師春燕，陳貝貝，章艷，何長川，劉金芳，陳鐵寧

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

1 概述

閥門是汽輪機主機結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件之一，對于保護機組安全啟停和運行有著極其重要的作用。而閥門的密封性能則直接影響著閥門的質(zhì)量，機組的經(jīng)濟性、安全可靠性等。在閥門的設(shè)計過程中，主要從密封材料開發(fā)、密封結(jié)構(gòu)設(shè)計、密封性能等3個方面進行密封設(shè)計[1]。在閥門的實際運行過程中，除了受到高溫高壓的蒸汽載荷外，還受到反復(fù)開啟、磨損、腐蝕、開裂等因素的影響，因此必須在設(shè)計閥門密封結(jié)構(gòu)的時候，要保證足夠的密封性能。

國內(nèi)對汽輪機閥門相關(guān)的研究已有不少，結(jié)構(gòu)強度方面，比如陳詩坤[2]等對主汽-調(diào)節(jié)閥快速啟動下的結(jié)構(gòu)強度進行分析優(yōu)化。但更多文獻集中于閥桿斷裂[3]、閥門卡澀[4]問題的解決。盡管也有學(xué)者對閥門漏汽性能進行分析，如白福雨[5]等對300 MW汽輪機主汽閥內(nèi)漏原因進行了分析處理，但是有關(guān)密封環(huán)密封性能的研究較少看到。

本文主要對某汽輪機閥門密封結(jié)構(gòu)進行受力分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對不同方案的結(jié)構(gòu)密封接觸壓力進行對比分析。另外，也根據(jù)密封環(huán)的材料特性如應(yīng)變硬化指數(shù)等進行有限元分析及研究。通過分析不同硬化指數(shù)對材料密封性能的影響，得到密封壓力的波動范圍。本文的研究方法對今后類似密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了設(shè)計思路。

2 某閥門結(jié)構(gòu)簡介

該閥門主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，由閥殼、銷緊套、閥蓋、止動環(huán)、壓緊環(huán)以及密封環(huán)構(gòu)成。密封原理為：閥門工作時，銷緊套在主蒸汽壓力S1的作用下與壓緊環(huán)配合，推動密封環(huán)貼緊閥殼，防止高溫蒸汽由壓力S1所在的腔室進入壓力S2所在的腔室。由于S2腔室與軸封母管連通，若高溫蒸汽大量漏入軸封母管，就會造成軸封母管溫度急劇升高，影響機組的安全可靠性。因此，對于密封環(huán)的選材，通常選擇相對較軟的材料，以保證密封環(huán)與閥殼貼緊，同時不會碰傷閥殼。

圖1 主汽閥結(jié)構(gòu)簡化示意圖

本文從密封結(jié)構(gòu)的理論力學(xué)模型、材料力學(xué)特性以及密封壓力波動等方面對密封結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化分析。

3 力學(xué)模型建立

在機組運行過程中，密封環(huán)主要受到以下幾種力的作用：（1）蒸汽壓力作用在銷緊套上，對密封環(huán)產(chǎn)生的接觸力F1；（2）壓緊環(huán)對密封環(huán)的壓緊力F2；（3）壓力S2對密封環(huán)的壓力；（4）閥殼對密封環(huán)產(chǎn)生的接觸壓力。忽略重力對密封結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)合實際工作壓力，S1一般遠遠大于S2以及環(huán)境壓力，因此不考慮S2以及大氣壓力對結(jié)構(gòu)的影響，可以得到密封環(huán)的受力分析簡圖，如圖2所示。

圖2 密封環(huán)結(jié)構(gòu)受力分析簡化示意圖

根據(jù)圖2所示的密封環(huán)受力圖，以及X方向、Y方向、型心G，建立密封環(huán)的力和力矩平衡方程為：

式中，α、β分別為密封環(huán)與銷緊套、壓緊環(huán)的夾角；FN、FNf分別為密封環(huán)與閥殼的接觸法向接觸力以及接觸摩擦力；字母“M”表示彎矩，其下標(biāo)“1”、 “2”、 “N”分別表示F1、F2、FN產(chǎn)生的彎矩，下標(biāo)“a” “b”分別表示彎矩的逆時針、順時針方向，q1（x，y）、q2（x，y）、qN（x，y）分別為面密度載荷。

