汽轮机高压段螺栓拆卸工艺的优化

杨启帆，朱 杰，郑 鹤，卢志勇

(中海石油化学股份有限公司 海南东方 572600)

1 设备简介

中海石油化学股份有限公司450 kt/a合成氨装置中的合成气压缩机汽轮机103JT为单缸、抽汽冷凝式，型号为5EH- 6BD，缸体为水平剖分式，高压段上下缸体由20颗帽形螺母螺栓紧固在一起。103JT主要性能参数如表1所示。

2 103JT汽缸螺栓拆卸程序

103JT由高压段(进汽段)、中压段(抽汽段)和低压段(排汽段)组成，缸体中分面螺栓规格型号分别为高压段12颗M80X3X406(图1中1～6和11～16)、中压段8颗M64X3X341(图1中7～10和17～20)，均采用帽形螺母螺栓。

汽轮机大修都需拆卸水平结合面的螺栓以吊离上汽缸大盖，是汽轮机检修不可缺少的工序。汽缸螺栓在检修时的拆卸或回装均在加热状态下进行，其基本原理是通过加热螺杆，使其发生线性膨胀而到达预期效果。103JT高压段M80X3X406螺栓的安装和拆卸采用220 V/1.25 kW的电加热器加热螺杆，而中压段M64X3X341的螺栓采用气焊将螺杆加热至400～450 ℃后加扳手套管多人配合拆卸螺母，具体操作步骤如下。

图1 103JT螺栓分布

表1 103JT主要性能参数

项目参数型式抽汽冷凝式透平级数/级6轴功率/kW13 208额定功率/kW15 153转速/(r·min-1)13 412脱扣转速/(r·min-1)15 601一阶临界转速/(r·min-1)5 250二阶临界转速/(r·min-1)24 300上半缸质量/kg6 000TTV阀质量/kg5 000设计进汽量/(kg·h-1)216 800设计最大进汽压力/kPa(表压)11 870设计最高进汽温度/℃505设计抽汽量/(kg·h-1)203 000设计最高抽汽压力/kPa(绝压)4 600设计抽汽温度/℃381排汽压力/kPa(绝压)12设计排汽温度/℃49.4旋转方向(自进汽端看)逆时针转子质量/kg1 250总质量/kg19 000

(1) 在拆卸螺栓前应了解缸体温度，缸体温度降至80 ℃以下才允许拆卸螺栓。

(2) 对缸体所有紧固螺栓螺母进行编号并做好复位标记，同时在缸体法兰上注明，以简化回装程序，避免装配出错。

(3) 在螺母顶部注油孔中加入适量防锈润滑剂，使其浸透螺纹，便于拆卸。

(4) 清理螺帽四周并吹通加热孔，按从汽缸两侧中间螺栓开始、对称向两端顺序进行的原则拆卸螺栓。

(5) 在加热松卸螺帽时，中压段M64X3X341螺栓未设置中心加热孔，可用氧-乙炔火焰对螺帽进行加热，为保证螺栓受热均匀，应采用2把割炬在螺帽两侧同时进行加热。M80X3X406螺栓设有中心加热孔，采用特制的钢直流电加热器配以加热棒进行加热，加热棒的有效发热长度应大部分在螺孔内，露出的发热长度不应超过25 mm。

(6) 加热时，采用红外线测温枪监测加热温度。M64X3X341螺栓加热至其螺母外壁温度至400～450 ℃，M80X3X406螺栓加热至其螺母外壁温度在145 ℃左右为宜。

(7) 当加热温度达到规定指标后，用手锤轻轻敲击螺帽而发出沉闷的“嘶哑”声时，表明螺纹已出现间隙，此时即可根据螺栓规格及安装位置空间选择合适的扳手拆卸螺母。

3 螺纹“咬死”事故案例及原因分析

该合成氨装置投运至今共经历了6次大修，其中在2006年5月、2007年4月和2009年3月连续3次大修过程中，在对汽轮机缸体的M80X3X406螺栓拆卸时，部分螺栓加热温度已超过控制指标，且用塞尺检查螺帽端面已离开法兰，但仍无法拧动螺帽；有部分螺帽已松动，但拧转了1扣以上后无法再继续拧转，此刻可以判定螺纹发生卡涩或者“咬死”。当螺纹“咬死”时，均采用气焊切割螺帽的方法破坏螺母，再将汽轮机上盖送机械加工厂取出螺杆，增大了检修工作量。

通过对检修安装过程的分析，103JT出现螺纹“咬死”的可能原因如下[1]。

(1) 拆卸螺栓时汽缸温度偏高，缸体因受热膨胀而使得螺栓加热后达不到规定的伸长量；此外，停机后螺栓的温度下降得比汽缸快，螺栓温度低于汽缸温度，由此产生的螺栓冷缩使其紧固力比正常运行时反而增大；再加上温度高时材料硬度低，此时拆卸螺栓就可能造成螺纹“咬死”。

