汽輪機(jī)進(jìn)汽閥門靜環(huán)壓盤螺栓斷裂分析處理

夏增陽，曠 慶，邸志剛，蘇達(dá)秋

（中廣核核電運(yùn)營有限公司，廣東深圳 454000）

0 引言

某百萬級機(jī)組電站汽輪機(jī)中壓汽門是汽輪機(jī)中壓缸進(jìn)汽調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，在機(jī)組功率運(yùn)行200 MW 以下，按照調(diào)節(jié)信號的要求，直接調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的負(fù)荷或轉(zhuǎn)速，承擔(dān)著汽輪機(jī)進(jìn)汽調(diào)節(jié)的具體功能。中壓汽門對調(diào)節(jié)信號的響應(yīng)特性將直接影響機(jī)組運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。當(dāng)汽門出現(xiàn)卡澀或者卡死無法關(guān)閉，甚至多個汽門同時故障，不能及時關(guān)閉導(dǎo)致機(jī)組超速，會嚴(yán)重影響機(jī)組的日常運(yùn)行。根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合現(xiàn)場檢修經(jīng)驗，逐一分析排查確定設(shè)備故障原因，并根據(jù)故障原因制定相應(yīng)的處理措施，大大提高設(shè)備的安全性與穩(wěn)定性。

1 汽輪機(jī)中壓進(jìn)汽閥結(jié)構(gòu)

某電站中壓汽門閥體類型為蝶閥，閥碟與閥體的材質(zhì)為碳鋼鑄造。在汽門的驅(qū)動端主軸上設(shè)計鍵槽、凹槽來固定曲軸與連接驅(qū)動機(jī)構(gòu)。驅(qū)動機(jī)構(gòu)的活塞桿端部通過球軸承與曲軸連接。油動機(jī)便通過活塞的運(yùn)動操作蝶閥的開啟與關(guān)閉。

為縮小汽門尺寸、簡化抽氣系統(tǒng)、提高機(jī)組熱效率，采用突破性設(shè)計，使用機(jī)械密封替代原軸封式密封。閥軸兩端各安裝1 套裝機(jī)械密封，將蒸汽與軸承隔絕。機(jī)封外側(cè)安裝有隔熱屏、軸承、壓蓋，非驅(qū)動端另外加裝散熱裝置。

中壓汽門的機(jī)械密封通過螺栓與軸承室相連。正常運(yùn)行情況下，機(jī)械密封的靜環(huán)法蘭與軸承室保持相對靜止，實現(xiàn)其連接緊固的功能，即靜環(huán)法蘭在閥門動作的過程中不會動作，不會引起閥門的卡澀，對機(jī)械密封的功能沒有影響。

2 機(jī)械密封的故障現(xiàn)象、原因分析及處理措施

2.1 故障現(xiàn)象

M01 大修中，機(jī)械人員在拆卸汽輪機(jī)中壓汽門機(jī)械密封過程中，發(fā)現(xiàn)部分機(jī)械密封靜環(huán)法蘭螺栓斷裂咬死。經(jīng)過技術(shù)人員分析討論后，決定對留在軸承室螺栓孔內(nèi)的斷絲進(jìn)行取斷絲處理，然后更換機(jī)封法蘭螺栓。而在隨后檢修的過程中，其余中壓汽門均出現(xiàn)相同的故障現(xiàn)象，咬死斷裂的螺栓則委托機(jī)加工進(jìn)行取斷絲處理。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖1 所示，機(jī)械密封斷裂螺栓如圖2 所示。

圖1 機(jī)械密封結(jié)構(gòu)

圖2 機(jī)械密封斷裂螺栓

2.2 原因分析

根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場運(yùn)行工況，歸納閥門機(jī)械密封靜環(huán)法蘭連接螺栓斷裂的因素有以下3 個方面：

2.2.1 螺栓過長過細(xì)，造成較高的咬死風(fēng)險

原設(shè)計中的靜環(huán)法蘭螺栓的型號為M10×50，已知設(shè)備的相關(guān)尺寸如下：機(jī)封法蘭厚度：18 mm；彈簧墊圈厚度：3 mm；計算得螺栓擰入深度=50-18-3=29 mm。

查詢標(biāo)準(zhǔn)JB/GQ 0126—1980，M10 的不銹鋼螺栓的擰入深度應(yīng)≥10 mm，原設(shè)計的擰入深度為29 mm，長度過長大大增加了螺栓咬死的風(fēng)險。

根據(jù)機(jī)械密封受力情況，計算靜環(huán)法蘭連接螺栓擰入深度：

其中L'e 為：

式中 N——軸向力，N

df——螺栓外徑，mm

f——安裝力矩，N·m

L′e——最小擰入深度，mm軸向力計算：

式中 Csi=40 N·m；Rm（A4-80）=800 MPa；

Re（A4-80）=600 MPa。A4-80 屬奧氏體不銹鋼，相當(dāng)于碳鋼材質(zhì)的螺栓強(qiáng)度對應(yīng)的8.8 級。M10 的奧氏體不銹鋼連接螺栓的破壞力矩為74 N·m。雖然不銹鋼材質(zhì)的螺栓具有良好的延展性，但其硬度相比碳鋼材質(zhì)的螺栓依然存在一定的差距。鑒于螺栓工作在高溫潮濕的環(huán)境，此螺栓材質(zhì)選擇不銹鋼更為合適。