通過式（1），可以直接得出FN的表達式，可以看出FN與夾角α、β成正比，密封環(huán)的2個夾角α、β越大，則FN越大。相應(yīng)地，F(xiàn)N產(chǎn)生的接觸壓力則會增加。由于密封環(huán)周圍銷緊套、壓緊環(huán)等結(jié)構(gòu)型式已經(jīng)確定，則F1、F2、α、β即為常量，因此只能通過改變局部密封壓力分布的大小增大密封環(huán)與閥殼的局部接觸壓力。

由于先前的設(shè)計思路是B、E均保持較高的接觸壓力水平，但密封環(huán)要承受反復(fù)啟動停機載荷，產(chǎn)生塑性變形導(dǎo)致B、E點密封壓力降低，漏汽現(xiàn)象發(fā)生。因此可以通過單方面增加B或者E點的局部接觸壓力，從而達到密封目的。改變接觸壓力的方法可以通過改變q1（x，y）、q2（x，y）、qN（x，y）實現(xiàn)，根據(jù)式（3）得到MNa、MNb的表達式，見式（4～5）。

由式（4）可知：若增加B點的接觸壓力，即MNa增大，則M1a減小，M2a減小，M2b增大，MNb增大。但接觸面總合力FN不變，則MNb應(yīng)該減小以增加B點接觸壓力。q1（x，y）簡化為集中力F1，位置作用于D點，q2（x，y）簡化為集中力F2，位置作用于A點，可以得到B點的最大接觸壓力qB。

同理，根據(jù)式（5）得到：若增加E點的接觸壓力，則M1a增大，M2a增大，M2b減小，MNa則應(yīng)減小以增加E點接觸壓力，可以得到E點的最大接觸壓力qE。按照這2種優(yōu)化思路，密封環(huán)的受力分布則簡化為圖3。

圖3 2種密封環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的受力簡圖

圖3的2種簡化結(jié)構(gòu)均可以滿足密封要求，且比原結(jié)構(gòu)方案更優(yōu)的局部接觸應(yīng)力。因此在后續(xù)分析中，將上述2種方案均與原方案進行了對比研究。

4 材料性能影響分析

密封環(huán)材料的選取與其結(jié)構(gòu)以及工作的工況有關(guān)，通常選用線膨脹系數(shù)較大、且硬度較低的材料，以免碰傷閥殼。在有限元模擬分析時，密封環(huán)的塑性性能數(shù)據(jù)通常由試驗得到。數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向是否正確。

在材料試驗中，通常采用單軸拉伸試驗獲得對應(yīng)的單軸工程應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，見式（6～7）。

式中：F為拉伸載荷；A0為拉伸試樣的原始橫截面積；L0為用于測量拉伸變形的原始標(biāo)距；L為變形后的試樣長度。

為了描述材料的塑性階段的力學(xué)性能，一般采用真應(yīng)力σr和真應(yīng)變εr表示，見式（8～9）。

工程應(yīng)用中，絕大多數(shù)金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線滿足Holloman方程表達式，見式（10）。

式中：K為與材料相關(guān)的參數(shù)，可以通過工作溫度對應(yīng)的屈服強度σp0．2求得；n為硬化指數(shù)，一般通過材料的拉伸試驗獲得。

對于屈服點則有式（11）成立。

E為該溫度下屈服點對應(yīng)的彈性模量，根據(jù)求得的K和n可以得出該材料的真應(yīng)力應(yīng)變曲線。表1為材料在620℃下的實驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的硬化指數(shù)n的統(tǒng)計值。

表1 密封環(huán)材料應(yīng)變硬化指數(shù)n的試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)

由表1可知，硬化指數(shù)n在±3σ范圍內(nèi)的正態(tài)分布曲線如圖4所示，n的平均值為0.25，標(biāo)準(zhǔn)差σ為0.012。

圖4 硬化指數(shù)n的試驗數(shù)據(jù)正態(tài)分布圖

不同n的取值會影響材料的真應(yīng)力應(yīng)變曲線變化。根據(jù)不同n值按照Holloman公式進行擬合，得到其對應(yīng)的真應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 硬化指數(shù)對真應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

由圖5可以看出，硬化指數(shù)n的差異直接影響材料的應(yīng)力以及應(yīng)變水平。在同等應(yīng)變水平下，硬化指數(shù)越大，應(yīng)力越高。因此，在有限元分析密封性時，需要充分考慮硬化指數(shù)n對密封壓力的影響。

5 不同密封環(huán)結(jié)構(gòu)型式的有限元對比分析

5.1 計算載荷及邊界考慮

在有限元計算中，閥門結(jié)構(gòu)簡化為軸對稱模型，主要考慮蒸汽對銷緊套向上的頂緊力。壓緊環(huán)與銷緊套分別與密封環(huán)上下面接觸考慮，密封環(huán)與閥殼設(shè)置接觸，以研究這3個接觸面的接觸壓力分布。

