汪永久，林 森，劉學(xué)增

(1．華能大連電廠，遼寧 大連 116100;2．東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

汽輪發(fā)電機(jī)組容量越來(lái)越大，聯(lián)軸器螺栓的裝配和拆卸也越來(lái)越困難。國(guó)外采用液壓拉伸對(duì)輪螺栓替代傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓，有效解決了這一難題。這種先進(jìn)的液壓拉伸螺栓在歐洲電站及大型艦船已經(jīng)廣泛使用，GE公司在大型發(fā)電機(jī)組上也開(kāi)始推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)進(jìn)口大部分法國(guó)ALSTOM生產(chǎn)的350 MW機(jī)組和核電900 MW機(jī)組均使用液壓拉伸螺栓，而國(guó)產(chǎn)及早期進(jìn)口發(fā)電機(jī)組在這項(xiàng)技術(shù)上還是空白。

1 傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓與液壓拉伸對(duì)輪螺栓比較

1.1 傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓存在缺陷［1］

a． 根據(jù)定位精度及傳遞扭矩要求，螺栓與孔直徑間隙保證在0.03 mm(只限定位部)以內(nèi)，且具有良好直線度及光潔度。

安裝中要求穿聯(lián)軸器螺栓時(shí)兩對(duì)輪及中間墊片(盤(pán)車齒輪或測(cè)量脹差用)必須同心，但由于加工及測(cè)量誤差等，螺栓穿孔非常困難。若強(qiáng)行將螺栓打入螺孔內(nèi)，會(huì)使螺栓及螺孔受損，再加上機(jī)組啟動(dòng)帶負(fù)荷后，汽機(jī)軸功率通過(guò)聯(lián)軸器螺栓傳遞到發(fā)電機(jī)端，聯(lián)軸器螺栓受扭轉(zhuǎn)剪切應(yīng)力作用而使定位部變形，那么機(jī)組下次檢修時(shí)拆卸聯(lián)軸器螺栓將更困難，即使將聯(lián)軸器螺栓拆卸下來(lái)，螺栓也會(huì)損壞嚴(yán)重。

b． 螺孔拉毛，給聯(lián)軸器造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，需要重新鉸孔。

現(xiàn)場(chǎng)鉸孔時(shí)放大了間隙，勢(shì)必會(huì)影響聯(lián)軸器定位精度。當(dāng)電網(wǎng)振蕩對(duì)軸系產(chǎn)生巨大沖擊時(shí)，螺孔間隙不均勻會(huì)使螺栓受到不均勻剪切力，導(dǎo)致聯(lián)軸器兩側(cè)端面出現(xiàn)錯(cuò)位，此為軸系發(fā)生工頻倍頻振動(dòng)的原因之一，直接影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

c． 由于聯(lián)軸器螺栓拆卸困難，軸系若出現(xiàn)振動(dòng)、軸瓦溫度高、軸瓦磨損、推力瓦磨損等問(wèn)題，只能在計(jì)劃?rùn)z修中實(shí)施，搶修時(shí)很難實(shí)現(xiàn)。

1.2 液壓拉伸螺栓簡(jiǎn)介

圖1 液壓拉伸螺栓結(jié)構(gòu)

a． 液壓拉伸螺栓是20世紀(jì)80年代歐洲發(fā)展起來(lái)的一種新興技術(shù)，與傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

b． 液壓螺栓使用方法

先將螺栓2和錐形套4放入聯(lián)軸器螺孔內(nèi) (注意錐形套4方向)。錐形套與聯(lián)軸器螺孔具有較大間隙 (0.08 mm)，便于螺栓與聯(lián)軸器螺孔裝配。

c． 利用一個(gè)定位套將錐形套4限制在聯(lián)軸器中間位置。

d． 用拉伸桿將拉伸用錐形螺母6旋入，在液壓拉伸器軸向拉力作用下，螺栓被拉伸，強(qiáng)制錐形套4膨脹、外徑變大，在聯(lián)軸器螺孔內(nèi)產(chǎn)生過(guò)盈配合 (間隙為0)，完全消除了螺栓與聯(lián)軸器螺孔之間的裝配間隙，從而達(dá)到精確定位的目的。

1.3 液壓螺栓優(yōu)點(diǎn)

a． 螺栓與聯(lián)軸器螺孔在裝配時(shí)留有較大間隙，螺栓與錐形套采用錐面結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)快速安裝和拆卸，消除螺栓卡住及表面損傷等故障，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

b． 聯(lián)軸器螺孔與錐形套4之間徑向過(guò)盈配合，容易達(dá)到同心度要求，從而避免聯(lián)軸器法蘭盤(pán)間滑移錯(cuò)位。

c． 由于液壓力能夠準(zhǔn)確控制螺栓伸長(zhǎng)量和緊力，能在聯(lián)軸器法蘭盤(pán)間建立巨大正壓力及摩擦力，使螺栓剪切力降低，延長(zhǎng)其使用壽命，避免傳統(tǒng)螺栓靠人工打大錘緊固而造成的螺栓受力不均勻。

