楊啟帆，朱 杰，鄭 鶴，盧志勇

(中海石油化學股份有限公司 海南東方 572600)

1 設備簡介

中海石油化學股份有限公司450 kt/a合成氨裝置中的合成氣壓縮機汽輪機103JT為單缸、抽汽冷凝式，型號為5EH- 6BD，缸體為水平剖分式，高壓段上下缸體由20顆帽形螺母螺栓緊固在一起。103JT主要性能參數(shù)如表1所示。

2 103JT汽缸螺栓拆卸程序

103JT由高壓段(進汽段)、中壓段(抽汽段)和低壓段(排汽段)組成，缸體中分面螺栓規(guī)格型號分別為高壓段12顆M80X3X406(圖1中1～6和11～16)、中壓段8顆M64X3X341(圖1中7～10和17～20)，均采用帽形螺母螺栓。

汽輪機大修都需拆卸水平結(jié)合面的螺栓以吊離上汽缸大蓋，是汽輪機檢修不可缺少的工序。汽缸螺栓在檢修時的拆卸或回裝均在加熱狀態(tài)下進行，其基本原理是通過加熱螺桿，使其發(fā)生線性膨脹而到達預期效果。103JT高壓段M80X3X406螺栓的安裝和拆卸采用220 V/1.25 kW的電加熱器加熱螺桿，而中壓段M64X3X341的螺栓采用氣焊將螺桿加熱至400～450 ℃后加扳手套管多人配合拆卸螺母，具體操作步驟如下。

圖1 103JT螺栓分布

表1 103JT主要性能參數(shù)

項目參數(shù)型式抽汽冷凝式透平級數(shù)/級6軸功率/kW13 208額定功率/kW15 153轉(zhuǎn)速/(r·min-1)13 412脫扣轉(zhuǎn)速/(r·min-1)15 601一階臨界轉(zhuǎn)速/(r·min-1)5 250二階臨界轉(zhuǎn)速/(r·min-1)24 300上半缸質(zhì)量/kg6 000TTV閥質(zhì)量/kg5 000設計進汽量/(kg·h-1)216 800設計最大進汽壓力/kPa(表壓)11 870設計最高進汽溫度/℃505設計抽汽量/(kg·h-1)203 000設計最高抽汽壓力/kPa(絕壓)4 600設計抽汽溫度/℃381排汽壓力/kPa(絕壓)12設計排汽溫度/℃49.4旋轉(zhuǎn)方向(自進汽端看)逆時針轉(zhuǎn)子質(zhì)量/kg1 250總質(zhì)量/kg19 000

(1) 在拆卸螺栓前應了解缸體溫度，缸體溫度降至80 ℃以下才允許拆卸螺栓。

(2) 對缸體所有緊固螺栓螺母進行編號并做好復位標記，同時在缸體法蘭上注明，以簡化回裝程序，避免裝配出錯。

(3) 在螺母頂部注油孔中加入適量防銹潤滑劑，使其浸透螺紋，便于拆卸。

(4) 清理螺帽四周并吹通加熱孔，按從汽缸兩側(cè)中間螺栓開始、對稱向兩端順序進行的原則拆卸螺栓。

(5) 在加熱松卸螺帽時，中壓段M64X3X341螺栓未設置中心加熱孔，可用氧-乙炔火焰對螺帽進行加熱，為保證螺栓受熱均勻，應采用2把割炬在螺帽兩側(cè)同時進行加熱。M80X3X406螺栓設有中心加熱孔，采用特制的鋼直流電加熱器配以加熱棒進行加熱，加熱棒的有效發(fā)熱長度應大部分在螺孔內(nèi)，露出的發(fā)熱長度不應超過25 mm。

(6) 加熱時，采用紅外線測溫槍監(jiān)測加熱溫度。M64X3X341螺栓加熱至其螺母外壁溫度至400～450 ℃，M80X3X406螺栓加熱至其螺母外壁溫度在145 ℃左右為宜。

(7) 當加熱溫度達到規(guī)定指標后，用手錘輕輕敲擊螺帽而發(fā)出沉悶的“嘶啞”聲時，表明螺紋已出現(xiàn)間隙，此時即可根據(jù)螺栓規(guī)格及安裝位置空間選擇合適的扳手拆卸螺母。

3 螺紋“咬死”事故案例及原因分析

該合成氨裝置投運至今共經(jīng)歷了6次大修，其中在2006年5月、2007年4月和2009年3月連續(xù)3次大修過程中，在對汽輪機缸體的M80X3X406螺栓拆卸時，部分螺栓加熱溫度已超過控制指標，且用塞尺檢查螺帽端面已離開法蘭，但仍無法擰動螺帽；有部分螺帽已松動，但擰轉(zhuǎn)了1扣以上后無法再繼續(xù)擰轉(zhuǎn)，此刻可以判定螺紋發(fā)生卡澀或者“咬死”。當螺紋“咬死”時，均采用氣焊切割螺帽的方法破壞螺母，再將汽輪機上蓋送機械加工廠取出螺桿，增大了檢修工作量。

通過對檢修安裝過程的分析，103JT出現(xiàn)螺紋“咬死”的可能原因如下[1]。

(1) 拆卸螺栓時汽缸溫度偏高，缸體因受熱膨脹而使得螺栓加熱后達不到規(guī)定的伸長量；此外，停機后螺栓的溫度下降得比汽缸快，螺栓溫度低于汽缸溫度，由此產(chǎn)生的螺栓冷縮使其緊固力比正常運行時反而增大；再加上溫度高時材料硬度低，此時拆卸螺栓就可能造成螺紋“咬死”。

