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        一種工業(yè)用高背壓汽輪機(jī)汽缸密封性研究

        2020-12-29 09:01:58張偉榮李思俊
        機(jī)電信息 2020年35期
        關(guān)鍵詞:密封性背壓汽缸

        李 軍 張偉榮 李思俊

        (東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司,四川德陽618000)

        0 引言

        工業(yè)用背壓機(jī)組是熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組,它是化工及鋼鐵行業(yè)主要的節(jié)能設(shè)備。隨著經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,市場(chǎng)對(duì)背壓機(jī)組的需求量越來越大,對(duì)背壓機(jī)組的進(jìn)、出汽參數(shù)的要求也越來越多樣化。大部分背壓機(jī)組的汽缸由于機(jī)床加工、鑄造工藝等原因,采用分段設(shè)計(jì)方式,即分為前汽缸和后汽缸,前、后汽缸通過垂直法蘭面連接。上述結(jié)構(gòu)型式機(jī)組,在垂直法蘭面和中分面附近均存在不同程度的漏汽現(xiàn)象,機(jī)組運(yùn)行時(shí)存在安全隱患。

        本文主要針對(duì)某超高溫、高壓單缸抽背式汽輪機(jī)項(xiàng)目的汽缸法蘭面密封性進(jìn)行研究。該機(jī)組功率50 MW,進(jìn)汽參數(shù)10.5 MPa/565 ℃,背壓1.3 MPa/300 ℃,最高背壓達(dá)1.5 MPa;通流級(jí)數(shù)為1個(gè)單列調(diào)節(jié)級(jí)+6個(gè)壓力級(jí)+抽汽后8個(gè)壓力級(jí),額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min,末級(jí)葉片高度103.5 mm。機(jī)組的效率高、可靠性要求高。為簡化汽缸結(jié)構(gòu),滿足加工要求,前汽缸與后汽缸采用垂直法蘭螺栓連接。同時(shí),為降低前、后汽缸垂直法蘭面螺栓的受力,保證垂直法蘭面的密封性能,機(jī)組整個(gè)通流級(jí)全部布置于前汽缸內(nèi)部。機(jī)組采用噴嘴調(diào)節(jié),前汽缸需與噴嘴室、蒸汽室組焊,且前汽缸第7級(jí)后還設(shè)有一段工業(yè)抽汽。高背壓50 MW機(jī)組汽缸二維縱剖面如圖1所示,汽缸三維模型如圖2所示。

        圖1 高背壓50 MW機(jī)組汽缸二維縱剖面

        為了解決汽缸分缸設(shè)計(jì)造成的漏汽問題,本文從該項(xiàng)目設(shè)計(jì)出發(fā),首先分析螺栓擰緊力矩與螺栓預(yù)緊力的關(guān)系,得出影響螺栓擰緊力矩高效轉(zhuǎn)化的因素,然后推導(dǎo)出擰緊計(jì)算系數(shù)值,為后續(xù)有限元分析提供數(shù)據(jù)支持,最后通過有限元軟件對(duì)整體汽缸法蘭密封性進(jìn)行分析校核,提出優(yōu)化和改進(jìn)類似機(jī)組的方案措施。

        圖2 高背壓50 MW機(jī)組汽缸三維模型

        1 螺栓擰緊力矩的確定

        1.1 螺栓擰緊力矩系數(shù)

        法蘭密封性需要考慮螺栓擰緊力大小。汽輪機(jī)法蘭連接一般采用罩螺母連接,然而實(shí)際計(jì)算過程只知道螺栓擰緊力矩大小,為求得螺栓加載在法蘭面的預(yù)緊力,必須先求得擰緊力矩和預(yù)緊力的關(guān)系,即擰緊力矩系數(shù)值K,通過對(duì)罩螺母實(shí)際擰緊過程的受力分析,可知實(shí)際擰緊力矩應(yīng)克服螺紋副驅(qū)動(dòng)阻力矩和螺母與支持面間的摩擦力矩[1],如圖3所示。

        圖3 罩螺母擰緊阻力矩示意圖

        由上述公式可推得:

        式中:T為擰緊力矩(N·mm);Fa為預(yù)緊力(N);φ為螺紋升角(°);ρ′為當(dāng)量摩擦角(°);P為螺距(mm);d2為螺紋中徑(mm);d為螺紋公稱直徑(mm);f為螺紋副摩擦系數(shù);β為牙側(cè)角(°);μ為螺母與支撐面摩擦系數(shù);σ為螺母支撐面應(yīng)力(MPa);DW為螺母支撐外徑(mm);DN為螺母支撐內(nèi)徑(mm);K為擰緊力矩系數(shù)。

