俄供核电汽轮机端部密封面漏汽的分析与处理

2014-12-25薛彦春

科技视界 2014年26期

薛彦春

（江苏核电有限公司维修处，江苏连云港222042）

1 汽轮机高压缸结构概述

K-1000-60/3000型汽轮机组是由俄罗斯列宁格勒金属厂（简称：LMZ）生产制造。汽轮机总长51.8 m，总重2070 t，额定转速n=3000 r/min。汽轮机型式为：单轴、五缸（2个低压缸+1个高压缸+2个低压缸）、八排汽、中间去湿再热、冷凝式机组。汽轮机各缸由10级（2×5级）组成。汽轮机每根转子由位于联轴器两侧的两个椭圆形滑动轴承支撑，高压缸前轴承为径向—推力轴承。独立落地式轴承座。汽轮机基础平台由98组弹簧隔振器支撑。

高压缸为下猫爪支撑方式，四个猫爪落在前后轴承座上；高压缸为水平中分面，由外缸和内缸组成，其中外缸中分面有60个M100×4的螺栓紧固连接，内缸中分面有24个M90×4的螺栓紧固连接，汽缸材质为06Cr12Ni3Cu，螺栓材质为25Cr1MoV，螺栓的紧固方式为热紧，内缸螺栓热紧弧长为122mm，外缸热紧弧长为170mm，汽缸中分面采用汽缸密封脂密封；高压缸为5级双列（2×5级）对称布置，其中前两级（第1、2级）在内缸中，后三级（第3、4、5级）在外缸中，且设计有隔板套；高压缸进汽口位于外下缸的底部，四个进汽口在缸内混合成一个汽室，高压缸共有4级抽汽，分别从第2、3、4级及排汽口抽汽，通往6#高加、5#高加、除氧器及4#低加。

2 汽轮机高压缸端部密封面漏汽情况

机组运行期间，发现高压缸端部有漏汽迹象（有轻微蒸汽冒出）；在T103大修期间对高压缸进行了解体检查，中分面未见明显异常，并将内轴封体的挂耳沉度（挂耳压板的膨胀间隙）调整至下限（最大值），扣缸时对汽缸密封面进行了全面清洁检查，并均匀涂抹汽缸密封脂，大修结束机组投入运行后，发现高压缸端部仍有漏汽现象；在T105大修期间揭开高压缸的外上缸检查，发现汽缸前后端部密封面（内轴封体安装位置）有漏汽痕迹，内轴封体外侧与汽缸配合处的凸肩位置整圈有汽流冲刷痕迹，在T205大修高压缸解体检查时也发现与T105相同的情况（如图1所示）。

综合上述检查情况分析，高压缸端部密封面存在密封不严，导致蒸汽外漏。

高压缸端部密封面漏汽问题，对于汽轮机组的安全、稳定运行存在如下风险：

（1）蒸汽外漏，机组存在安全隐患，有人员烫伤的风险。

（2）蒸汽外漏，汽流会对密封面形成冲刷，影响密封面的性能。

（3）蒸汽外漏，影响机组效率。

（4）蒸汽外漏，设备可靠性差，影响机组的安全、稳定、高效运行。

（注：T103/T105分别指1号机组的第3次/第5次大修，T205指2号机组的第5次大修）

图1 高压缸端部密封面漏汽痕迹

3 原因分析

高压缸上、下半缸通过中分面的螺栓紧固连接，依靠螺栓紧力使上下半缸闭合，达到密封要求，由于K-1000-60/3000型汽轮机高压缸端部涡壳结构特殊，端部位置的中分面螺栓跨距较大，末端螺栓离轴封体的安装位置距离较远（见图2），螺栓对该部位汽缸约束力明显较弱，导致该区域的汽缸面形成一段很长的悬臂梁，螺栓紧力无法对该区域的密封提供帮助，使得该区域的汽缸面不能有效贴合，蒸汽从内轴封体凸肩与汽缸槽道配合间隙漏出，该区域蒸汽存在压差，由于汽缸密封不严造成蒸汽外漏。另外，在机组启停时受到较大的热交变应力，汽缸容易产生变形,也会造成汽缸结合面蒸汽泄漏。