(2) 螺紋表面粗糙或存在毛刺，回裝時未清理干凈就盲目旋上，導致出現(xiàn)螺紋“咬死”。

(3) 裝配時沒有涂潤滑劑及高溫防咬合劑，螺栓長時間在高溫和高壓環(huán)境下工作，使得螺紋之間因受擠壓而產(chǎn)生咬合現(xiàn)象。

(4) 沒有嚴格按照規(guī)程進行拆卸，或者加熱時間過長致使螺紋因溫度太高而“咬死”，或是加熱時間不足而使得螺栓未能有效伸長。

(5) 螺栓加熱時受熱不均勻，因局部過熱而破壞材料的機械性能，同時因溫差應力過大導致螺紋產(chǎn)生裂紋。

(6) 螺栓長期在高溫下工作，表面高溫氧化嚴重，形成堅硬的氧化膜。在拆卸螺帽時，由于氧化膜被拉破并在螺紋表面產(chǎn)生毛刺，造成螺紋“咬死”。

(7) 由于加工質(zhì)量不良，螺紋的光潔度太差，造成螺紋間的配合間隙較小而引起螺栓旋轉(zhuǎn)卡澀或者“咬死”。

4 螺栓熱緊時的理論伸長量

如圖2所示，103JT高壓段螺栓熱緊方法是先將螺栓冷扳到位，再加熱后旋轉(zhuǎn)一定的弧長K，K按式(1)進行計算[2]：

圖2 103JT高壓段螺栓熱緊旋轉(zhuǎn)弧長示意

K=DΔL/S

(1)

式中：D——螺母的外徑；

ΔL——螺栓理論伸長量；

S——螺距。

考慮到結(jié)合面處汽缸和螺栓的收縮變形、密封涂料減薄等影響因素,螺母擰緊的轉(zhuǎn)動弧長K應乘以一個系數(shù),其數(shù)值一般取1.3，即：

K′=1.3K=1.3DΔL/S

(2)

根據(jù)103JT的說明書，M80X3X406螺栓最終熱緊弧長K為103 mm，D為125 mm，S為3 mm，按式(2)可計算得到熱緊時螺栓理論伸長量ΔL為0.606 mm。

由此可知，103JT高壓段螺栓拆卸時，理論上必須保證其伸長量達到0.606 mm以上才能實現(xiàn)拆卸螺母的目的。

5 螺栓拆卸工藝的改進

連續(xù)拆卸汽輪機高壓段螺栓需要電加熱器不停加熱，這必定會造成汽缸溫度不斷上升，無法達到螺栓熱膨脹伸長量所需的相對溫度；若繼續(xù)升高螺栓溫度，螺栓將會出現(xiàn)較大的變形，造成應力太大。為了防止汽缸溫度上升，可在電加熱器加熱螺栓的同時，將空氣管塞入周圍螺栓的加熱孔中以幫助汽缸散熱，防止汽缸溫度快速上升。為了比較電加熱器加熱螺栓過程中汽缸的溫升情況，在2015年4月103JT大修時，在103JT兩側(cè)對稱的3號和11號螺栓加熱的過程中，分別測量汽缸溫升情況，結(jié)果如表2所示。

表2 103JT汽缸溫升情況 ℃

從表2數(shù)據(jù)可看出，與不用空氣冷卻汽缸相比，用空氣冷卻汽缸后，汽缸溫度最大可下降12 ℃。

在一定溫度范圍內(nèi)，物體受熱后的伸長量ΔL與溫度的增量ΔT近似成比例，與原長L亦成正比，即：

ΔL=αLΔT

(3)

ΔT=t1-t0

(4)

式中：t1——螺栓溫度；

t0——汽缸溫度；

L——螺栓長度；

α——材料線膨脹系數(shù)。

103JT汽缸螺栓螺桿材質(zhì)為20Cr1Mo1VTi，螺母材質(zhì)為25Cr2Mo1V，查詢有關設計手冊可知螺桿的線膨脹系數(shù)α=17×10-6。根據(jù)式(3)和式(4)，計算得到11號螺栓不加空氣管時螺桿的伸長量ΔL1和加空氣管時螺桿的伸長量ΔL2分別為0.587 mm和0.669 mm。由此可知，加空氣管后，螺帽溫度達到145 ℃時，缸體溫度保持在50 ℃以下，螺桿熱膨脹伸長量大于螺桿的理論伸長量(0.606 mm)，達到拆卸螺母的目的。特別是在連續(xù)拆卸螺栓時，汽缸溫升更大，加空氣冷卻可降低汽缸溫度，保證螺栓的伸長量符合要求。

6 改進后的效果

103JT繼2009年大修后， 分別在2013年和2015年經(jīng)歷了2次開蓋大修，在改進螺栓拆卸工藝后，均未出現(xiàn)汽缸高壓段螺栓損壞問題。此外，2013年1月在中海石油建滔股份有限公司600 kt/a甲醇裝置合成氣機組高壓汽輪機大修、2016年3月在中海石油化學股份有限公司海南基地300 kt/a合成氨裝置合成氣壓縮機汽輪機和氨壓縮機汽輪機大修過程中，通過采用改進后的螺栓拆卸工藝，實現(xiàn)了汽缸高壓段螺栓的順暢、安全拆卸，說明改進后的螺栓拆卸工藝是行之有效的。