摘要 :介紹了超臨界 600 MW 機(jī)組金屬纏繞墊片使用過(guò)程中存在的問(wèn)題 , 根據(jù)使用條件和法蘭結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)墊片進(jìn)行了優(yōu)化 , 確保了機(jī)組的安全運(yùn)行 , 可為有關(guān)人員提供參考。
浙江大唐國(guó)際烏沙山發(fā)電有限責(zé)任公司一期工程共有 4 臺(tái) 600 MW 燃煤機(jī)組 , 汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司引進(jìn)日本三菱重工技術(shù)生產(chǎn)的 600 MW 超臨界機(jī)組 , 主蒸汽溫度 566 ℃, 主蒸汽壓力 24 .2 MPa , 機(jī)組于 2006 年起相繼投運(yùn)。在 2 年多的運(yùn)行過(guò)程中 , 4 臺(tái)機(jī)組多次出現(xiàn)了導(dǎo)汽管法蘭漏汽事故。 由于漏汽量較大 , 只能停機(jī)更換這種金屬纏繞墊片或進(jìn)行帶壓堵漏處理。 為了徹底解決漏汽問(wèn)題 , 對(duì)高、 中壓主蒸汽管用金屬纏繞墊片進(jìn)行跟蹤分析 , 發(fā)現(xiàn)了此種墊片在選型上存在很大問(wèn)題 , 必須進(jìn)行改進(jìn)才能滿(mǎn)足機(jī)組安全、 穩(wěn)定運(yùn)行的要求。
1.墊片及法蘭的結(jié)構(gòu)分析 表1 統(tǒng)計(jì)了每臺(tái)機(jī)組所用墊片及法蘭的尺寸、 結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 從表 1 中可以看出 , 所用法蘭的結(jié)構(gòu)有凹凸法蘭和榫槽法蘭 2 種形式 , 與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)核對(duì)后可知法蘭結(jié)構(gòu)無(wú)任問(wèn)題 , 法蘭尺寸、緊固件的結(jié)構(gòu)和尺寸、 緊固件的緊固力矩均符合有關(guān)設(shè)計(jì)要求。三菱重工采用的金屬纏繞墊片由日本著 名的密封件公司 Nichias 生產(chǎn)。 使用部位為榫槽面或凹凸面法蘭 , 墊片型式全部為基本型。將三菱重工的法蘭、 緊固件和密封件的設(shè)計(jì)與相關(guān)的國(guó)家和國(guó)際法蘭、 緊固件標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較 , 發(fā)現(xiàn)法蘭厚度、 緊固件的直徑等都比國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的更為保守 , 因此 , 墊片泄漏與法蘭、 緊固件并沒(méi)有直接的因果關(guān)系。三菱重工對(duì)墊片使用部位的法蘭密封部位尺寸設(shè)計(jì)思想則與我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有較大出入 , 三菱把法蘭的榫槽/凹凸面的凸出高度設(shè)計(jì)成當(dāng)墊片被安裝到位時(shí) , 上下兩片法蘭是緊緊貼合的 ;而國(guó)內(nèi)則設(shè)計(jì)成法蘭間留有一定間隙。 但是這一區(qū)別也不能完全解釋法蘭泄漏的原因。
2.泄漏原因分析 2.1 墊片的內(nèi)徑尺寸過(guò)大對(duì)基本型墊片的尺寸 , 國(guó)內(nèi)所有的標(biāo)準(zhǔn)均按以下原則設(shè)計(jì) :墊片的內(nèi)外徑基本上按榫槽面法蘭的榫內(nèi)外徑尺寸 , 如 PN 系列和 Class 系列的墊片內(nèi)徑是按法蘭的 Z +0.5(Z 為榫槽結(jié)構(gòu)法蘭的凹槽內(nèi)徑)或 W -0 .5(W 為榫槽結(jié)構(gòu)法蘭的榫內(nèi)徑)設(shè)計(jì)。 換句話說(shuō) , 墊片在榫槽內(nèi)的工作狀態(tài)與帶內(nèi)環(huán)和定位環(huán)型墊片是類(lèi)似的。 如果榫槽面法蘭用基本型墊片的內(nèi)徑過(guò)大 , 墊片內(nèi)徑處便沒(méi)有了約束。 當(dāng)墊片被施加預(yù)緊力后墊片會(huì)產(chǎn)生變形 , 其中厚度方向上的變形是主要的 , 也是墊片實(shí)現(xiàn)密封所必需的 , 因?yàn)槊芊馐怯煞ㄌm與墊片接觸表面產(chǎn)生的大于介質(zhì)壓力的應(yīng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 對(duì)金屬纏繞墊片而言 , 實(shí)現(xiàn)這種密封的最小預(yù)緊應(yīng)力是工作介質(zhì)壓力的 3 倍(既墊片系數(shù) m =3), 實(shí)際安裝時(shí)通常按此再予以加倍。 例如表 1中序號(hào) 6 墊片的預(yù)緊應(yīng)力就設(shè)計(jì)成 180 .1MPa , 是介質(zhì)壓力 24.2 MPa 的 7 .4倍。隨著時(shí)間推移 , 墊片的內(nèi)徑處還會(huì)產(chǎn)生向內(nèi)方向的徑向變形 ,即 “ 徑向屈曲” 。 這種變形將對(duì)正常密封造成破壞。 由于徑向屈曲的存在和持續(xù)發(fā)展 ,造成了墊片的應(yīng)力松弛 , 當(dāng)墊片與法蘭接觸面上的應(yīng)力降到一定程度時(shí)便開(kāi)始了泄漏 ,并隨使用時(shí)間的延續(xù)而加劇。 