d． 液壓螺栓可反復(fù)使用，無(wú)需替換備件，不會(huì)對(duì)聯(lián)軸器螺孔造成損傷。

2 液壓螺栓強(qiáng)度復(fù)核計(jì)算

2.1 液壓螺栓強(qiáng)度相關(guān)計(jì)算

使用材料性能［1］如下。

螺栓及螺母: σ0.2=816 MPa，［τ］=417 MPa，HB=285，彈性模量E=203 GN/m2

許用應(yīng)用: ［σ1］=281 MPa，［τ1］=162 MPa，

錐套: σ0.2=686 MPa，［σA］=343 MPa，

數(shù)據(jù)測(cè)試:測(cè)量螺栓總長(zhǎng)度L0為453.5 mm。

將螺栓及錐套裝入模擬聯(lián)軸節(jié)試驗(yàn)裝置的螺栓孔，用定位套將錐套在螺孔中軸向定位，聯(lián)接好液壓系統(tǒng)，安裝測(cè)量裝置——磁力表架百分表，開(kāi)始加壓。這時(shí)，螺栓開(kāi)始軸向位移。壓力表讀數(shù)及螺栓軸向位移試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

此過(guò)程為錐套膨脹 (定位)過(guò)程，即消除錐套與螺孔間隙，達(dá)到過(guò)盈配合狀態(tài)。然后，安裝兩端螺母并用手?jǐn)Q緊。在螺栓小端聯(lián)接液壓系統(tǒng)，安裝百分表，進(jìn)行螺栓拉伸過(guò)程。當(dāng)壓力達(dá)到15 000油壓 (PSI)時(shí)，用手?jǐn)Q緊小端螺母，釋放油壓。這時(shí)螺栓保留0.44 mm的拉伸量，具體過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

2.2 剪應(yīng)力計(jì)算

運(yùn)行過(guò)程中，假定極端狀態(tài)下扭矩完全由錐套及螺栓承受的剪切力傳遞。螺栓數(shù)量為18根，按額定功率的1.1倍校核，則:

式中，額定功率N=350 MW;對(duì)輪螺栓中心圓半徑R1=0.812 8/2=0.406 4 m;液壓對(duì)輪螺栓半徑R2=0.069/2=0.034 5 m。

短路狀態(tài)下，按6倍額定功率計(jì)算如下:

實(shí)際上，因聯(lián)軸節(jié)圓盤(pán)之間存在很大摩擦力，僅傳遞30%以上額定功率，故錐套及螺栓實(shí)際承受剪切力要比以上數(shù)值更小，滿足使用性能。

2.3 液壓拉伸螺栓的拉應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算

校核實(shí)物試驗(yàn)過(guò)程中高壓油泵壓力表顯示最大壓力值，即螺栓所受最大拉力時(shí)強(qiáng)度情況:當(dāng)液壓拉伸壓力達(dá)到15 000 PSI時(shí)，Pmax=15 000 PSI=103.4 MPa。

求得最大拉力Fmax=414 205 N，螺栓最小截面尺寸D=0.043 5 m Am=πd2/4=0.001 485 m2，因此，σmax=Fmax/Am=279 MPa

螺栓伸長(zhǎng)量為Δl，其計(jì)算公式如下:

式中，E=203 GN/m2;為對(duì)應(yīng)液壓拉伸螺栓伸長(zhǎng)量及其螺栓最小截面積。

實(shí)物實(shí)驗(yàn)時(shí)，螺栓最后保持伸長(zhǎng)量值ΔL0=0.44 mm。對(duì)應(yīng)螺栓保持拉力F0=357 353 N，應(yīng)力 σ0=F0/Am=240 MPa＜ ［σ1］ =281 MPa，減小伸長(zhǎng)量可相應(yīng)降低螺栓所受拉應(yīng)力，實(shí)際安裝時(shí)液壓拉伸螺栓伸長(zhǎng)量?jī)H為0.33 mm，所受拉應(yīng)力比σ0=F0/Am=240 MPa更小，滿足使用性能。

2.4 螺母的強(qiáng)度計(jì)算

M52×3，L=50 mm可承受最大拉力為842 800 N，而目前最大拉力僅為357 308 N，安全裕量很大。C422螺母抗拉許用應(yīng)力〔σb1〕 =281 MPa。

擠壓強(qiáng)度應(yīng)力:σJ=F0/A0=357 353/0.002 341=152 MPa ＜ 〔σb1〕 =281 MPa［2］。

式中:F0=357 353 N=36.46 T;A0=1/4π (φ12－φ22) =1/4π (882－692) ×10－6=0.002 341 mm2;φ為螺母的有效截面直徑，mm。