(2) 螺纹表面粗糙或存在毛刺，回装时未清理干净就盲目旋上，导致出现螺纹“咬死”。

(3) 装配时没有涂润滑剂及高温防咬合剂，螺栓长时间在高温和高压环境下工作，使得螺纹之间因受挤压而产生咬合现象。

(4) 没有严格按照规程进行拆卸，或者加热时间过长致使螺纹因温度太高而“咬死”，或是加热时间不足而使得螺栓未能有效伸长。

(5) 螺栓加热时受热不均匀，因局部过热而破坏材料的机械性能，同时因温差应力过大导致螺纹产生裂纹。

(6) 螺栓长期在高温下工作，表面高温氧化严重，形成坚硬的氧化膜。在拆卸螺帽时，由于氧化膜被拉破并在螺纹表面产生毛刺，造成螺纹“咬死”。

(7) 由于加工质量不良，螺纹的光洁度太差，造成螺纹间的配合间隙较小而引起螺栓旋转卡涩或者“咬死”。

4 螺栓热紧时的理论伸长量

如图2所示，103JT高压段螺栓热紧方法是先将螺栓冷扳到位，再加热后旋转一定的弧长K，K按式(1)进行计算[2]：

图2 103JT高压段螺栓热紧旋转弧长示意

K=DΔL/S

(1)

式中：D——螺母的外径；

ΔL——螺栓理论伸长量；

S——螺距。

考虑到结合面处汽缸和螺栓的收缩变形、密封涂料减薄等影响因素,螺母拧紧的转动弧长K应乘以一个系数,其数值一般取1.3，即：

K′=1.3K=1.3DΔL/S

(2)

根据103JT的说明书，M80X3X406螺栓最终热紧弧长K为103 mm，D为125 mm，S为3 mm，按式(2)可计算得到热紧时螺栓理论伸长量ΔL为0.606 mm。

由此可知，103JT高压段螺栓拆卸时，理论上必须保证其伸长量达到0.606 mm以上才能实现拆卸螺母的目的。

5 螺栓拆卸工艺的改进

连续拆卸汽轮机高压段螺栓需要电加热器不停加热，这必定会造成汽缸温度不断上升，无法达到螺栓热膨胀伸长量所需的相对温度；若继续升高螺栓温度，螺栓将会出现较大的变形，造成应力太大。为了防止汽缸温度上升，可在电加热器加热螺栓的同时，将空气管塞入周围螺栓的加热孔中以帮助汽缸散热，防止汽缸温度快速上升。为了比较电加热器加热螺栓过程中汽缸的温升情况，在2015年4月103JT大修时，在103JT两侧对称的3号和11号螺栓加热的过程中，分别测量汽缸温升情况，结果如表2所示。

表2 103JT汽缸温升情况 ℃

从表2数据可看出，与不用空气冷却汽缸相比，用空气冷却汽缸后，汽缸温度最大可下降12 ℃。

在一定温度范围内，物体受热后的伸长量ΔL与温度的增量ΔT近似成比例，与原长L亦成正比，即：

ΔL=αLΔT

(3)

ΔT=t1-t0

(4)

式中：t1——螺栓温度；

t0——汽缸温度；

L——螺栓长度；

α——材料线膨胀系数。

103JT汽缸螺栓螺杆材质为20Cr1Mo1VTi，螺母材质为25Cr2Mo1V，查询有关设计手册可知螺杆的线膨胀系数α=17×10-6。根据式(3)和式(4)，计算得到11号螺栓不加空气管时螺杆的伸长量ΔL1和加空气管时螺杆的伸长量ΔL2分别为0.587 mm和0.669 mm。由此可知，加空气管后，螺帽温度达到145 ℃时，缸体温度保持在50 ℃以下，螺杆热膨胀伸长量大于螺杆的理论伸长量(0.606 mm)，达到拆卸螺母的目的。特别是在连续拆卸螺栓时，汽缸温升更大，加空气冷却可降低汽缸温度，保证螺栓的伸长量符合要求。

6 改进后的效果

103JT继2009年大修后， 分别在2013年和2015年经历了2次开盖大修，在改进螺栓拆卸工艺后，均未出现汽缸高压段螺栓损坏问题。此外，2013年1月在中海石油建滔股份有限公司600 kt/a甲醇装置合成气机组高压汽轮机大修、2016年3月在中海石油化学股份有限公司海南基地300 kt/a合成氨装置合成气压缩机汽轮机和氨压缩机汽轮机大修过程中，通过采用改进后的螺栓拆卸工艺，实现了汽缸高压段螺栓的顺畅、安全拆卸，说明改进后的螺栓拆卸工艺是行之有效的。