1）汽轮机汽缸漏汽通常可能因素有以下几个方面：

【因素1】汽缸铸造完成，“时效”处理时间（即存放时间）较短，使其在铸造过程中所产生的内应力未完全消除，汽缸在以后的运行中会有变形，可能发生漏汽。

【因素2】汽缸运行时受力情况复杂，除了受汽缸内外汽体压力差、缸内各零部件的静载荷外，还要承受蒸汽流出静叶时对静叶的反作用力，以及各种连接管道（进汽、排汽、抽汽等管道）冷热状态下对汽缸的作用力，在这些力的相互作用下，汽缸会发生塑性变形。

【因素3】在检修过程中，如隔板、隔板套及汽封的膨胀间隙不合适，或是挂耳压板的膨胀间隙（挂耳沉度）不合适，运行后产生巨大的膨胀力使汽缸变形，可能发生漏汽。

【因素4】若使用的汽缸密封脂存在质量不好、型号不对、超过有效期限、有坚硬杂质颗粒等问题，就会影响密封性能，可能发生漏汽。

【因素5】汽缸中分面的螺栓紧力不足，机组启停和工况变化时，在汽缸及法兰上会产生较大的热应力和热变形，使得汽缸密封不严，可能发生漏汽。

2）K-1000-60/3000型汽轮机高压缸实际对应情况：

【实况1】汽缸在铸造完成存放时间较长，且在现场安装结束很长一段时间才投入运行，不存在时效处理时间短的问题，所以可以排除因素1。

【实况2】该因素属于汽轮机的共性问题，不排除因素2。

【实况3】每次检修时都对隔板、隔板套、汽封的膨胀间隙及其挂耳沉度进行检查测量调整，使其满足设计要求，所以可以排除因素3。

【实况4】一直使用国家正规厂家生产的汽缸密封脂，而且严格按照说明书使用，密封脂的有效期、型号、质量都不存在问题，而且回装时对汽缸中分面后进行全面的清洁检查，所以可以排除因素4。

【实况5】汽缸端部位置中分面螺栓跨距较大，末端螺栓离轴封体的安装位置距离较远，螺栓对该部位汽缸约束力明显较弱，在受到较大的热交变应力时，会造成汽缸端部密封不严，发生漏汽，所以因素5存在。

综上分析，高压缸端部密封面漏汽的原因为：螺栓紧力对汽缸端部的约束力较弱，汽缸在启停、运行过程中会产生热应力热变形，使得汽缸端部密封不严，存在内外压差时，就会造成蒸汽泄漏。

图2 高压缸端部结构

4 处理措施

由于汽轮机高压缸端部结构特殊，成蜗壳形状，该区域未设计紧固螺栓，而且内轴封体安装位置的汽缸壁较薄，该区域汽缸结合面的压紧力不足，受热膨胀变形，容易发生漏汽。为了阻止蒸汽外漏，需提高该区域汽缸密封的可靠性，同时该区域受设备自身结构特征的限制，无法通过添加紧固螺栓的方法来增加结合面的压紧力，束缚汽缸的变形，经过综合分析，采取在汽缸中分面上增加密封条的技术方法，补偿汽缸的变形量，阻止蒸汽外漏。

采取的技术处理措施：在汽缸中分面上垂直于漏汽方向的位置处开槽，在槽内安装密封条，阻止蒸汽外漏。

密封条型号：E型密封键；密封条材质：镍基材料ALLOY718，可耐700度高温，具有良好的韧性、弹性，抗疲劳能力强，镍基材料（ALLOY718）的线胀系数大于汽缸母材（06Cr12Ni3Cu），受热膨胀后能起到良好的密封效果，E型密封键有弹性可伸缩，能够补偿该区域的结合面变形，E型密封键的开口侧朝着汽流方向，阻止汽流漏出。

根据现场高压缸的结构特征及漏汽情况，参照E型密封键的尺寸参数，选取E型密封键的尺寸为：厚度7.49±0.15mm、宽度6.78mm，对应的开槽尺寸为：槽深6.2-6.35mm、槽宽8-8.2mm，槽长131mm，密封键的压缩量为0.99-1.44mm（见图3、图4）。

在2014年2月份T107大修期间，对1号高压缸端部前后四个角位置的密封面进行了技术改造处理。

具体的处理工艺如下：

1）开槽区域采取防异物措施。

采用青稞纸在开槽区域的高压缸排汽口位置粘贴防异物托盘，防

2）根据漏汽痕迹确定开槽位置。

根据汽缸中分面上的漏汽痕迹，确定开槽位置；开槽位置需垂直于漏汽方向，并尽量在汽缸面的纵向；并将开槽区域的汽缸面清理干净，露出金属光泽，确保汽缸面光洁、平整无高点。