        普通螺紋,其三角牙型角α為60°,可得牙側(cè)角β=α/2=30°[3]。

        普通冷緊螺栓按表面無涂層、無潤滑考慮,f、μ系數(shù)可分別取0.4和0.2,按表面涂潤滑考慮,則f、μ系數(shù)可分別取0.19和0.13[4]。

        汽缸中分面采用熱緊螺栓,熱緊初應(yīng)力按294 MPa選取,前、后缸垂直法蘭面螺栓采用非熱緊螺栓,按擰緊力矩確定擰緊力。本文選用優(yōu)選系列M42、M36雙頭螺柱和相應(yīng)配套罩螺母來對(duì)比計(jì)算,配套罩螺母支撐內(nèi)外徑如表1所示,將以上各參數(shù)取值代入擰緊系數(shù)計(jì)算公式,可求得兩種螺栓不同潤滑情況下的擰緊力矩系數(shù),如表1、表2所示。

        表1 擰緊力矩系數(shù)(不帶潤滑)

        表2 擰緊力矩系數(shù)(帶潤滑)

        由表1、表2計(jì)算數(shù)據(jù)可看出,螺柱無潤滑時(shí)擰緊系數(shù)K≈0.48,帶潤滑時(shí)K≈0.28,顯然螺柱帶潤滑時(shí)可以顯著地提升螺栓預(yù)緊力,力矩到擰緊力的轉(zhuǎn)化效率比不潤滑高達(dá)1倍。從上述表格數(shù)據(jù)對(duì)比計(jì)算還可以看出,螺紋粗牙、細(xì)牙和大小對(duì)擰緊系數(shù)影響不大,相同擰緊力矩時(shí),螺栓越小越可以提升螺栓預(yù)緊力,但由于螺栓受力不應(yīng)超過許用應(yīng)力,這就決定了螺栓規(guī)格不一樣,許用的擰緊力矩就不一樣。前、后汽缸垂直法蘭螺栓連接一般的防松方式均為點(diǎn)焊,為達(dá)到擰緊力矩最大轉(zhuǎn)化效果,不僅應(yīng)對(duì)螺柱和螺母處法蘭刮面進(jìn)行潤滑處理,對(duì)法蘭刮面加工粗糙度也應(yīng)適當(dāng)提高。

        1.2 螺栓預(yù)緊力

        為求得螺栓預(yù)緊力,需先確定擰緊力矩,合適的擰緊力矩對(duì)螺栓和法蘭密封都是有益的,擰緊力過大將導(dǎo)致螺栓拉斷,過小又將不利于法蘭密封。根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),國內(nèi)80%密封結(jié)構(gòu)的預(yù)緊是按經(jīng)驗(yàn)操作的,能保證密封可靠率的只有22.3%[5]。為更貼近實(shí)際取值,螺栓許用應(yīng)力安全系數(shù)按1.5倍裕量考慮,此時(shí)M36螺栓擰緊力矩可達(dá)2 900 Nm,M42螺栓擰緊力矩可達(dá)3 900 Nm以上。為方便計(jì)算,本文采用1 m長省力套桿,按2個(gè)人約2 000 N出力計(jì)算,求得人工擰緊力矩2 000 Nm,該力矩在實(shí)際擰緊過程中比較容易達(dá)到;螺栓采用國標(biāo)件(GB/T 898C),材質(zhì)為25Cr2MoVA,按粗牙進(jìn)行計(jì)算,其中螺柱M42×4.5最小直徑為39 mm,螺柱M36×4最小直徑為33.4 mm。由上述參數(shù),擰緊系數(shù)按上一節(jié)計(jì)算值取0.28,再根據(jù)K=可得預(yù)緊力Fa=T/(K·d),計(jì)算數(shù)據(jù)如表3所示。

        表3 螺栓預(yù)緊力計(jì)算(帶潤滑)

