某型50 MW機組噴嘴現場取出工藝研究

杜炳千，魏 棟，吳 晗

(上海電氣電站設備有限公司汽輪機廠，上海200240)

石油、化工、鋼鐵和生物質發電等工業生產過程中存在需要大量余能和余熱的工序，不同的生產需求配置了很多不同類型的汽輪機，目的在于充分發揮不同類型汽輪機熱能多次梯級利用的優點，以實現提高生產的綜合效益的目的。到目前為止，汽輪機無論在生產電能還是供應熱能方面，都發揮著重要的作用[1]。早期由國內某主機廠設計制造的50 MW汽輪機，主要用于石化類企業供熱及自備發電。本文主要介紹了一種具有T型結構截面，現場拆除更換極難拆除的噴嘴的一種工藝方法，目的在于解決該類型機組噴嘴拆除、更換問題，對現場拆除噴嘴及具有類似結構的預扭葉片現場拆除具有指導意義。

1 問題描述

蒸汽進入汽缸后首先需要經過噴嘴，噴嘴是由相鄰的靜葉片構成的汽流通道，它的作用是將蒸汽的熱能變成動能。通常汽輪機的第1級噴嘴都直接裝在汽缸噴嘴室的T型槽中[2-3]。噴嘴組分成4組，鑲嵌在噴嘴室內。每段噴嘴組的一端固定，打定位銷作固定點，另一端可自由脹縮，并裝有密封鍵。噴嘴葉片與內外環采用整體電脈沖加工的結構，這不僅可以增加強度，而且可以保證工作時的汽密性。噴嘴在下半的安裝狀態如圖1所示。

圖1 下半噴嘴安裝示意圖

噴嘴截面呈T字型，分2段安裝在蒸汽室的T型槽內，噴嘴安裝到位后，以噴嘴上預加工的孔為基準，鉆定位銷孔，孔加工深度至蒸汽室厚度一半，安裝定位銷后噴嘴通過點焊固定在蒸汽室上。機組運行后，由于噴嘴及蒸汽室部件應力釋放、材料蠕變、配合面氧化皮結垢等因素影響，在噴嘴受損傷或需要對噴嘴進行改造時，無法在不損傷T型槽的前提下將噴嘴現場直接拆卸。

此時的常規處理方法為采用氧乙炔火焰切割和角磨機切割。這2種方式除耗費大量的人力、物力外，還存在一定的技術風險和人員傷亡隱患。

某電廠機組運行期間，汽缸內進入異物，導致噴嘴損傷，在機組大修期間，更換噴嘴時出現噴嘴無法拆卸的情況。現場檢修隊伍使用了拔銷器，采用了火焰烘烤、機械切割等方式嘗試取出噴嘴，均未成功。這不但耗費了大量的資源成本，還出現了蒸汽室輕微損壞的情況。因此，在不損壞槽道的前提下現場快速、高效、準確地取出該噴嘴及具有T型結構的葉片非常有必要。

2 解決方案及工藝分析

2.1 結構分析

制造廠內噴嘴裝配工藝顯示，每段噴嘴在兩端都需配有門型密封鍵，門型密封鍵卡在噴嘴T型大頭側密封槽內，其內側面同噴嘴外側有間隙，門型密封鍵插入噴嘴內有過盈量。密封鍵與噴嘴安裝結構如圖2所示。

圖2 門型密封鍵安裝示意圖

兩端密封鍵試裝配間隙合格后，將噴嘴滑入槽道，噴嘴下部端面與蒸汽室端面平齊后，將噴嘴點焊固定，同時鉆鉸定位銷孔，安裝定位銷后點焊固定定位銷。噴嘴也需要點焊固定在蒸汽室上。噴嘴定位銷安裝結構圖如圖3所示。