將以上分析內(nèi)容匯總，原因分析匯總見表1。

表1 原因分析匯總

2.3 處理措施

綜上所述，靜環(huán)法蘭連接螺栓的理論最小擰入深度為13.1 mm，

靜環(huán)法蘭螺栓最小擰入深度為：

靜環(huán)法蘭螺栓最小擰入深度為13.1 mm，原設(shè)計的靜環(huán)法蘭螺栓的擰入深度為29 mm，螺栓的擰入深度遠(yuǎn)大于最小允許擰入深度。螺栓的擰入深度越深，則咬死斷裂的風(fēng)險越高。同時，原設(shè)計的螺栓的直徑為10 mm，螺栓直徑過細(xì)也是螺栓易斷的原因之一，螺栓的直徑越小，螺栓斷裂的風(fēng)險越高。

2.2.2 螺栓工作環(huán)境

正常工況下，機(jī)械密封在高溫潮濕的環(huán)境中工作。軸承室內(nèi)溫度高達(dá)270 ℃，螺栓在高溫環(huán)境下會產(chǎn)生膨脹，可能會使金屬牙紋直接發(fā)生阻塞剪切，進(jìn)而發(fā)生咬死的現(xiàn)象，使得不銹鋼螺栓完全鎖死，無法拆卸。

此外，軸承室的材料是碳鋼，碳鋼材料長期暴露在潮濕環(huán)境下，容易產(chǎn)生銹蝕，螺栓底孔銹蝕增加了螺栓拆卸時咬死的風(fēng)險。

2.2.3 不銹鋼材質(zhì)螺栓特性

螺栓咬死常發(fā)生在不銹鋼、鋁合金和鈦合金等軟質(zhì)螺栓上。這幾類的金屬合金本身有防銹蝕的特性，在其表面受損時，會在表面形成一層氧化膜（奧氏體不銹鋼形成的是氧化鉻）來防止進(jìn)一步銹蝕。當(dāng)不銹鋼螺栓在鎖緊的過程中，牙紋間所產(chǎn)生的壓力與熱力會破壞并抹去其間的氧化鉻層，使得金屬牙紋直接發(fā)生阻塞剪切，進(jìn)而發(fā)生黏著的現(xiàn)象，使得不銹鋼螺栓完全鎖死，無法緊固或拆卸。若在拆卸過程中，螺栓的與底扣之間發(fā)生粘著咬死，將直接導(dǎo)致螺栓無法拆卸，拆卸過程中極易造成螺栓斷裂。

由于機(jī)械密封防銹的要求，原設(shè)計的靜環(huán)法蘭螺栓的材質(zhì)而設(shè)計擰入深度為29 mm，螺栓實際擰入深度過長，另外螺栓過細(xì)，直徑僅10 mm。綜合考慮螺栓的緊固要求與螺栓咬死擰斷的風(fēng)險，鑒于目前現(xiàn)場工作條件及機(jī)加工取斷絲工藝較為成熟等因素，暫不建議增大螺栓直徑，只將靜環(huán)螺栓由M10×50 mm 改為M10×40 mm，調(diào)整螺栓擰入深度為19 mm。

3 結(jié)論

通過對設(shè)備結(jié)構(gòu)與現(xiàn)場工況的分析，過長、過細(xì)的螺栓以及高溫潮濕的工作環(huán)境使得不銹鋼螺栓咬死的可能性較大。但螺栓孔擴(kuò)孔以及現(xiàn)場高溫潮濕的工作環(huán)境較難改善。縮短螺栓的長度雖然能降低螺栓咬死的風(fēng)險，但可能無法根除該問題。正常運(yùn)行工況下，靜環(huán)法蘭在閥門啟閉的過程中不會動作，不妨礙閥門的動作，更不會引起閥門的卡澀，對機(jī)械密封的功能沒有影響。若螺栓發(fā)生咬死斷裂，可通過成熟的機(jī)加工工藝處理，預(yù)案完善，風(fēng)險可控。

同時根據(jù)以往檢修經(jīng)驗，在大修前期暫不拆卸設(shè)備，待汽門溫度降低后噴涂松動劑再進(jìn)行拆卸可有效降低螺栓斷裂風(fēng)險。且在設(shè)備檢修完畢回裝時，需徹底清理靜環(huán)螺栓的底孔及螺桿表面，并涂抹一定潤滑劑可對設(shè)備起到保護(hù)作用。

4 結(jié)束語

通過對某電站汽輪機(jī)中壓汽門機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)與工作原理的闡述，結(jié)合現(xiàn)場故障現(xiàn)象，參照相關(guān)資料，針對機(jī)械密封靜環(huán)螺栓斷裂問題進(jìn)行根本原因分析，提出處理方案并在大修中成功實施改造。在下輪大修拆卸機(jī)械密封過程中，檢查螺栓均無斷裂現(xiàn)象，說明采取的措施行之有效，大大降低延誤項目工期的潛在風(fēng)險，確保設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。