曾 強(qiáng) 周桂鋒 辛江華

（中海石油深海開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518000）

索拉透平公司總部位于美國加利福尼亞州圣迭哥市，是卡特彼勒公司的子公司。索拉是全球領(lǐng)先的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)制造商，目前已有超過15000 余臺(tái)套輪機(jī)在100多個(gè)國家運(yùn)轉(zhuǎn)超過25 億小時(shí)。索拉產(chǎn)品在全球范圍的石油、天然氣及發(fā)電項(xiàng)目的開發(fā)中扮演著重要角色。

中海石油某天然氣處理終端選用索拉Titan250 燃?xì)馔钙綑C(jī)組，直接驅(qū)動(dòng)筒式壓縮機(jī)，為天然氣增壓外輸提供動(dòng)力。Titan250 是索拉全球范圍內(nèi)最大機(jī)型，其壓氣機(jī)16級(jí)，透平渦輪4 級(jí)，為雙軸燃?xì)廨啓C(jī)，前兩級(jí)渦輪驅(qū)動(dòng)GP軸，后兩級(jí)渦輪驅(qū)動(dòng)PT 軸，通過聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)索拉C611 筒式壓縮機(jī)。依據(jù)索拉透平維護(hù)手冊(cè)[1]，燃?xì)馔钙矫窟\(yùn)行30000h 需進(jìn)行大修置換機(jī)芯，以確保機(jī)組在下一個(gè)大修周期內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行。

1 燃?xì)馔钙街脫Q技術(shù)

透平是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)的旋轉(zhuǎn)熱力機(jī)械，是由壓氣機(jī)、燃燒室和透平渦輪三大部分及相應(yīng)輔助系統(tǒng)設(shè)備組成的成套動(dòng)力裝備。其工作原理為一個(gè)熱力學(xué)循環(huán)：進(jìn)氣- 壓縮- 燃燒- 膨脹- 做功- 排氣。燃?xì)廨啓C(jī)以空氣為工作介質(zhì)，壓氣機(jī)從外界大氣中吸入空氣，并將空氣進(jìn)行壓縮，經(jīng)過壓縮的氣體一部分進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料相混合，點(diǎn)火燃燒，產(chǎn)生高溫高壓高速的燃?xì)?，具有高溫高壓高速的燃?xì)膺M(jìn)入透平渦輪膨脹做功，使渦輪高速旋轉(zhuǎn)，并推動(dòng)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子以及驅(qū)動(dòng)負(fù)載一起高速旋轉(zhuǎn)[2]。

索拉燃?xì)馔钙街脫Q技術(shù)牢牢掌握在廠家手里，屬于卡脖子關(guān)鍵核心技術(shù)。索拉公司向客戶提供一臺(tái)翻新的燃?xì)馔钙綑C(jī)芯用于置換，并將置換下來的舊機(jī)芯返回美國拆解，檢查更換壓氣機(jī)葉片、動(dòng)力渦輪、軸承、密封等易損部件。Titan250 全亞洲僅有8 臺(tái)，而中海石油某公司在南海東部就擁有其中的5 臺(tái)，自2014 年投產(chǎn)以來，還未進(jìn)行過大修置換，此次置換也是全亞洲首臺(tái)Titan250 置換。受疫情影響，原計(jì)劃索拉美國廠家無法到現(xiàn)場(chǎng)開展置換工作，只能由生產(chǎn)方組織技術(shù)力量開展攻關(guān)，攻堅(jiān)置換難題。

2 透平置換技術(shù)難點(diǎn)分析

2.1 置換對(duì)中效率低、精準(zhǔn)度不夠

透平壓縮機(jī)為高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，轉(zhuǎn)速高達(dá)10000rpm，定位尺寸精密，安裝配合精度高，對(duì)中工藝要求極高。并且機(jī)芯重量超過22 噸，體積龐大，由數(shù)千個(gè)零部件組成，置換對(duì)中作業(yè)復(fù)雜。索拉公司置換對(duì)中使用其具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的對(duì)中軟件，但不提供給現(xiàn)場(chǎng)使用，如何保證對(duì)中精準(zhǔn)度，這是擺在眼前不可逾越的一個(gè)難關(guān)。傳統(tǒng)對(duì)中方法對(duì)于超大型機(jī)組來說，對(duì)中效率低、精準(zhǔn)度不夠。

