组变形时产生的弹性反力。压力自平衡型膨胀节的安装，如图5所示。

图5 压力自平衡型膨胀节的安装

从图5可知，压力自平衡型膨胀节中的法兰A与凝汽器水室采用了刚性连接，法兰A和法兰C通过拉杆进行固定。法兰C环形面的面积与管道截面积相同。这样，循环水作用于水室上的盲板力，就与作用在法兰C环形面的压力载荷相平衡，受力的大小相等、方向相反，达到平衡状态。同理，法兰B和法兰D也能使受力载荷达到平衡状态。

在凝汽器的运行工况中，水室接口的热位移是向下的，整个膨胀节组将吸收设备向下的热膨胀位移，处于压缩状态。在膨胀节组中，上下2个工作膨胀节因吸收了热膨胀位移，是处于压缩状态，中间的平衡膨胀节处于拉伸状态。自平衡式膨胀节与旁通式轴向压力平衡型膨胀节、弯管压力平衡型膨胀节一样，也采用了橡胶材质，可吸收部分轴向、径向、角向上的位移量。相对于不锈钢膨胀节，橡胶产品的刚度较低。如果采用自平衡式膨胀节方案，则膨胀节的直径较大，约为同等口径膨胀节的1.5倍，在凝汽器循环水的管道布置中，占用管道的长度达1.7 m。

3.2 受力分析

3.2.1 拉杆的受力计算

拉杆的受力，可按最高设计压力所产生的推力进行计算。设备运行时，温度为10～40℃，因温差的变化较小，所以，不考虑温差对许用应力产生的影响。拉杆的受力为：

∑F拉杆=1.5Pd×A

(2)

式(2)中：设计压力Pd=0.4 MPa；截面积A=6 069 871 mm2(DN2800管道内截面积)。

经计算，单根拉杆可承受的拉力，为3 642 kN。共设置了12根拉杆，平均单根拉杆的受力，为303.5 kN。选用的拉杆的材料为35CrMoA。在GB/T3077-2015标准中，该材料M24～M48螺栓的许用应力，为206 MPa。经核算，单根拉杆的直径应大于43 mm，圆整后，选用M48，即可满足设计要求。

3.2.2 法兰的应力分析

膨胀节组中的法兰，采用了Q345R材料，并在圆周上均布了48块加强筋板。在中间平衡膨胀节处，需提供与通流面积一致的环形截面，用于盲板力的自平衡，所对应的法兰需承受最外圈拉杆、环形面上的水压压力、工作膨胀节及中间平衡膨胀节的弹性力。在法兰上的受力较为复杂，因此，需对法兰进行应变分析和应力分析。

加载相应受力后，法兰的应变云图，如图6所示。从图6可知，最大处的应变值，为0.012 927 mm，远低于Q345R材料的0.2%的屈服应变，判定合格。

图6 计算后的应变云图

经计算，法兰的应力云图，如图7所示。由图7可知，法兰的最大应力，为2.366 6 MPa，按ASME Ⅷ-2标准中的要求，远低于Q345R材料的许用应力189 MPa，因此，验算合格。

图7 计算后的应力云图

3.2.3 验证橡胶膨胀节的力学性能

橡胶膨胀节为非均质的材料组成，无法采用常规的公式进行计算和应力分析。因此，只能利用水压试验验证橡胶膨胀节的力学性能。水压试验的压力，取1.5倍的设计压力。

同时，在整个膨胀节组自由状态下，利用水压试验的压力，可获得检测产品的变形总长度，以测试其力学平衡的性能。膨胀节总体尺寸伸长则说明内压不能平衡，不伸长则说明内压平衡。

4 结 语

采用自平衡式膨胀节方案后，仍可采用凝汽器循环水接口的下进式，相比于采用旁通式轴向压力平衡型膨胀节方案的水室更轻，更便于运输。相对于弯管压力平衡型膨胀节方案，采用自平衡式方案的凝汽器，因水室为下进式接口，所以，还节省了部分循环水管道的布置空间。

总之，采用自平衡式膨胀节方案，为解决凝汽器水室盲板力过大的问题，提供了一个新的设计方案。