3）开槽装置就位，划出加工线。

将开槽装置吊装到工作位置，根据开槽位置及定位螺纹孔等现场条件，使用工装将开槽装置固定，在开槽位置处划出开槽加工线，开槽长度要比漏汽痕迹宽度尺寸大10mm左右，开槽长度大约为131mmm。调整开槽装置底座，铣刀对准划线，并用直角规测量铣刀与划线的对准情况。

4）开槽装置轴向方向（Y方向）对刀调整。

首先对开槽装置的Y方向对刀调整：调整好灯光，根据开槽线位置，将主轴移动至开槽装置的端部，通过调整导轨底座位置使刀具对准待开槽线的端头，并且使导轨要平行于开槽线，确保在Y方向移动时刀具的走向要与开槽线重合。在拖板上的刀架周围架设百分表，百分表的指针垂直指向汽缸面，手轮操作开槽装置在Y方向移动，让刀架在待加工线方向手动走刀，监视百分表的读数变化情况，通过调整导轨底座的四脚高度，确保在走刀行程内百分表的读数变化不超过0.02mm，也就是刀头跳动不超过0.02mm（见图5）。止铁屑等异物落入缸内，在开槽的缸面上固定一块500×400mm规格尺寸的吸油毡，在吸油毡中间开一个200×50mm矩形口，开槽线位于吸油毡开口矩形的中心，吸油毡开口矩形四周用胶带粘好，防止铁屑、冷却液等异物从吸油毡的下方漏出，确保所有的加工铁屑都收集在吸油毡上方。

图3 E型密封键参数

表1

图4 开槽尺寸及密封键安装简图

图5 开槽装置轴向Y方向对刀调整

5）开槽装置垂直方向（Z方向）对刀调整。

根据加工方案，开槽尺寸为：槽宽8-8.2mm、槽深6.2-6.35mm、槽长131mmm。为了确保开槽深度的准确性，开槽分两次进刀加工，第一次进刀深度5.9mmm左右，第二次进刀后，总深度要达到8-8.2mm的尺寸要求。

刀具规格：硬质合金直柄槽键铣刀，刀刃直径8.0mm，刀尖刃磨R1.5圆角。

开槽装置Z方向调整：将刀具安装到刀架上，并固定好，在刀头下方的汽缸面上方放置一张薄纸，手动向下进给主轴，通过主轴箱上的数显标尺，可以监控铣刀在Z方向上的位移量，当铣刀正好接触到中分面时，停止进给并将标尺清零，完成Z方向找基准。在床台上架设百分表，表针指在主轴箱上，表座架在进给箱上，用于监测进刀量，开动主轴向下进刀，并监控数显表尺与百分表读数，待进刀深度达到要求尺寸时，停止进刀，锁紧主轴，即Z方向对刀完成（见图6）。

图6 开槽装置垂直Z方向对刀调整

6）开始车削加工。

在Z方向对刀完成后，启动Y方向走刀按钮，开始第一刀车削加工，车削过程要用冷却液对刀头进行冷却，车削过程及时清理刀头位置的铁屑，第一刀加工完成后，要进行退刀，将主轴升起，Y方向退回到起始加工位置并将槽道附近的铁屑及冷却液清理干净，测量槽道尺寸，用深度尺测量实际的开槽深度，用卡尺测量槽宽、槽长的尺寸数据，按照上述工序方法，接着对剩余量进行第二刀车削加工，加工过程同样做好在线监测，加工完成后按照同样方法升起主轴，Y方向退刀，铁屑清理，尺寸测量。

7）开槽尺寸、槽道表面光洁度检验。

开槽完成后，用磁棒、毛刷、吸油毡等清理槽道内的铁屑和冷却液，并测量槽道尺寸（槽宽、槽深、槽长），确保各加工尺寸都在要求范围内；检查槽道表面光洁度，并用什锦锉、细纱布等对槽道表面进行打磨处理，确保槽道表面平整、光洁、无毛刺（见图7）。

8）根据加工的槽道尺寸，配置合适长度的E型密封键。

根据槽道的实际加工长度尺寸，切割合适长度的密封键，密封键与槽之间需留有一定量的热膨胀间隙，密封键切割后，需对两端头进行修磨，确保端头圆滑无毛刺，对槽道及密封键进行清洁检查后，将密封键安装到槽内。