2.2 置換技術(shù)要點(diǎn)多，創(chuàng)新要求高

此次置換需要移除的機(jī)組附屬系統(tǒng)設(shè)備有數(shù)百項(xiàng)，涉及機(jī)械、電氣、儀表等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，步驟復(fù)雜、工程量大。譬如進(jìn)氣蝸殼回裝時(shí)，常常由于體積大、剛度不夠，造成前后法蘭面裝配不到位，損壞密封圈、造成蝸殼變形等情況發(fā)生。針對(duì)置換中遇到的難題，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照廠家完工文件，并查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)[3]，逐個(gè)分析討論，開展技術(shù)創(chuàng)新，開發(fā)軟件，設(shè)計(jì)工裝，最終一一攻克難題。

3 透平置換技術(shù)創(chuàng)新總結(jié)

3.1 基于雙表法的對(duì)中計(jì)算軟件

透平置換對(duì)中是保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵條件。索拉公司置換對(duì)中使用其具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的對(duì)中軟件，無法提供給現(xiàn)場(chǎng)使用，這對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)自主置換來說，是不可逾越的關(guān)鍵一環(huán)。為突破這一瓶頸，置換團(tuán)隊(duì)從雙表法機(jī)械對(duì)中原理出發(fā)，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)計(jì)算公式，并利用實(shí)際對(duì)中數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn)校正，最終實(shí)現(xiàn)了雙表法中四種模式調(diào)整值的精確計(jì)算。然后按照計(jì)算邏輯，編寫代碼，匯編成軟件，成功完成了基于雙表法的對(duì)中計(jì)算軟件開發(fā)。經(jīng)過數(shù)次對(duì)中實(shí)踐驗(yàn)證，軟件計(jì)算結(jié)果精確有效，打破索拉對(duì)中軟件的封鎖。該軟件已經(jīng)取得了國家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)，證書編號(hào)：軟著登字第8165996 號(hào)。

3.1.1 構(gòu)件數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)計(jì)算公式

雙表法對(duì)中是用兩個(gè)百分表檢查聯(lián)軸器輪轂和端面，并根據(jù)百分表數(shù)值，判斷機(jī)組是否滿足對(duì)中標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械對(duì)中方法。當(dāng)對(duì)中結(jié)果不滿足要求時(shí)，利用偏差值和標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比對(duì)，通過逐步換算和調(diào)整，最終達(dá)到對(duì)中標(biāo)準(zhǔn)。

通過對(duì)測(cè)得的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算分析，確定兩軸在空間的相對(duì)位置，最后得出調(diào)整值和調(diào)整方向，達(dá)到較為精確的軸對(duì)中。根據(jù)架表和打表位置的不同，雙表法有四種模式，分別是表架于固定端且表打內(nèi)孔、表架于固定端且表打外緣、表架于移動(dòng)端且表打內(nèi)孔、表架于移動(dòng)端且表打外緣[4]。這四種模式的計(jì)算過程不同，需分別構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)計(jì)算公式。

首先，構(gòu)建對(duì)中基準(zhǔn)模型：假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值Bore（軸向）12點(diǎn)、3 點(diǎn)、6 點(diǎn)、9 點(diǎn)數(shù)值分別為A、B、C、D，標(biāo)準(zhǔn)值Face（端面）12 點(diǎn)、3 點(diǎn)、6 點(diǎn)、9 點(diǎn)數(shù)值分別為E、F、G、H；實(shí)際偏差Bore12 點(diǎn)、3 點(diǎn)、6 點(diǎn)、9 點(diǎn)數(shù)值分別為a、b、c、d，實(shí)際偏差Face12 點(diǎn)、3 點(diǎn)、6 點(diǎn)、9 點(diǎn)數(shù)值分別為e、f、g、h。如圖1 所示。

圖1 對(duì)中基準(zhǔn)模型

其次，構(gòu)件機(jī)組相對(duì)位置模型，移動(dòng)端外伸量為L(zhǎng)1，地腳跨距為L(zhǎng)2，固定端端面直徑S，移動(dòng)端端面直徑為M。如圖2 所示。

圖2 機(jī)組相對(duì)位置模型

最后，根據(jù)數(shù)值構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，按照相似三角形原理，即可推導(dǎo)出四種模式下調(diào)整值的計(jì)算公式。

3.1.2 設(shè)計(jì)軟件架構(gòu)，編寫代碼生成軟件

根據(jù)計(jì)算公式中所需要用到的數(shù)據(jù)，按照先后順序，設(shè)計(jì)六個(gè)界面，分別是“開始”、“機(jī)器參數(shù)設(shè)定”、“標(biāo)準(zhǔn)值”、“實(shí)際偏差值”、“模式選擇”、“調(diào)整值”界面。

