某型汽轮发电机组前汽缸蒸汽室壁厚超差问题分析处理

2020-08-27戴娜娜刘忠诚

中国修船 2020年4期

戴娜娜，江攀，刘流，刘忠诚

(上海船舶设备研究所，上海 200031)

汽缸是承受高温高压的密封容器，承受着缸内外气体的压差、汽缸本体和缸体内零部件的重量等静载荷。由于沿着汽缸的径向和轴向，温度分布不均，特别是当快速启动、停机和工况变化时，将引起温度急剧变化，因此在汽缸和法兰处会产生很大的温度应力和热变形[1]。在设计中，要保证汽缸的形状简单、对称，壁厚变化均匀，在满足刚度和强度的情况下，尽可能减薄缸壁厚度。

1 壁厚超差现象

某型汽轮发电机组前汽缸蒸汽室盖在加工顶部螺纹孔的过程中，当预钻钻孔深度约为45 mm时，发现螺栓孔被打穿，问题螺栓孔位置示意图如图1所示。在加工第6台汽缸时，也存在同样的位置螺栓孔被打穿的现象。随后对前汽缸木模进行了检查，发现木模制造错误，将圆心(SR100,305)制造成为(SR100,340)，导致蒸汽室盖壁厚不足。

图1 问题螺栓孔位置示意图

汽缸铸偏时尺寸示意图如图2所示。图2壁厚最薄处，左右两侧相同，按照图纸理论尺寸，前汽缸壁厚最薄处约为60 mm，将圆心(SR100,305)制造成为(SR100,340)，图1(b)中标识出前汽缸最薄处约为35 mm。

图2 汽缸铸偏时尺寸示意图

2 应力计算分析

基于前汽缸蒸汽室目前的实际状态，需考核前汽缸蒸汽室盖部分在壁厚出现偏差时应力的变化值，考核前汽缸蒸汽室盖在目前的实际状态下是否满足使用要求。根据目前的实际情况，暂定以螺纹孔离汽缸壁面最小距离为5 mm进行计算，并与设计值进行对比计算，如计算结果显示5 mm可以满足使用要求，则后续处理方案按螺纹孔与汽缸内壁面距离5 mm进行处理。文中用软件ABAQUS对模型进行应力及密封性能计算。

2.1 前汽缸壁厚超差应力分析

由于需要评估部位仅为蒸汽室，故仅需将蒸汽室部分单独建模进行简化计算即可。将前缸部分使用D900的圆切开，保留蒸汽室盖部分，再将底面密封，形成密闭腔室与实际机组安装状态保持一致；同时去除蒸汽室与蒸汽室盖的定位销孔、圆角等特征，形成如图3所示模型。

图3 有限元计算几何模型示意图

使用ABAQUS网格划分功能，为模型进行网格划分，网格类型选用C3D10MT，尺度为10 mm，螺栓位置进行局部加密。

根据机组的设计参数，在高参数及超载工况下，蒸汽参数：内腔压力5.8 MPa，温度415 ℃；外部大气压0.1 MPa，温度50 ℃。该螺栓为合金钢螺栓，并施加了螺栓预紧力，蒸汽室盖与蒸汽室为接触边界条件。分析步设置为计算静力分析步与压力—温度耦合分析步。

有限元计算主要考察位置示意图如图4所示，主要考察6个位置的应力变化。其中，位置1～4为缸壁圆角处，该位置由于壁厚减薄，导致应力水平上升，需考核其应力是否满足要求；位置5、位置6是螺纹孔底孔位置，由于孔底与缸壁距离减少，需评估按照目前距离为5 mm状态，应力是否满足要求。

图4 应力考核位置示意图

汽缸材料为ZG20CrMo，在纯压状态下全局许用应力为131.0 MPa，局部区域最大许用应力为196.5 MPa；在热态下，其许用应力为393.0 MPa。

纯压工况下，在壁厚减薄的情况下，蒸汽室内腔倒圆处峰值应力略有上升，应力由之前的约75 MPa升至约100 MPa，但仍远小于局部区域峰值许用应力196.5 MPa[2-3]。

热耦合工况下[4]，许用应力为393 MPa，远远大于实际所受应力。

对2种工况的计算结果进行了汇总，结果见表1。由表1知，在目前的实际状态下，两工况的应力较设计工况均有不同程度的增加，但增加值较小，仅在位置1处增加25 MPa,达到100 MPa，但仍远小于许用值196.5 MPa；当安全余量大于或等于1时为合格，6个位置考核结果都是合格的。

表1 考核位置结果汇总表

2.2 前汽缸密封性能分析

对本机组的密封考核要求为运行后不应出现螺栓外漏现象，即密封面接触压力应至少有连续1圈超过1.5倍的汽缸内蒸汽压力，即7.5 MPa。

对于本机组，密封需考核蒸汽室密封面接触压力。考核工况为纯压工况、热态运行工况及经过长期运行(100 000 h)后螺栓松弛条件下的工况。根据目前方案，镶套位置由于低于密封面，该位置不与蒸汽室盖接触，减小了密封接触面，故需进行有限元计算，考核其密封性。

在蒸汽室盖上增加D46的孔，用来模拟该位置蒸汽室与蒸汽室盖不接触状态(目前该方案不接触区域仅为直径36 mm的圆)，网格划分原则与应力考核时相同，密封计算有限元网格模型如图5所示。

图5 密封计算有限元网格模型

按照机组的运行参数最高工况进行分析，该螺栓为合金钢螺栓，并施加了螺栓预紧力；蒸汽室盖与蒸汽室为接触边界条件。分析步设置为计算静力分析步、压力—温度耦合分析步以及经过长期运行后，螺栓预紧力降低后的分析步。

依据密封考核要求，对于本机组，密封考核内容为运行后，不应出现螺栓外漏现象，密封计算结果见图6，分别在3种工况下的密封面压应力云图，为便于观察，本文只截出我们重点关注的左右边缘的4只螺栓所在区域，从图6可以看出，设计状态与当前状态压应力水平基本一致，应力水平约为45 MPa，且均未出现螺栓外漏的情况。密封状态基本无影响。

综上所述，该铸造偏差虽然一定程度上造成峰值应力升高，但在光孔底部距离内腔5 mm时，蒸汽室所受应力仍远小于许用值，可以安全运行。

3 处理方案

因汽缸问题发现较早，汽缸还未进行研磨及水压试验，因此对前汽缸采用镶套的方式进行处理，即对打穿的螺纹孔进行镶套处理，保证汽缸最小壁厚处大于5 mm，处理完成后，按图纸要求进行整缸泵水试验，试验压力8.4MPa,持续10 min，无泄漏。

1)在问题螺纹孔同心位置钻攻7个M36×3螺栓孔，钻穿。

2)加工7只螺塞，材料选用20CrMoA，螺塞材料须进行复验并形成记录。

3)将螺塞装配至螺孔位置，螺塞装配时，螺塞顶部距蒸汽室上表面5 mm，注意：旋塞安装时，在汽缸内壁采用顶锥施加反作用力，保证旋塞拧紧，所需力矩由厂工艺制定。可使用耐高温密封胶涂抹螺纹位置。保证螺塞顶部距离蒸汽室上表面5 mm的同时，还应保证螺塞底部不凸出底面，如发现螺塞凸出底面，应将螺塞从底部截短修磨后重新装配。