        通過表3可以看出,M36螺栓擰緊力矩由于許用應(yīng)力緣故不能達(dá)到3 900 Nm時(shí),M36螺栓允許的最大擰緊力矩約為2 900 Nm,此時(shí)螺栓預(yù)緊力為287.7 kN,M42螺栓允許的最大擰緊力矩為4 600 Nm,表格數(shù)據(jù)按3 900 Nm計(jì)算;螺栓預(yù)緊力與擰緊力矩成正比,考慮螺栓許用應(yīng)力后,不同規(guī)格的螺栓的最大擰緊力矩也就確定了;從表格數(shù)據(jù)也可得知,在擰緊力矩一定時(shí),小螺栓預(yù)緊力比大螺栓要大,但在考慮螺栓許用應(yīng)力后,在布置方式上小螺栓總數(shù)量并不能提供一個(gè)最大預(yù)緊力,況且表內(nèi)數(shù)據(jù)并未考慮法蘭熱應(yīng)力和蒸汽力對(duì)螺栓的影響,當(dāng)然在擰緊力矩能達(dá)到的情況下,提高螺栓材料等級(jí)也不失為一種提高預(yù)緊力的好辦法。顯然,擰緊力矩?zé)o論是2 900 Nm還是3 900 Nm,靠人力是不可能順利達(dá)到要求的,此時(shí)必須通過加長杠桿比或利用其他扳手工具來達(dá)到擰緊力矩要求,所以在簡單計(jì)算螺栓應(yīng)力的同時(shí),必須考慮在不采用其他扳手工具下,工人通過人力能否達(dá)到相應(yīng)要求的螺栓擰緊力矩。

        2 汽缸密封性計(jì)算

        2.1 模型網(wǎng)格劃分

        本文計(jì)算主要在ANSYS Workbench14.5的環(huán)境下進(jìn)行,由于整個(gè)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,網(wǎng)格的劃分采用自動(dòng)劃分,并以四面體為主。計(jì)算時(shí)考慮到網(wǎng)格密度的影響,劃分了不同密度網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。最終根據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算速度兩方面綜合考慮網(wǎng)格密度,并在應(yīng)力集中區(qū)域加密網(wǎng)格。按照上述原則劃分完成的網(wǎng)格共有140萬個(gè)單元,233萬個(gè)節(jié)點(diǎn),其有限元模型如圖4所示。

        2.2 加載螺栓初應(yīng)力

        熱態(tài)強(qiáng)度計(jì)算時(shí),前汽缸水平法蘭螺栓初緊預(yù)緊力通過螺栓最小截面積乘以螺栓初緊應(yīng)力(2萬h后的保證值)得到,后汽缸工作溫度未超過350 ℃,不考慮螺栓應(yīng)力松弛[6],預(yù)緊力可根據(jù)1.1中的公式計(jì)算,各螺栓初緊預(yù)緊力如表4和表5所示。

        2.3 密封性計(jì)算結(jié)果

        下面云圖(圖5、圖6)為汽密性校核結(jié)果。

        說明:

        圖4 汽缸三維有限元模型

        表4 前汽缸螺栓初緊預(yù)緊力

        表5 后汽缸垂直法蘭螺栓、水平法蘭螺栓預(yù)緊力

        STAT=Far:未合的遠(yuǎn)區(qū)接觸,沒有接觸上。

        STAT=Near:未合的近區(qū)接觸,沒有接觸上。

        STAT=Sliding:滑動(dòng)接觸,接觸上了。

        STAT=Sticking:粘合接觸,接觸上了。

        在基本的庫侖摩擦模型中,兩個(gè)接觸面在開始相互滑動(dòng)之前,在它們的界面上會(huì)產(chǎn)生一定大小的剪應(yīng)力,這種狀態(tài)稱作粘合狀態(tài)(Sticking)。庫侖摩擦模型定義了一個(gè)等效剪應(yīng)力。一旦剪應(yīng)力超過此值后,兩個(gè)表面之間將開始相互滑動(dòng),這種狀態(tài)稱作滑動(dòng)狀態(tài)(Sliding)。

        2.3.1 螺栓初緊時(shí)汽缸水平中分面接觸計(jì)算結(jié)果

        汽缸螺栓初緊時(shí)水平中分面處接觸狀態(tài)分布如圖5所示。

        圖5 汽缸螺栓初緊時(shí)水平中分面處接觸狀態(tài)分布

        從圖5可以看出,除后汽缸中分面外承壓面部分區(qū)域處于滑動(dòng)接觸外,汽缸整體水平法蘭內(nèi)外承壓面均處于粘合接觸狀態(tài),以上接觸均定義為“接觸上了”??梢娖字蟹置婷芊庑詢?yōu)良,螺栓大小選取合適,設(shè)計(jì)時(shí)僅需對(duì)垂直法蘭面處中分面螺栓進(jìn)行加大處理,該處漏點(diǎn)與大部分投運(yùn)機(jī)組一致。

