盖书博 张科雷
平顶山姚孟发电有限责任公司 河南 平顶山 467000
【关键词】 导汽管 漏汽
某电厂#5、6机组为CLN600-24.2/566/566型超临界一次中间再热、单轴、三缸四排汽凝汽式汽轮机。布置有4根高压导汽管和4根中压导汽管引导蒸汽进入汽轮机，其中上下各布置有2根。高压导汽管和中压导汽管位于下部的2根采用焊接结构，位于上部的2根采用法兰连接，法兰水平布置便于机组大修时进行拆卸。
两台机组于2007年投入商业运行，投运不到1年高压导汽管均发生不同程度漏汽，先后采取过更换柔性石墨金属缠绕垫片、柔性石墨齿形垫、车削法兰等措施均未彻底解决，至今仍存在不同程度的漏汽，导汽管法兰长期漏汽不仅存在重大安全隐患而且大量高品质蒸汽泄漏还会造成机组的热效率降低给发电厂造成较大经济损失。
1.高压导汽管法兰为榫槽结构，在圆周上均布16条耐高温合金钢螺栓，螺栓材质为R26，规格为2′′-655,法兰材质为ASME SA-335 P91，法兰垫片为柔性石墨金属缠绕垫，金属带材质为0Cr17Ni12Mo2，规格?378*341*5。法兰凹槽深度6.5mm，法兰凸台高度3.5mm。法兰紧固后两法兰间隙0.70mm，垫片压缩量1.30mm，垫片压缩率26%，压缩率符合垫片制造厂家的技术要求。
图1 法兰结构图
2.经过对历次维修资料进行整理分析可以排除因密封面损伤导致泄漏的可能，并且发现厂家给出的法兰螺栓初紧力矩仅为672.28N?M，明显偏小。672.28 N?M的力矩无法使法兰完全合拢，所以在实际工作中均使用电动液压扳手对螺栓进行冷紧，直至法兰四周间隙均小于2mm且对称测量四点任意两组数据偏差不大于0.10mm为止。然后使用螺栓加热棒加热螺栓后进行紧固。螺栓伸长量的设计值为1.1mm，换算成螺帽转角为176°[1]。按照以上方法对螺栓进行紧固后在机组启动后运行一段时间仍然发生泄漏。当把5mm厚的金属缠绕垫片更换为5.2mm厚的齿形垫后并且采用相同的方法对法兰进行紧固，垫片压缩率增加至30%仍然无法彻底消除法兰漏汽。
3.法兰漏汽原因分析
3.1法兰在冷态下紧固完毕后虽然垫片已被压缩至规定的压缩量，法兰密封面对垫片有持续的夹紧力，但是当机组启动后随着温度升高螺栓、法兰、管道均发生一定程度的膨胀，管道膨胀有可能使法兰受到一个与管道轴线垂直的弯矩M，弯矩M会造成法兰出现单侧张口，使张口处的垫片压紧力减小造成漏汽。
图2 法兰所受弯矩
3.2温度升高后螺栓、法兰均有一定程度的膨胀，如果螺栓膨胀后的伸长量大于法兰的伸长量则会造成螺栓对法兰的压紧力减小，由于内部介质压力的作用会使法兰对垫片的压紧力进一步减小而造成漏汽。
3.3在螺栓热紧过程中通常测量螺母转角来判断螺栓紧力是否符合要求，因为垫片的压缩量超过1.1mm，所以即便螺母旋转176°螺栓的伸长量可能并未达到1.1mm，仅仅是垫片被压缩了，导致螺栓紧力过小。
3.4法兰密封面存在沟槽、密封面变形，垫片材质不良、垫片被压溃，螺栓紧力不够、螺栓紧力不均匀都会导致法兰泄漏。
4.当在室温状态下螺栓伸长量达到1.1mm时的螺栓应力计算如下：
取t室=21℃，经查阅金属材料手册R26钢在20℃时的弹性模量E=2.15MPa，600℃时的弹性模量E′=1.37[2]，螺栓伸长量，螺栓有效长度L=525mm，则螺栓的应变，螺栓的应力
查阅金属材料手册，R26钢在600℃与21℃之间的线膨胀系数, P91钢在600℃与20℃之间的线膨胀系数[2]。
法兰总厚度L91=525mm，当螺栓、法兰的温度升高至t=566℃时，螺栓的膨胀量l26=26╳L91=(566-21)╳14.8╳╳525=4.2mm,法兰的膨胀量l91=91╳L91=（566-20）╳12.39╳╳525=3.5mm。l26-l91=4.2-3.5=0.7mm。因螺帽长度较小且螺帽与螺栓螺纹相吻合所以可以认为螺帽与螺栓的相对位置未发生变化。
在室温状态时螺栓的伸长量为1.1mm，当温度升高至566℃时螺栓的相对伸长量变为1.1-0.7=0.4mm，螺栓的应力减小为，在螺栓紧力明显减小时导致法兰对垫片的压紧力减小造成法兰泄漏，机组启停机一次垫片经受一次大幅度压力变化，经过多次启停机后法兰泄漏将会更加严重。
5.解决对策
5.1测量螺栓伸长量
按照热紧转角176°对螺栓进行热紧后待螺栓冷却至室温后逐条测量螺栓长度，与螺栓原始长度进行比较，确保每条螺栓的伸长量均达到1.1mm，不符合标准的进行二次热紧，直至全部符合标准。
5.2更换法兰螺栓
通过以上分析可知，该超临界600MW汽轮机高压导管漏汽的根本原因为法兰螺栓的膨胀系数大于法兰的膨胀系数，导致法兰受热后法兰对垫片的压紧力减小所致。如果能找到一种螺栓其膨胀系数与法兰的膨胀系数相当或偏小，则可以避免法兰受热后造成法兰对垫片的压紧力减小的问题，使整个法兰密封组件无论在冷态还是在热态均能保正法兰对垫片的压紧力基本不变，从而避免法兰泄漏。
5.3增大法兰及螺栓
在不改变法兰和螺栓材质的情况下，可以采取增大法兰外径并增加螺栓数量或增大螺栓直径的方式，进一步增大螺栓对法兰的拉紧力，同时为避免垫片被压溃可以通过采用适当的垫片厚度，待垫片被压缩至设计要求后使法兰金属部分相接触，使法兰承受多余的螺栓拉紧力。如果通过合理设计使法兰在任何工况下均能保持金属部分相接触，那么就可以保证垫片所受到的压紧力保持不变，即可避免法兰发生泄漏。
参考资料：
[1]CLN600-24.2/566/566型汽轮机主机说明书/哈尔滨汽轮机厂有限责任公司/2006年
[2]火力发电厂金属材料手册/《火力发电厂金属材料手册》编委会编.-北京：中国电力出版社，2000 ISBN 7-5083-0417-9
[3]材料力学Ⅰ/刘鸿文主编.-4版.-北京：高等教育出版社，2004.1 ISBN 7-04-012759-8