5.2 不同密封環(huán)結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力對比

對原方案以及P1、P2方案進行對比分析驗證理論分析的正確性，n取0.23的真應(yīng)力應(yīng)變曲線進行模擬。為了方便描述3個密封面上的接觸壓力分布，分別定義3條有方向的線段，向量AC、DF、BE分別表示密封環(huán)的3個接觸面上的接觸壓力分布。

由圖6可以看出，原方案密封環(huán)的AC邊、DF邊局部接觸應(yīng)力水平較高，將近600 MPa，而BE邊最大接觸應(yīng)力約270 MPa，相對來說較低。當(dāng)閥門反復(fù)關(guān)閉打開時，會使得密封環(huán)的塑性變形增加，密封壓力降低。那么在這種情況下，接觸應(yīng)力低的位置最有可能發(fā)生蒸汽泄漏。因此，密封環(huán)BE邊的密封壓力必須有效提高。

圖6 原方案密封環(huán)的密封壓力分布

根據(jù)前面密封環(huán)的理論受力分析，圖7為不同結(jié)構(gòu)方案下BE邊的接觸壓力分布，可以看出：相對于原始方案，方案P1和P2均有效提高了局部接觸壓力，從270 MPa提高到450 MPa左右。

圖7 不同方案的密封環(huán)BE方向密封壓力分布

5.3 塑性特性對密封環(huán)接觸應(yīng)力的影響

由密封環(huán)的材料特性可知，硬化指數(shù)n的取值不同，也影響著材料的彈塑性本構(gòu)方程，亦會影響密封面的接觸壓力。因此需要對不同硬化指數(shù)下的密封環(huán)接觸應(yīng)力進行對比分析。由于本文對密封研究的側(cè)重點在于BE接觸面的接觸壓力，因此僅對該接觸面進行研究。圖8為原方案、方案P1以及方案P2在不同硬化指數(shù)n的BE方向密封壓力分布曲線圖。

圖8 不同方案在不同硬化指數(shù)下的BE方向密封壓力分布

由圖8可以得到不同硬化指數(shù)下各方案BE方向局部峰值接觸壓力對比，見表2。

表2 局部峰值接觸壓力對比MPa

由表2可知：（1）有限元計算的局部峰值應(yīng)力出現(xiàn)的位置與理論分析略有不同，但均出現(xiàn)在了比較靠近B或E的位置，說明有限元分析結(jié)果與理論分析基本一致； （2）硬化指數(shù)越高，則接觸壓力越大；（3）方案P1和P2相對于原方案，均有效提高了局部峰值接觸壓力。

若考慮硬化指數(shù)對接觸壓力的影響，均值壓力和局部峰值壓力波動范圍見表3。

表3 考慮硬化指數(shù)n影響的均值壓力以及局部峰值壓力波動范圍MPa

由表3可見，方案P1和P2局部峰值壓力均值較大，且波動范圍也處于較高水平，密封壓力水平較高。

6 實際運行效果驗證

圖9所示為某1 000 MW等級機組汽輪機高壓主汽閥密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的運行數(shù)據(jù)匯總，從圖中可以看出，軸封母管金屬溫度顯著降低（并且由結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的510℃降到320℃）。結(jié)果表明主汽閥漏汽問題得到明顯改善，密封結(jié)果與理論分析、有限元分析的結(jié)果基本一致。

圖9 某1 000 MW等級機組軸封母管溫度

7 總結(jié)

本文根據(jù)某汽輪機閥門密封結(jié)構(gòu)進行受力分析以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及對密封材料特性的研究結(jié)果表明：

（1）通過密封環(huán)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了密封環(huán)與閥殼接觸局部位置的接觸壓力，有限元分析結(jié)果表明相應(yīng)位置附近也產(chǎn)生了較高的接觸壓力，與理論分析結(jié)果基本一致。

（2）方案P1和P2均比原結(jié)構(gòu)的密封接觸壓力提高100～200 MPa，。

（3）密封環(huán)材料的應(yīng)變硬化指數(shù)對密封接觸壓力產(chǎn)生影響，就密封環(huán)與閥殼接觸面而言，硬化指數(shù)越大，則接觸壓力越大，越有利于密封。

（4）機組的運行數(shù)據(jù)表明，密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，軸封母管金屬溫度顯著降低，與理論分析、有限元分析的結(jié)果基本一致。