軟件界面邏輯及操作流程如下：在“開始”界面，輸入賬號(hào)、密碼后，即可進(jìn)入“機(jī)器參數(shù)設(shè)定”界面；進(jìn)入“機(jī)器參數(shù)設(shè)定”界面后，輸入移動(dòng)端外伸量、地腳跨度值，即可進(jìn)入“標(biāo)準(zhǔn)值”設(shè)定界面；進(jìn)入“標(biāo)準(zhǔn)值”界面后，在對(duì)應(yīng)的空白文本框內(nèi)輸入標(biāo)準(zhǔn)值，即可進(jìn)入“實(shí)際偏差值”界面；進(jìn)入“實(shí)際偏差值”界面后，在對(duì)應(yīng)的空白文本框內(nèi)輸入實(shí)際偏差值及端面直徑后，即可進(jìn)入“模式選擇”界面；進(jìn)入“模式選擇”界面后，根據(jù)需要，選擇四種模式中的一種，即可進(jìn)入“調(diào)整值”界面；進(jìn)入“調(diào)整值”界面后，單擊“顯示結(jié)果”，將計(jì)算出調(diào)整值得大小和方向。

每個(gè)界面都附有示意圖，方便理解、掌握和參數(shù)輸入；每個(gè)窗口都設(shè)置返回到上一界面的選項(xiàng)，方便修改數(shù)據(jù)。根據(jù)每個(gè)界面需要實(shí)現(xiàn)的功能，利用編程軟件C#，編寫相應(yīng)的代碼，然后匯編成軟件。六個(gè)界面設(shè)計(jì)示意圖如圖3 所示。

圖3 六個(gè)界面設(shè)計(jì)示意圖

3.1.3 對(duì)中計(jì)算軟件試驗(yàn)與應(yīng)用

軟件開發(fā)完成后，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用。在Titan250 透平置換機(jī)組對(duì)中過程中，經(jīng)過數(shù)次對(duì)中實(shí)踐驗(yàn)證，軟件計(jì)算結(jié)果精確有效，趨勢(shì)良好，經(jīng)過不到兩天的時(shí)間就完成了對(duì)中調(diào)整作業(yè)，取得了良好的效果，打破索拉對(duì)中軟件的封鎖。

3.2 一種用于Titan250 進(jìn)氣蝸殼裝配的可調(diào)節(jié)定位支撐

法蘭面的配合精度不夠，出現(xiàn)配合間隙超標(biāo)的情況。

3.2.1.3 蝸殼后法蘭面無法通過密封圈：當(dāng)后法蘭面變形嚴(yán)重時(shí)，該法蘭面甚至難以越過密封圈，導(dǎo)致安裝不到位。時(shí)常出現(xiàn)前法蘭面已經(jīng)到位，但后法蘭面尚未穿過密封圈的情況。

3.2.1.4 后法蘭面密封圈損壞：當(dāng)后法蘭面變形嚴(yán)重時(shí)，在穿越密封圈時(shí)可能會(huì)剪切破壞密封圈。

3.2.1.5 進(jìn)氣蝸殼裝配安裝難度大，需要頻繁調(diào)整送入角度才能保證平行穿越密封圈，同時(shí)需要頻繁調(diào)整后法蘭面，才能保證蝸殼配合精度。進(jìn)氣蝸殼裝配示意圖如圖4 所示。

圖4 進(jìn)氣蝸殼裝配示意圖

針對(duì)Titan250 進(jìn)氣蝸殼回裝難題，自主開發(fā)一種可調(diào)節(jié)定位支撐，安裝在進(jìn)氣蝸殼法蘭面之間，保證兩個(gè)法蘭面在安裝時(shí)平行推入，防止變形，提高裝配精度和質(zhì)量，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，快速完成精準(zhǔn)回裝。該實(shí)用新型專利已提交技術(shù)交底和備案，獲得國家專利局受理通知，專利號(hào)：202220370284.3。

3.2.1 Titan250 進(jìn)氣蝸殼回裝難點(diǎn)

Titan250 進(jìn)氣蝸殼體積龐大，分為前后兩層法蘭，整體為不銹鋼材質(zhì)，蝸殼壁厚較薄。其中前法蘭面采用墊片法蘭密封，后法蘭面采用密封圈密封；蝸殼回裝固定時(shí)，依托前法蘭面螺栓壓緊。但由于不銹鋼蝸殼整體剛度不夠，在裝配時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)如下問題：

3.2.1.1 蝸殼后法蘭面較易變形：蝸殼裝配時(shí)，兩個(gè)法蘭面之間沒有支撐，前法蘭面為主要受力面，后法蘭面為被動(dòng)受力面，且后法蘭面裝配一套微凸起的密封圈，導(dǎo)致后法蘭面在推入的過程中容易出現(xiàn)變形和不平衡。