只要金屬纏繞墊片的結(jié)構(gòu)合理 , 發(fā)生密封失效的情況通常不會(huì)發(fā)生。 2.2 墊片型式錯(cuò)誤 為了防止徑向屈曲 , 在 ASME B16 .20 、EN12560 -2 和 EN1514 -2 等國(guó)外金屬纏繞墊片標(biāo)準(zhǔn)中都有這樣的規(guī)定 :第一 , 推薦所有壓力等級(jí)的金屬纏繞墊片帶內(nèi)環(huán) ;第二 , 當(dāng) PN 或CLASS 在一定值(PN6 .3)及以上時(shí)規(guī)定應(yīng)帶內(nèi)環(huán) , 新標(biāo)準(zhǔn)是 “ 強(qiáng)力推薦所有壓力等級(jí)的墊片均應(yīng)帶內(nèi)環(huán)。 如 ASME B16 .20 推薦用柔性石墨為填充帶的墊片應(yīng)帶內(nèi)環(huán)、 CLASS1500 和DN300 及以上應(yīng)帶內(nèi)環(huán) ;EN1514 -2 規(guī)定PN63 及以上金屬纏繞墊片應(yīng)帶內(nèi)環(huán) ;EN12560 -2 則規(guī)定 CLASS1500 及以上的所有尺寸應(yīng)帶內(nèi)環(huán)等。由此推斷 , 當(dāng)墊片存在內(nèi)徑空擋時(shí) , 不帶內(nèi)環(huán)是不安全的。 2.3墊片選料不當(dāng) 對(duì)金屬纏繞墊片的鋼帶材質(zhì)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn) , 三菱重工使用的材料是 SUS316 。 通常認(rèn)為在 566 ℃汽溫下選擇 SUS316 材料做墊片的鋼帶并不恰當(dāng)。 因?yàn)楫?dāng)溫度為 500 ℃以上時(shí) ,這種材料的最高無(wú)沖擊工作壓力便衰減為常 溫時(shí)的 61 %, 只比 SUS304 高出約 4 %, 耐高溫特性不如 SUS310 、 INLOLOY 800 等材料。 雖然三菱重工在選用材料時(shí)已經(jīng)考慮到這點(diǎn) ,使用時(shí)不會(huì)造成嚴(yán)重的后果 , 但從更安全的角度考慮 , 材料的耐高溫性能應(yīng)該再好些 , 比如采用 SUS310 、 INCOLOY 800 等。
3 采取的對(duì)策 (1)給金屬纏繞墊片加內(nèi)環(huán) 。 考慮到與相同壓力等級(jí)和直徑的墊片密封面設(shè)計(jì)寬度相比 ,使用部位留給墊片密封面的寬度已經(jīng)不大 ,所以就采取了在內(nèi)徑部位加鋼絲內(nèi)環(huán)的方法 , 鋼絲內(nèi)環(huán)的位置恰好與原設(shè)計(jì)所留出的空擋相當(dāng)。 雖然鋼絲內(nèi)環(huán)與通常由鋼板加工而成的內(nèi)環(huán)相比有所區(qū)別(見(jiàn)圖 1)。 但對(duì)改善墊片力學(xué)性能的效果還是明顯的。 (2)由于 金屬纏繞墊片用于高溫 、 高壓部位 ,且對(duì)可靠性要求非常高 , 將墊片的厚度由 4 .5 mm加厚至 5 mm , 也就是將鋼帶 V 型角度由 60°改為 75°, 改善了墊片密封元件的壓縮回彈性能。 (3)改進(jìn)了金屬纏繞墊片鋼帶的材料 。 選用耐高溫性能更好的材料(耐溫可達(dá) 800 ℃)替代SUS316 。 由于對(duì)水蒸汽的腐蝕性幾乎可不考慮 , 所以可根據(jù)高溫下的許用應(yīng)力大小來(lái)選擇材料。
4 其它相關(guān)問(wèn)題 密封效果的好壞除了與金屬纏繞墊片是否滿(mǎn)足特定要求外 , 還與法蘭螺栓及安裝方法密切相關(guān)。墊片安裝應(yīng)注意以下幾點(diǎn): (1)安裝前必須仔細(xì)清理法蘭接觸表面可能存在的雜物等。 (2)對(duì)墊片不允許進(jìn)行任何的打磨 、 預(yù)壓等預(yù)處理。 (3)密封面應(yīng)涂抹高溫、 高壓密封涂料 。 (4)螺栓、 螺帽應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行潤(rùn)滑處理 。 (5)擰緊螺栓時(shí) , 應(yīng)按規(guī)定順序(對(duì)角線法)擰緊 30 %扭矩 , 同樣方法加扭矩到 60 %,再加到規(guī)定的全部扭矩 , 最后再按最大扭矩繞圈擰緊 1 ～ 2 周(遍)。 (6)對(duì)金屬纏繞墊片允許 “熱緊” (設(shè)備或系統(tǒng)在一定參數(shù)下 , 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行 , 安裝有墊片處已處于熱態(tài) , 此時(shí)再停運(yùn)設(shè)備并對(duì)法蘭螺栓重新緊固)?！?熱緊” 可以有效降低螺栓因溫度變化帶來(lái)的應(yīng)力松馳。 但是絕對(duì)不允許帶壓 “熱緊” 。
5 結(jié)論 按對(duì)策(1)、 (2)制做了高、 中壓導(dǎo)汽管法蘭墊片 , 正式安裝使用后 , 再未出現(xiàn)泄漏情況。 又按對(duì)策(1)-(3)制做了高壓主汽門(mén)門(mén)蓋墊片 , 其使用效果也非常顯著 , 墊片泄漏問(wèn)題已基本得到解決。
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