背壓式汽輪機支腿翹起的原因分析及處理

王 濤

(中國石化集團四川維尼綸廠,重慶長壽 401254)

1 概 況

T1701是我廠200 kt/a合成氨裝置氮氣壓縮機的驅動透平,其型號為N G25/20,系杭州汽輪機廠生產的背壓式汽輪機。其主要參數如表1。

表1 汽輪機參數

該汽輪機為兩側進汽背壓式汽輪機,蒸汽背壓壓力為0.6 MPa,約250℃,并入我廠6巴蒸汽管網作為它用。

2008年7月,在施工單位完成了汽輪機及其相關管道的安裝調試工作后,根據試車條件檢查確認表對相關內容進行了逐項確認,開始對該汽輪機進行單機試車。當操作人員按照操作規程對汽輪機暖機后,現場檢查發現汽輪機一側2個貓爪間隙發生了非正常變化,間隙從0.17 mm變為0,而另一側2個貓爪間隙為0.15 mm,在正常許可范圍之內。根據該現象判斷汽輪機發生了單側支腿翹起故障。當關閉相連暖機暖管閥門,冷卻下來后,單側翹腿現象消失。

2 原因分析及論證

造成汽輪機單側翹腿的原因比較多,主要從以下幾方面進行了分析。

2.1 透平熱膨脹的不均勻性導致翹腿

引起熱膨脹不均勻的因素有透平本身材料膨脹系數不同和工藝操作不規范兩個原因。

(1)透平上下缸本身材料膨脹系數不同

該型汽輪機上下汽缸材料均為ZG22Mo,由廠家提供的材質分析檢驗報告(詳見表2)可以判斷,缸體材料因素可以排除,因為上下缸材質相同,熱膨脹系數相同。

表2 材質分析報告

(2)工藝暖管暖機時間不夠造成膨脹不均勻

本機組采用背壓暖機,盤車電機驅動棘爪帶動透平轉子進行暖機。暖機采用6巴蒸汽(壓力0.6 MPa、溫度 220℃),36巴蒸汽(3.5 MPa、390℃)關到主汽門前。

汽輪機在冷態時,四個貓爪間隙均在0.15～0.20 mm之間,符合要求,其他安裝數據如同心度、水平度也符合要求。

2.2 配管施工質量

依據設計圖紙和規范 GB/T17116.1-1997《管道支吊架第一部分:技術規范》等施工技術規范檢查36巴蒸汽管道,6巴背壓蒸汽管道、漏氣管管道的支吊架活動部分、恒力支吊架是否隨管道熱位移正常工作,是否在合理范圍,導向裝置是否安裝正確,滑動板是否安裝到位。

通過對上述內容的實際檢查,發現在施工中存在如下問題:

(1)6巴蒸汽管道導向裝置滑動板未按規范加襯聚四氟乙烯板;

(2)6巴蒸汽管道的一處吊點未按圖施工;

(3)36巴蒸汽管道一處恒力支吊架鎖定裝置未拆除,造成恒力吊架變成了剛性支架,改變了管道的受力。

對上述施工中存在的問題整改后,再次暖機,汽輪機仍出現了支腿翹起現象。

2.3 熱力管道附加綜合熱膨脹力大于汽輪機殼體質量,將其偏心頂起,從而造成汽輪機翹腿

即管道對設備產生的推力及力矩過大引起汽輪機非正常變化。

大家知道,管道的設計特別是熱力管道的設計,管道應力分析和計算是其中的一項重要內容。其應力分析與計算主要包括對管系的柔性計算和管系的應力驗算兩個部分。并主要體現在管道對設備的推力及力矩計算上。

管道對汽輪機產生的推力及力矩,主要是因熱脹冷縮、冷緊、附加位移及其他約束位移、持續外載(包括管道的自重及支吊架反力)等造成的。影響推力及力矩的因素較多,主要體現在管道的布置、管子的幾何尺寸、鋼材的特性、支吊架的布置及形式、運行參數及預冷緊等方面。

基于以上分析,對與汽輪機相連的管道進行了實際察看及判斷,結果如下。

(1)管道的布置 該設備及管道安裝在已有裝置位置,且周圍設備管道繁多,為管道設計增加了極大難度,整個管道的設計在柔性方面缺陷較大。

(2)管道的幾何尺寸 與汽輪機連接的高溫管道主要有 36巴蒸汽管道DN150主管1根、DN150支管2根,6巴蒸汽管道(DN250)1根,漏氣管DN100 1根,汽輪機輪式疏水管DN25 1根、平衡疏水管DN15 1根,汽封冷卻器進口蒸汽管DN25 1根。從以上數據可以看出,管道公稱直徑均不大。

(3)管道鋼材特性 管道材質分別為15CrMo (36巴蒸汽管用)和20號鋼(其他管道用),此兩種材質均為較普通的材質,無非常特別的性質。

(4)支吊架的布置及形式 本管系主要有承重支吊架和限位支吊架兩種。其中,承重支吊架共7個,限位支吊架2個。

(5)運行參數及預冷緊 管道介質的運行參數均在正常操作范圍之內,未超設計。對相關法蘭螺栓進行了預冷緊。

當管道對汽輪機的推力及力矩較大時,會使汽輪機產生中心偏移。從廠家的隨機資料中得知,該汽輪機殼體質量約2 500 kg(質量較小)。為確定管道對汽輪機的力及力矩,我們委托汽輪機廠家根據設計院提供的管道現場布置圖等相關資料對汽輪機各管口的允許力等依據NEMA的相關公式進行了核算,結果如表3。

從表3得知,11項核算結果中有8項顯示計算不能通過,僅有3項通過,由此可以判斷,與汽輪機相連的管道對設備產生了不合適的力及力矩,造成了汽輪機單側翹腿。

表3 汽輪機各管口允許力計算結果

3 處理措施

(1)根據管道對設備的推力及推力矩的校核意見,設計人員對與該汽輪機相連的蒸汽管道(主要是36巴和6巴)進行了重新布管,增加了熱膨脹彎,改變管道走向,進而增加了整個熱力管線的柔性。根據新的管線布置,汽輪機力及力矩值的校核結果通過。

(2)對管道上的各滑動支撐點的接觸面加襯聚四氟乙烯板,減少摩擦系數,以便于管道能按照設計計算的方向正常膨脹。

通過上述處理,該汽輪機在暖機及隨后的運行中再未發生支腿翹起現象。

4 結 語

(1)對于復雜場所的改造項目,應將管道特別是熱力管道的柔性設計放到突出位置,做到管道布置合理,補償良好,支吊恰當。

(2)對于較小質量的背壓式汽輪機,因其對熱力管道的推力和力矩的反應更加敏感,故在汽輪機暖機、運行時須加強支腿間隙的檢查,及時分析處理異常情況,避免造成設備損壞。

(3)對于包含熱力管道及大口徑(或大應力)管道的技改擴建,須加強管道的施工質量管理,特別是管道支架、吊架、固定點的管理。