3.2.1.2 蝸殼后法蘭面配合間隙超標(biāo)：由于后法蘭面在推入過程中出現(xiàn)一定的變形，導(dǎo)致后

3.2.2 可調(diào)節(jié)定位支撐桿結(jié)構(gòu)介紹

一種用于Titan250 進(jìn)氣蝸殼裝配的可調(diào)節(jié)定位支撐，3D 設(shè)計(jì)及裝配示意圖如圖5 所示。

圖5 可調(diào)節(jié)定位支撐3D 和裝配示意圖

3.2.2.1 該可調(diào)節(jié)定位支撐桿由法蘭支撐桿、中間螺桿和連接鋼絲繩構(gòu)成。整體為可拆卸式，每組支撐長(zhǎng)度可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍為0-100mm。

3.2.2.2 法蘭支撐桿，共8 套，每套由不銹鋼鋼管、斜拉筋、半月環(huán)構(gòu)成。鋼管一端為空心內(nèi)螺紋，鋼管另一端與半月環(huán)焊接，鋼管腹部與半月環(huán)兩端采用斜拉筋焊接。鋼管長(zhǎng)度為兩法蘭面間距的2/5；外徑為25mm，內(nèi)徑為16mm，采用反向螺紋，螺紋深度為支撐桿長(zhǎng)度的1/2。每根鋼管腹部1/2 以下10mm 處和20mm 處，開M6 直通孔。半月環(huán)直徑為后法蘭直徑，長(zhǎng)度為后法蘭周長(zhǎng)的1/6。斜拉筋采用8mm 不銹鋼實(shí)心桿，腹部焊接位置為支撐桿靠近半月環(huán)側(cè)的1/3 處，半月環(huán)焊接位置為其兩端。

3.2.2.3 中間螺桿，采用16mm 實(shí)心不銹鋼桿，長(zhǎng)度為兩法蘭面間距的2/5。螺桿中間50mm 為外六方桿，兩端螺紋為反向螺紋；便于調(diào)節(jié)定位支撐的長(zhǎng)度。

3.2.2.4 連接鋼絲繩共2 條，直徑為4mm，總長(zhǎng)度為法蘭周長(zhǎng)的110%。鋼絲繩一端安裝鎖緊塊，構(gòu)成死繩端，鋼絲繩另一個(gè)安裝可拆卸鎖緊機(jī)構(gòu)。使用時(shí)，鋼絲繩穿過每根法蘭支撐桿的M6 直通孔，累計(jì)繞成一圈，并在末端鎖緊。鎖緊后的鋼絲繩，可以防止可調(diào)節(jié)定位支撐松脫。

3.2.2.5 使用時(shí)，將一根中間螺桿與兩個(gè)法蘭支撐桿連接，構(gòu)成一套可調(diào)節(jié)定位支撐。在進(jìn)氣蝸殼兩個(gè)法蘭面之間對(duì)稱安裝4 套可調(diào)節(jié)定位支撐，并使用鋼絲繩繞一圈后拉緊。

3.2.3 可調(diào)節(jié)定位支撐桿實(shí)踐與應(yīng)用

在進(jìn)氣蝸殼兩個(gè)法蘭面之間，對(duì)稱平行安裝四組可調(diào)節(jié)定位支撐，并將支撐桿之間鋼絲繩拉緊，保證四組支撐相對(duì)平行。此時(shí)兩個(gè)法蘭面保持平行，且有足夠的支撐強(qiáng)度。再按照正常流程裝配進(jìn)氣蝸殼，可實(shí)現(xiàn)一次性精確安裝。

該可調(diào)節(jié)定位支撐在Titan250 進(jìn)氣蝸殼回裝時(shí)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，保證了進(jìn)氣蝸殼的剛度，提高進(jìn)氣蝸殼的裝配精度和質(zhì)量，有效避免損壞密封膠圈，防止進(jìn)氣蝸殼變形，簡(jiǎn)化了裝配流程，提高裝配效率，取得了較好的實(shí)踐效果。

4 結(jié)論

本文闡述了中海石油某天然氣處理終端對(duì)索拉Titan250 機(jī)組開展透平置換攻堅(jiān)，突破技術(shù)封鎖，開展技術(shù)創(chuàng)新，最后研究形成專利技術(shù)成果。此次置換是全國范圍內(nèi)的首次Titan250 置換，積累了大量的置換經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新工作方式，獲得了“基于雙表法的對(duì)中計(jì)算軟件”和“一種用于Titan250 進(jìn)氣蝸殼裝配的可調(diào)節(jié)定位支撐”兩個(gè)技術(shù)創(chuàng)新總結(jié)，為索拉其他型號(hào)燃?xì)馔钙綑C(jī)組置換提供了技術(shù)參考。