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[摘 要]文章以加强汽轮机运行稳定性为目标，重点探讨汽轮机内缸法兰结合面张口问题。针对该问题，从力学模型构建、应力计算等方面分析原因，掌握出现法兰结合面张口的形成条件，并提出了相应的解决建议。制定针对法兰结合面张口问题的解决方案，希望能够从根本上解决张口问题，提高汽轮机运行效率。
[关键词]汽轮机;内缸;法兰结合面;张口
[中图分类号]TK267 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–00–02
Exploring the Reasons for the Opening of the Flange Joint Surface of the Steam Turbine Inner Cylinder
Yue Ji-bin
[Abstract]With the goal of enhancing the stability of steam turbine operation， the focus is on the issue of opening of the flange joint surface of the steam turbine inner cylinder. The article analyzes the reasons for the opening of the flange joint surface of the steam turbine inner cylinder from the aspects of mechanical model construction， stress calculation， etc.， and grasps the formation conditions of the flange joint surface opening， and proposes corresponding solutions to the flange joint surface. The solution to the opening problem is hoped to fundamentally solve the opening problem and improve the operating efficiency of the steam turbine.
[Keywords]steam turbine; inner cylinder; flange joint surface; opening
汽輪机包括转动与静止两个部分，转子部分包含主轴、叶轮、动叶片、联轴器等装置，静子部分则包含进汽、汽缸、隔板、静叶栅等装置，其中汽缸是最为重要的装置之一。气缸密封性与汽轮机能否有效运行有密切关系。一般核电汽轮机内部的高压缸尺寸较大，汽缸壁较薄，内部结构繁琐，若在湿蒸汽环境中运行，汽缸内壁的温度会在蒸汽温度影响下出现非常明显的变化，会因为受力不均导致热变形、热应力，对汽轮机正常运行造成影响。相关资料表明，法兰结合面接触状态存在很多影响因素。例如，焊接期间存在非金属杂质导致局部导热系数均匀性降低、轴封处温度的分布情况。若法兰变形，便会降低汽缸密封性。所以焊接人员必须要在工作过程中仔细检查汽缸法兰结合面接触状态，避免出现张口现象。
1 力学模型构建与应力计算
内缸分为上、下两个部分，其中缸体包括汽缸壁以及法兰子午面复杂轮廓线等，组成了复杂的三维立体模型。因为汽缸结构较为繁琐，所以在分析过程中为了保证准确，先假设汽缸对称，法兰面一旦处于密闭咬合状态，螺栓孔将会得到填充，考虑到材料相似，可以去掉法兰面螺孔。计算时为了保证简便性，只是针对汽缸的一部分进行分析，并建立力学模型[1]。建模之后需要应用ANSYS有限元通用计算软件展开分析与计算工作，该软件具有非常好的处理功能，针对指定计算区域可以自动划分网格或者结合需求做好网格密分处理工作，如此便可以全面提升计算准确性，汽缸有限元网格划分图如图1所示。调节级之后调节汽室法兰范围内，即汽缸张口问题区域展开了密分处理[2]。
汽缸法兰绝热边界是温度场计算过程中的中分面以及左右对称面。内、外表面以及蒸汽这三者之间有换热边界的存在。按照调节级之后高压内缸金属内、外壁采集相关数据显示，高压内缸的金属内、外壁温度无论是在起停还是稳定运行过程中均处于已知状态，由此也需要将非稳态对流换热转变成非稳态导热问题加以解决，以采样温度为前提针对缸体场分布情况进行分析。
根据数据分析，建议工作人员在操作过程中将物性材料与自由度限制全部加载于计算模型中，按照边界条件对每个面温度约束进行设置，计算三维汽缸体内温度场。通过软件包能够将各个时刻下温度场分布情况清晰地显示出来，并且获得各个时刻下的温度场数据，为了更加直观的了解温度场分布，可以绘制示温度场分布图，也为之后的数据对比分析提供参考。
通过对汽缸温度场等温线的分析可知，轴向、径向中气缸有温度梯度，径向温度梯度要大于轴向梯度，特别是调节级汽室法兰位置，最大温差已经超出了85 ℃，如此一来会直接导致汽缸内壁形成较大的压应力，从而引发汽缸张口。
温度场分析期间，焊接人员也要对缸体应力场进行全面剖析。热分析单元需要被转变成机械分析单元，在其中增设用于分析缸体机械的自由度限制，将实体热分析温度场顺利加载出来，并且根据时间的先后顺序针对不同时间导出应力场分布文件，按照文件最终显示结果全面分析缸体应力。