強(qiáng)度校核計(jì)算表明:液壓對(duì)輪螺栓強(qiáng)度能滿足機(jī)組運(yùn)行要求。

3 改造實(shí)施工藝過(guò)程及應(yīng)用

3.1 改造實(shí)施工藝過(guò)程

a． 軸系找完中心后，用4條臨時(shí)螺栓將聯(lián)軸器擰緊。

b． 測(cè)量聯(lián)軸器孔徑原始尺寸后，開(kāi)始鏜孔。當(dāng)鏜孔尺寸、橢圓度、光潔度、錐度達(dá)到汽輪機(jī)出廠標(biāo)準(zhǔn)后，測(cè)量聯(lián)軸器孔徑最終尺寸。

c． 按鏜孔后聯(lián)軸器孔徑尺寸配磨錐形套，使其尺寸小于聯(lián)軸器孔徑尺寸 (0.06～0.08 mm)。

d． 裝配前測(cè)量螺栓原始長(zhǎng)度。

e． 連接好液壓系統(tǒng)，在螺栓兩端裝上百分表用以測(cè)量伸長(zhǎng)量。

f． 液壓系統(tǒng)加壓，在不同壓力下記錄伸長(zhǎng)數(shù)據(jù)。當(dāng)達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)，用手?jǐn)Q緊螺母，釋放壓力。測(cè)量的螺栓長(zhǎng)度與原始長(zhǎng)度之差即為螺栓伸長(zhǎng)量，使其達(dá)到設(shè)計(jì)伸長(zhǎng)量 (0.33 mm)。

經(jīng)過(guò)安裝測(cè)量表明，采用新型液壓拉伸對(duì)輪螺栓完全能夠滿足原有傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓安裝的技術(shù)工藝要求。

3.2 新型液壓拉伸對(duì)輪螺栓的應(yīng)用

華能大連電廠1期2臺(tái)三菱350 MW機(jī)組和2期英巴350 MW機(jī)組高壓缸—低壓缸、低壓缸—發(fā)電機(jī)對(duì)輪螺栓，均為傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓。從2006年開(kāi)始，4臺(tái)機(jī)組陸續(xù)將對(duì)輪螺栓改造為液壓拉伸螺栓。

2006年4號(hào)機(jī)組大修期間，拆卸高壓—低壓、低壓—發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)聯(lián)軸器對(duì)輪螺栓，用時(shí)48 h，18根對(duì)輪螺栓中有7根拉毛損壞嚴(yán)重已無(wú)法使用，見(jiàn)圖2。2011年5月，4號(hào)機(jī)組大修期間，拆卸使用了運(yùn)行5年的高壓—低壓、低壓—發(fā)電機(jī)新型液壓拉伸對(duì)輪螺栓，僅用時(shí)2 h，液壓拉伸螺栓無(wú)一拉毛及損壞，見(jiàn)圖3。僅拆卸對(duì)輪螺栓一項(xiàng)，就節(jié)省工時(shí)46 h，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

采用新型液壓拉伸螺栓后，所配螺母也由六方形改為圓形，且對(duì)輪護(hù)板直接禁錮在螺栓上，降低了對(duì)輪鼓風(fēng)的影響，提高了設(shè)備安全。

采用液壓螺栓連接后，螺栓緊力增強(qiáng)，受力更加均勻，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

采用液壓拉伸方法后，聯(lián)軸器螺栓不會(huì)受到徑向沖擊載荷，螺栓使用壽命大大提高，機(jī)組運(yùn)行更可靠。

4臺(tái)350 MW機(jī)組將高壓缸—低壓缸、低壓缸—發(fā)電機(jī)的對(duì)輪螺栓改造為液壓拉伸螺栓后，運(yùn)行至今已有5年時(shí)間，期間經(jīng)歷了多次超速試驗(yàn)和長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)踐證明，液壓拉伸螺栓性能穩(wěn)定，軸系振動(dòng)合格，技術(shù)改造非常成功。

4 結(jié)論

a． 華能大連電廠4臺(tái)350 MW機(jī)組采用新型液壓對(duì)輪螺栓后，拆裝單臺(tái)機(jī)組高壓—低壓、低壓—發(fā)電機(jī)對(duì)輪所用時(shí)間由48 h減少到2 h，所用工時(shí)大幅減少，僅此一項(xiàng)就節(jié)省2天大修時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

b． 采用新型液壓拉伸對(duì)輪螺栓，聯(lián)軸器螺栓不會(huì)受到徑向沖擊載荷，螺栓使用壽命大大提高。

c． 采用新型液壓拉伸對(duì)輪螺栓，強(qiáng)度、材料使用、外形尺寸、螺栓伸長(zhǎng)量等因素都滿足傳統(tǒng)聯(lián)軸器螺栓技術(shù)工藝要求。

［1］ 徐 為．汽輪發(fā)電機(jī)組聯(lián)軸節(jié)液壓螺栓系統(tǒng)介紹［R］．聯(lián)軸節(jié)液壓螺栓的安裝手冊(cè) (用戶版)．

［2］ 劉鳴放．金屬材料力學(xué)性能手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010．

［3］ 黃冰陽(yáng)．艦船軸系用高強(qiáng)度液壓螺栓的性能研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2008．