高温高压汽轮发电机组的中压缸气密性分析方案

郭佳炜

摘 要：为了对钢厂中50MW高温高压冷凝机组的中压缸部分进行分析，应用ANSYS 14.0软件对机组中缸在水压试验和额定工况条件下进行数值计算，考察气缸密封面的密封状况和密封螺栓的强度以及气缸的应力应变情况，寻求最佳的配置方案，力求避免后期实际使用过程中出现漏汽及热力变形的问题。

关键词：冷凝机组；高温高压；中压缸；汽缸结合面；螺栓；漏汽；热力变形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.19.170

1 前言

在已投运市场中，高温高压机组中汽缸的漏汽现象很普遍，影响着机组运行的经济型和安全性，后期的修复和处理都面临着不小的难度，同时需要花费大量的人力物力。

高温高压机组工作中状态下，工作参数高，尤其是汽轮机启停及负荷运行中受到较大的热交变应力，气缸很容易产生变形，会引起气缸中封面或螺栓处产生漏汽现象，甚至在中封面冲出沟槽，对机组的带来极大的安全隐患。

本文着力于中压缸部分的计算在分析，结合售后市场中反馈的系列问题，进行厂内的优化分析，这对后期机组的设计有着重要的意义，同时也对设计人员的方案思考有着一定的启发。

2 中压缸的模型与材料

注：为了方便分析，省略了部分倒角。由于汽缸是左右对称的，有限元分析中只取一半结构分析。

气缸单元类型Solid186， 单元数目316928个，節点数目543380。节点数目决定模型数值计算的精确度，理论上节点数目越多越好，但是限于计算机硬件水平，同时也是为了减少运算时间，节点数量一般按照模型大小控制在一定的合理范围之内，为了保证中分面处的计算精度，该处的网格相对较密。

上下缸中分面处定义了接触对，接触类型为Standard，摩擦系数为0.1。螺母与汽缸锪面也定义了9个接触对，接触类型为Bonded，摩擦系数为0.1。

螺栓的一端直接与汽缸体相连，螺栓的螺帽与汽缸通过接触单元相连。在9个预紧螺栓中定义了9个预紧力单元。螺栓为M48，计算中预紧力为400MPa。

3 中压缸在水压试验状态下的分析

水压试验分析不考虑蒸汽温度的影响，在常温20℃下分析，计算时气缸内压为额定工况压力的1.5倍。

3.1 边界条件

整个中缸作为一个腔室，压力为0.39*1.5 MPa，如图2所示。

螺栓直径为48mm，螺栓预紧力按下面方法确定：

假设螺栓中间截面积为A（mm2），螺栓材料应力屈服极限σ0.2 （MPa），螺栓许用预紧应力为[σ] （MPa），安全系数n，则预紧力F（N）为：F=[σ] ×A； [σ]= σ0.2/ n。螺栓材料为20Cr1Mo1VTiB，其σ0.2 =600MPa；计算中螺栓预紧应力为400 MPa，螺栓中间截面积为1164.2 mm2 。螺栓预紧力为 4.6568×105N。

3.2 分析结果

从上图可以看出，汽缸绝大部分的应力都在30 MPa以下，小于气缸材料20℃时的屈服极限245MPa，气缸可满足强度要求。气缸轴向最大变形量为0.4mm。螺栓绝大部分应力分布在370MPa--390MPa之间，小于螺栓材料20℃时的屈服极限680MPa，螺栓也满足强度要求。

从中分面的接触状况中可以看出，中分面前半段气密性良好，后半段特别是与排缸结合的垂直法兰处由于垂直法兰的刚性很大，前面的螺栓预紧力很难传过去，此外，伸入排缸的那部分也没有布置螺栓，所以中分面后半段是张开的，无法密封，即使做水压试验时用工装板将最后伸入排缸的那部分包起来，也无法保证垂直法兰处的中分面不漏水，该处中分面的间隙为0.02mm左右。