温度场汽缸等应力色块图分析过程中，可以确定的是调节级后汽室法兰位置有一个区域应力比较集中，对比右侧色块途虎应力显示的对应值，明确其应力值超过420 MPa，大于汽缸材料允许值。所以，这一范围内便可形成带有永久性的塑性变形。通过上述分析了解到缸体危险点以及危险时间段的存在，这对于运行过程中机组监控以及调节十分便利，可以提高机组运行的稳定性与安全性。 展开应力计算时会获得模型中每个时间点下节点应力值，通过应力分析与计算便可以得到应力集中范围内不通时间下的最大应力值。例如，应力集中区域内其中一个典型节点在4月1日到6月1日之间，汽轮机启停以及变负荷阶段的峰值应力状况，通过分析可以确定这一阶段部分应力值与最大值，并且符合焊接过程中内缸法兰结合面张口位置，由此可见分析结果的准确与可靠。
此外，汽缸法兰中分面、左右对称面是必须要关注的两个要点，特别是计算温度场这一环节，可将其当作绝热边界，使后续应力计算与建模等更加便捷。观察汽缸内部，判断表面、外表面、蒸汽中间是否有换热边界存在。按照现有布设测点与布局，及时处理汽缸内缸内外壁，具体处理方法可参考以下几点：
（1）高压内缸的金属外壁，一般情况下对流换热系数相等，换言之也可以直接为内缸外壁金属温度相等。
（2）按照调节级、高压缸出口、高压汽封的顺序，温度必须呈均匀下降趋势。当上述假定确定，便可以针对调节级之后的高压内缸金属内、外壁，基于作业采集具体数据。可确定的是高压内缸金属内、外壁温度，在起停、负荷升降、运转等多个环节均为已知状态，因此非稳态对流换热需要切换到非稳态导热状态，通过采样温度可以掌握缸体场分布情况。高压内缸材料性能参数这一层面，一般是以ZG20CrMoV钢材料特性参数为主要的计算参数，这也是力学模型构建、应力计算需要参考的数据。
2 汽轮机内缸法兰结合面张口原因
汽轮机气缸体结构较为复杂，运行温度高，再加上壁厚这一原因，所以铸造过程中往往会使用铸钢材料。材料本身成本较低，具有非常高的减振性与耐腐蚀性，所以在汽轮缸体铸造中得到广泛运用。但是，铸钢材料处于高温作业环境下，会增加其导热膨胀系数，导致气缸结合面出现张口现象[3]。同时，气缸铸造期间，因为锻造时会出现气孔，加之存在一些其他的非金属杂质，所以会影响局部导热系数均匀性，提高材料应力。气缸在高温环境下作业，温度波动形成热应力，引发张口问题。焊接之前工作人员往往会展开三维非稳态温度场有限元计算，通过最终获得的计算结果了解到，内缸壁金属温度如果超过了500 ℃，证明其应力水平高，如果负荷超过了100 MW，这样即可证明高压内缸内外壁存在较大的温度差值，并且形成了非常大的热应力。三维非稳态温度场有限元计算的结果表明，在高压汽轮机内缸张口位置一般会有一个区域应力比较集中，负荷如果大于100 MW，超出稳定运行范围，那么其应力值便会大于σ0.2=340 MPa，特别是当负荷较高时，负荷提升速度也较快，应力值此时会超过400 MPa。这样一来便会导致因为区域应力过大而汽缸体张口现象。
3 针对汽轮机内缸法兰结合面张口建议
按照以上分析，焊接之前做好以下准备工作：①处理好坡口，将坡口加工为U形，成凹陷状，为后期补焊提供方便;②完成坡口加工后需要做好后期处理工作，将坡口附近的铁锈与杂质等及时清除，确保金属光泽度;③内缸法兰结合面预热工作非常重要，使用氧-乙炔进行焊接位置的加热，通常加热温度控制在200 ℃，如此便可以避免出现结合面张口问题。
此外，三维非稳态温度场有限元计算之后，根据最终的计算结果，若是内缸壁金属温度超过505 ℃，代表应力水平也隨之提升。若是负荷达到了100 MW，代表高压内缸内外壁温度之间存在较大差值与热应力。与此同时，高压内缸张口位置必然会有应力集中区形成，而且负荷大于100 MW，且处于稳定运行状态，其应力值大于σ0.2=340 MPa限制值，特别是高负荷状态下负荷提升速度也非常快，应力值最高可超过400 MPa，由此会导致区域应力过大与汽缸体张口[4]。鉴于此，建议工作人员在机组平稳运行过程中，维持负荷的稳定状态，使其始终处于95 ～100 MW。如果升负荷超过70 MW，这时必须对快速升负荷情况进行控制，将升负荷率维持在0.9 MW/min。如此一来便可以提高热应力数值的稳定性，保持在300 MPa，以免出现汽轮机内缸法兰结合面张口现象[5]。
为了解决汽轮机内缸法兰结合面张口问题，需要全面整修研究机组。结束整修之后便可以启动机组，由此展开如下分析：第一次检修之后启动，为了确保启动的顺利进行，需要提前组织试验[6]。具体在启动之前的两天内不带负荷，第3日方可带满负荷。启动期间个别时间段的高压内缸内壁金属温度不断提升，其平均升温率已经高达3.075 ℃/min，满负荷状态下的内外壁温差高达119 ℃，通过这些数据便可以确定其已经超出了要求限制值。
4 结束语
综上所述，汽轮机内缸一旦出现张口问题，会直接影响其平稳运行，焊接人员必须要加以重视。一方面要做好焊接准备工作，另一方面需要分析汽轮机运行环境，构建力学模型，解决因为材料导致的张口问题，提出对应的解决对策，为今后汽轮机相关研究与操作提供参考。
参考文献
[1] 黄智敏，王颖，魏红阳，等.汽轮机360°蜗壳进汽低压内缸强度分析[J].机械工程师，2021（4）：101-102.