        2.3.2 螺栓初緊時(shí)汽缸垂直法蘭面汽密性計(jì)算結(jié)果

        汽缸垂直法蘭接觸狀態(tài)(擰緊力矩3 900 Nm)如圖6所示。

        由圖6可見,垂直法蘭面附近靠近水平法蘭附近僅部分小區(qū)域,有通過螺栓孔發(fā)生漏汽的可能,存在漏汽風(fēng)險(xiǎn),安裝時(shí)需嚴(yán)格保證螺栓擰緊力矩,以防范上述風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。實(shí)際上因能保證的人工擰緊力矩在2 000 Nm以下,故垂直法蘭處螺栓擰緊力矩如不加控制,就更加容易發(fā)生泄漏。圖7為該力矩下汽缸垂直法蘭密封接觸狀態(tài)對(duì)比圖。

        圖6 汽缸垂直法蘭接觸狀態(tài)(擰緊力矩3 900 Nm)

        圖7 汽缸垂直法蘭接觸狀態(tài)(擰緊力矩2 000 Nm)

        由圖6、圖7可以看出,因垂直法蘭螺栓擰緊力矩減小,垂直法蘭面中分面附近,垂直法蘭面底部未接觸區(qū)域顯著擴(kuò)大,由1.2內(nèi)容可知,在憑工人個(gè)人經(jīng)驗(yàn)擰緊螺栓時(shí),并不能明確判斷螺栓實(shí)際擰緊力矩,而且擰緊過程中是否潤滑都會(huì)影響擰緊力矩向擰緊力的轉(zhuǎn)化效率??紤]到垂直法蘭面寬為115 mm,為提高密封應(yīng)力水平,在圖8所示的垂直法蘭接觸面上開R700~750 mm減應(yīng)力槽,以擰緊力矩2 000 Nm下重新計(jì)算垂直法蘭密封性能,如圖8、圖9所示。

        圖8 汽缸垂直法蘭接觸狀態(tài)(擰緊力矩2 000 Nm,帶減應(yīng)力槽)

        由圖8、圖9可以看出,垂直法蘭面中分面附近已經(jīng)完全接觸上,壓應(yīng)力也滿足要求,僅垂直方向存在少量未接觸區(qū)外,其余部分均滿足密封性要求。由此可見,法蘭密封除了保證擰緊力矩和擰緊力大小外,對(duì)法蘭接觸面采取減應(yīng)力槽處理,減小密封面積,增大單位密封面應(yīng)力也可以顯著提高汽缸密封性能。

        圖9 汽缸垂直法蘭面應(yīng)力分布(擰緊力矩2 000 Nm,帶減應(yīng)力槽)

        綜上計(jì)算結(jié)果可知,在假定擰緊系數(shù)一定的情況下,影響密封性的主要有法蘭接觸面積和擰緊力矩大小。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上在保證法蘭強(qiáng)度情況下,從減小密封面積,做好螺栓潤滑,控制螺栓擰緊力矩上著手,保證法蘭的密封性。對(duì)于類似機(jī)組,因漏汽均為局部漏汽,除了增加螺栓數(shù)量,開減應(yīng)力槽外,還可以從內(nèi)外開坡口進(jìn)行密封焊來保證密封性能。

        3 結(jié)語

        本文主要針對(duì)汽缸法蘭面密封性進(jìn)行研究,分析螺栓擰緊力矩向螺栓預(yù)緊力的轉(zhuǎn)化關(guān)系,利用ANSYS Workbench有限元軟件進(jìn)行三維有限元分析,得出如下主要結(jié)論:

        (1)推導(dǎo)出擰緊系數(shù)準(zhǔn)確值,螺柱無潤滑時(shí)擰緊系數(shù)K≈0.48,帶潤滑時(shí)K≈0.28,螺柱帶潤滑時(shí)可以顯著提升螺栓預(yù)緊力,力矩向擰緊力的轉(zhuǎn)化效率比不潤滑高達(dá)1倍;螺紋粗牙、細(xì)牙和大小對(duì)擰緊系數(shù)影響不大。

        (2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,針對(duì)分缸機(jī)組,垂直法蘭面處的水平法蘭需進(jìn)行螺栓加大處理,以消除接觸面不均勻?qū)е碌男孤╋L(fēng)險(xiǎn)。

        (3)在假定擰緊系數(shù)一定、不考慮法蘭變形的情況下,影響汽缸密封性的主要因素有法蘭接觸面積和擰緊力矩大小。所以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上在保證法蘭強(qiáng)度的情況下,從減小密封面積、做好螺栓潤滑、控制螺栓擰緊力矩方面著手,可以保證法蘭的密封性。

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