3.3 结构改进后的分析结果

现将原来的中分面法兰厚度由110mm改为200mm，另水压试验时在垂直法兰中分面处增加一个螺栓，螺栓为M48，此处的水平面法兰厚度为100mm，计算结果如下图所示。

从上图中可以看出，汽缸绝大部分应力都在30 MPa以下，小于气缸材料20℃时的屈服极限，气缸满足强度要求。缸轴向最大变形量为0.4mm左右。

从中分面的接触状况中可以看出，中分面前面部分气密性良好，最后部分张开，但由于水压试验工装板是将伸入排缸的那部分包起来，所以在水压试验时水不会外漏。

3.4 结构改进后的成果

气缸在水压试充分验工况下，原结构无法保证中分面密封，会出现漏水。现将原结构的中分面法兰厚度由110mm改为200mm，并在中缸与排缸结合的垂直法兰的中分面处增加一颗M48的螺栓，计算结果表明，中分面具有良好的气密性，可杜绝中分面漏水现象。

4 中压缸在额定工况状态下的分析

针对以上改进后的结构（中分面法兰厚度由原来的110mm改为200mm），进行额定工况状态下的分析计算。

4.1 边界条件

气缸内表面的放热系数范围为0.01e-3 - 0.1e-3 W/（mm2*℃），气缸外表面的放热系数取为1.0e-6 W/（mm2*℃），汽缸表面环境温度设置为45℃（考虑到汽缸外壁保温层的作用）。汽缸导热系数及温度边界条件见下表：

4.2 额定状态下的分析结果

4.2.1 温度场分析结果

气缸和螺栓的温度场分布图，气缸温度在66—177℃之间，螺栓温度在73—157℃之间。

4.2.2 额定工况的分析

在额定工况分析中将温度场对结构的影响考虑进去，得到如下分析结果。

从下图气缸整体应力分布中可以看出，汽缸绝大部分应力都在60 MPa以下，小于气缸材料170℃时的屈服极限200MPa。所以气缸满足强度要求。

螺栓绝大部分应力分布在400MPa左右，小于螺栓材料150℃时的屈服极限640MPa，所以螺栓也满足强度要求。从气缸的变形图中看出，径向最大变形为2.3mm，这个变形量主要是有热膨胀引起的。 气缸中分面气密性良好，能保证中分面不漏气。

4.2.3 额定状态下的分析结果

气缸在额定工况下，螺栓和气缸的整体应力都小于其材料的屈服应力，都满足强度要求，中分面的气密性效果良好，气缸的变形主要是由热膨胀引起的。

5 结论

（1）水压试验时，需在中缸与排缸结合的垂直法兰的中分面处增加一颗M48的螺栓，可保证中分面不漏水。

（2）额定工况下，气缸中分面可保持良好的密封性（不需要在垂直法兰的中分面处增加螺栓）。

（3）在水压试验和额定工况下，气缸和螺栓的整体应力都小于其材料的屈服应力，都满足强度要求。

本文根据市场反馈的信息，从细微片结构入手，查缺补漏，结合计算软件的分析，对结构重新进行了核算，反复的验证，对后期机组的设计有着重要的意义，同时也对所有的设计人员的方案思考有着一定的启发，理论结合实际，实际反推理论，相互验证，具有一定的惊醒作用。

参考文献：

[1]张立维.高中压汽缸结合面漏汽原因分析及处理[J].应用科技，

2007（12）：103.

[2]沙飞，徐建石.C50-90/13-Ⅱ型 CC50-90/42/15型汽轮机汽缸漏汽及其解决方法[J].江苏电机工程，1993（06）：22，54-56.

[3]陈庆辉.N300-16.7/537/537-3汽机汽缸漏汽原因与治理[J].维护和修理，2014（05）.

[4]郭应红.安顺发电厂2号机高中压缸中分面漏汽处理[J].贵州电力技术，2001（01）：6-8，13.

[5]邓志敏，肖慧.汽轮机汽缸平面漏汽补焊修复方法[J].石油和化工设备，2015（11）：78-80.