圖3 噴嘴定位銷安裝結構圖

該類型具有T型截面結構的噴嘴安裝方式具有如下幾個特點：

1)機組運行年限比較長，由于熱變形，門型密封鍵與噴嘴及蒸汽室間的間隙已逐漸消失；

2)原結構設計的噴嘴取出螺紋直徑過小(M20)，使用拔銷器嘗試沖擊取出噴嘴時已損傷該螺紋；

3)噴嘴固定定位銷較深，加上機組運行時間長，銷子無法通過拔銷器正常取出，破壞性取出時底部容易殘留銷子頭；

4)除了門型密封鍵區域，噴嘴與蒸汽室之間接觸的騰空空間已充滿氧化皮；

5)蒸汽室內側為進汽通道，噴嘴上脫落的異物會直接掉入蒸汽通道，異物掉入下半后很難清理；

6)汽缸較長，缸體直徑小，內部空間有限；

7)分段解體后，由于汽缸變形，回裝非常困難。

2.2 加工方案分析

在對缸的結構以及運行狀況進行分析后認為，噴嘴取出的過程需要在蒸汽室槽道不被損傷的前提下實現，并要求異物不得落入蒸汽室進汽管道內。

根據上述要求，對常規的噴嘴取出工藝方法進行了工藝分析：

1)火焰切割。該方法存在切割面不平整、發熱量大，可能導致缸體變形及損壞蒸汽室配合面等問題。

2)千斤頂施加拉力取出和拔銷器施加沖擊力取出。由于金屬變形、氧化皮填充等原因，因大面積的摩擦力而無法取出噴嘴。且此方式強力取出會造成蒸汽室槽道內密封面被拉傷。兩種拉出式取出方法示意圖如圖4所示。

(a)千斤頂施加拉力 (b)拔銷器沖擊力

3)角磨機切割。該方法存在工作量大、部分位置切不到、切深不可控等問題，非常容易損傷蒸汽室配合面，且一旦操作不當，會產生角磨片崩碎飛出傷人等問題。

因此以上幾種方法實現噴嘴取出難度非常高。

噴嘴的取出要求必須保護好蒸汽室內的槽道，因此，考慮在噴嘴T型截面處整圈沿著軸向加工出一定尺寸的卸荷槽，控制卸荷槽深度方向，使其不損壞蒸汽室內壁。當卸荷槽尺寸達到可使門型密封鍵脫開時即滿足要求。初步工藝加工方案如圖5所示。

(a)直通一字式路徑

卸荷槽需要兩條，將一字式卸荷槽同直角L型進行比較：由于材料膨脹、蒸汽室變形等原因，噴嘴T型定位肩與蒸汽室內配合面已緊緊貼牢，一字式卸荷槽無法使該部位應力釋放掉，而L型槽可以使噴嘴同蒸汽室配合部位應力大幅釋放。因此選擇了直角L型路徑作為刀具加工路徑。

綜上所述，有必要開發一種回轉式便攜式冷加工設備及工藝，快速定位，高效加工，以實現在不損傷槽道的前提下拆除具有T型結構的噴嘴及預扭葉片等難拆除部件的功能。

3 工藝實現

3.1 設備結構及工作原理

在傳統工藝方法存在不足的前提下，兼顧設計、安裝工藝要求，本文開發了一種適應性強的專用設備，用于取出噴嘴。設備安裝工位如圖6所示。

圖6 設備安裝工位

具有中心主軸的回轉式鏜床安裝在汽缸中分面上，設備通過驅動單元的接口與橋式吊架連接，主軸與汽缸中心的對正通過墊箱及調節機構來實現。刀架上有兩軸十字拖板，X/Z向可通過導軌滑塊帶動刀具移動，X/Z向進給均采用伺服電機控制。主軸采用了伺服電機配齒輪減速機，可實現程序控制切削加工。

設備具有以下幾個特點：

1)采用模塊式結構設計，能夠快速安裝定位；

2)主軸采用了2.5 kW伺服電機，切削能力強，加工效率高；

3)采用兩軸數控進刀，切削量可控。

3.2 具體工藝方案

在不損壞槽道的前提下，要現場實現噴嘴取出，首先需要對噴嘴本體結構、裝配結構、材料和機組運行后噴嘴結構變形等影響噴嘴取出的因素進行梳理。在此基礎上，結合產品工藝文件中規定的關于噴嘴的現場安裝工藝，制定適用于現場情況的不損壞槽道的噴嘴取出方案，主要工藝流程如圖7所示，加工后效果如圖8所示。

圖7 噴嘴現場取出工藝流程圖

圖8 加工后效果

取出前先對噴嘴中分面M20螺紋孔進行改造，將其改造成M30螺紋，配如圖4所示的拔銷器一副。然后，在槽道內注入松動劑，靜置2 h。最后對拔銷子上部進行撞擊，底部配合敲擊，取出噴嘴，取出過程如圖9所示。

圖9 噴嘴取出過程示意圖

噴嘴取出后采用火焰加熱烘烤槽道，然后在槽道內澆常溫水。氧化皮遇冷后，會迅速冷卻而爆裂，與本體表面分離，這樣，使用油石打磨氧化皮就變得容易了。最后，測量槽道尺寸，進行密封鍵的配做。新噴嘴的安裝參照產品工藝即可完成。

4 結 論

本文針對具有T型截面結構及門型鍵密封的滑入式噴嘴難以拆除的問題，介紹了一種現場使用便攜式設備加工卸荷槽，然后用工具對噴嘴進行快速且不損壞配合槽道的破壞式取出方法。該方法相對于傳統取出方法具有不損壞配合槽道、快速高效的優勢。后續該方法可在具有T型結構的滑入式葉片破壞性取出場景進行推廣。