汽轮机高压内缸变形问题的讨论

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1、汽轮机高压内缸变形问题的探讨梅志农(上海市电力公司上海200002)摘要：通过汽缸变形的机理以及实际的运行方式、运行记录数据等资料，对杨树浦发电厂125MW机组在投运1年后发现2号机内缸变形进行了深入的探讨，得出内缸变形的原因是汽轮机在启动和增负荷阶段，因温度变化率超过设计值，引起内缸热应力超过材料的屈服极限而发生塑性变形。该结论为今后机组安全运行提供了技术依据。关键词：高压内缸塑性变形热变形快冷系统1999年9～10月，杨树浦发电厂改建工程2号机组在计划大修期间，发现高压内缸法兰接合面部分呈内张口变形，

2、同时高压内缸与中压内缸之间的汽封部分磨损。在大修停机时，为缩短汽缸冷却至开缸温度时间，按汽轮机制造厂快速冷却的要求，在实施滑参数停机后，进行汽轮机强迫冷却试验工作。　　由于运行过程完全由控制系统自动进行，停机过程采用滑参数方式，加上投快速冷却系统，使内缸的变形原因分析复杂化。因此，电厂从汽缸变形的机理，辅以启停过程中的原始数据以及再次投运后启动和带负荷运行试验，客观、全面地对汽缸变形的可能原因逐一进行分析，从而得出2号机内缸变形是由于汽轮机启动和增负荷过程中实际温度变化率超过制造厂自动控制设定值，造成内缸

3、内外壁温差过大而发生塑性变形的结论。1汽缸塑性变形的原因分析1.1汽缸变形的可能原因　（1）常见原因是汽轮机在变动工况，例如启动和停机过程中温度变化率过大，使汽缸内外壁和法兰内外壁温差过大，不仅产生热翘曲，而且产生较大的热应力。当热应力超过材料的屈服极限时，则产生塑性变形，在温差消失后，法兰接合面会出现张口，并可能造成漏汽，这种变形有一定规律，可按变形现象形成的机理来进行分析。　　  （2）汽缸也会因制造缺陷在运行一段时间后产生变形。主要原因是铸造后的大件，因厚度不同，浇口位置等影响，在凝结冷却过程中因冷

4、却速度不同，留有残余应力，若未很好消除，则在运行中随着温度的变化，内应力会消失，造成汽缸发生变形。1.22号机高压内缸变形原因  （1）汽缸壁内外温差引起的热变形　　2号汽轮机高压段为双层缸，在内外缸之间夹层中流过的是高压段的排汽返流至中压段，内缸外壁没有隔热屏屏蔽，内缸外壁受到低温汽冷却，故内缸内外壁间的温差较大。　　当汽缸壁厚在内壁温度高于外壁温度时，内壁热膨胀量较外壁大，内壁热膨胀受外壁的约束，使内壁受压应力，而外壁受拉应力。当汽轮机启动及加负荷过快，内壁温升率很大时，则会引起内外壁温差很大，内壁所

5、受压应力也很大，若超过材料的屈服限，则将产生塑性变形。在汽缸内外壁温差趋于零后，例如停机完全冷却后，这种内壁因受压而产生的永久变形已使内壁圆周变短，外壁基本不变，故汽缸法兰接合面处主要呈现内张口变形。汽轮机的降温过程过快，同样会造成汽缸外张口变形。 （2）汽缸法兰内外壁温差引起的热变形　　2号汽轮机汽缸法兰厚度是缸壁的3～4倍，故法兰温度低，因此法兰沿轴向法兰内外壁均存在较大温差，在水平面内产生热变形。　　当法兰内壁温度高于外壁温度时，内侧热膨胀量大，外侧热膨胀量小，则沿汽缸轴向方向各横截面产生弯曲变形，

6、两端向外弯曲，中间向内弯曲，因汽缸垂直方向刚度小，在这种变形力的作用下，汽缸两端的水平部分被拉大，呈一横椭圆形（水平轴大于垂直轴），使通流部分上下间隙变小，水平间隙变大，法兰接合面呈外张口；中间部分成为一竖椭圆形（垂直轴大于水平轴），法兰呈内张口。2汽缸变形测量和启动数据的分析2.1内缸变形量测量结果　　1999年9月17～19日，对变形内缸进行了不紧螺栓、紧1/3螺栓、紧全部螺栓和热紧全部螺栓后汽缸中分面间隙测量，不紧螺栓的测量结果见图1。　　测量结果为汽缸已发生内张口变形，变形最大部分在高压汽封端，未

7、紧螺栓时测量上下缸椭圆度上下方向6.3mm，三弯方向3.95mm；热紧螺栓后，内缸中分面最大张口为0.05mm可塞进40～50mm，在高压汽封端处椭圆度测量为4.77mm，三弯方向4.71mm。　　从测量的数据可知，从高压汽封向两端以轴向方向内张口变形量逐渐变小，这与汽缸在启动和加负荷时引起变形的机理相符。热紧全部螺栓后可消除内张口，这虽然可以保证正常工况时高压内缸中分面无间隙运行，不会吹坏汽缸平面，但由于已发生内张口变形，原制造厂要求的螺栓热紧力为克服内张口塑性变形量，使原有水平接合面的紧力余度相应减少

8、，如果通过增加螺栓紧力来达到原紧力要求，则螺栓的使用寿命将减少。2.2启动数据的分析　　2号机大修后再次启动时，对机组的主蒸汽温度、高压内缸壁温度等重要参数进行了记录，汽轮机启动和带负荷过程完全按制造厂预置的程序实现自动启动。　　制造厂的设计思想是通过内缸壁2点100％深度的温度测点来换算出汽轮机转子应力，而整个启动、停机和增减负荷过程的应力控制是以转子的计算应力进行设置，所以如果实际转子应力满足要求范围，则可推断高压内缸应力