[2] 李洪波，李伟，管洪军，等.新一代通流技术在自备电厂300 MW汽轮机的改造应用[J].科技经济导刊，2021，29（10）：115-116.
[3] 王益飞.汽轮机径向通流间隙调整方案优化探析[J].科学技术创新，2021（9）：172-173.
[4] 罗勇，牟春雨，谢强，等.300 MW反动式改造汽轮机径向通流间隙计算[J].东方汽轮机，2021（1）：21-22，43.
[5] 王家鋆，敖勇，邓志成.汽轮机内缸有限元分析与网格划分方案优化[J].计算机辅助工程，2020，29（2）：40-44.
[6] 常龙军.超临界汽轮机高压内缸用ZG13Cr9Mo1VNbN不锈钢铸件冶炼浇注工艺研究[J].大型铸锻件，2020（3）：21-22.
[关键词]汽轮机;内缸;法兰结合面;张口
[中图分类号]TK267 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）07–00–02
Exploring the Reasons for the Opening of the Flange Joint Surface of the Steam Turbine Inner Cylinder
Yue Ji-bin
[Abstract]With the goal of enhancing the stability of steam turbine operation， the focus is on the issue of opening of the flange joint surface of the steam turbine inner cylinder. The article analyzes the reasons for the opening of the flange joint surface of the steam turbine inner cylinder from the aspects of mechanical model construction， stress calculation， etc.， and grasps the formation conditions of the flange joint surface opening， and proposes corresponding solutions to the flange joint surface. The solution to the opening problem is hoped to fundamentally solve the opening problem and improve the operating efficiency of the steam turbine.
[Keywords]steam turbine; inner cylinder; flange joint surface; opening
汽輪机包括转动与静止两个部分，转子部分包含主轴、叶轮、动叶片、联轴器等装置，静子部分则包含进汽、汽缸、隔板、静叶栅等装置，其中汽缸是最为重要的装置之一。气缸密封性与汽轮机能否有效运行有密切关系。一般核电汽轮机内部的高压缸尺寸较大，汽缸壁较薄，内部结构繁琐，若在湿蒸汽环境中运行，汽缸内壁的温度会在蒸汽温度影响下出现非常明显的变化，会因为受力不均导致热变形、热应力，对汽轮机正常运行造成影响。相关资料表明，法兰结合面接触状态存在很多影响因素。例如，焊接期间存在非金属杂质导致局部导热系数均匀性降低、轴封处温度的分布情况。若法兰变形，便会降低汽缸密封性。所以焊接人员必须要在工作过程中仔细检查汽缸法兰结合面接触状态，避免出现张口现象。
1 力学模型构建与应力计算
内缸分为上、下两个部分，其中缸体包括汽缸壁以及法兰子午面复杂轮廓线等，组成了复杂的三维立体模型。因为汽缸结构较为繁琐，所以在分析过程中为了保证准确，先假设汽缸对称，法兰面一旦处于密闭咬合状态，螺栓孔将会得到填充，考虑到材料相似，可以去掉法兰面螺孔。计算时为了保证简便性，只是针对汽缸的一部分进行分析，并建立力学模型[1]。建模之后需要应用ANSYS有限元通用计算软件展开分析与计算工作，该软件具有非常好的处理功能，针对指定计算区域可以自动划分网格或者结合需求做好网格密分处理工作，如此便可以全面提升计算准确性，汽缸有限元网格划分图如图1所示。调节级之后调节汽室法兰范围内，即汽缸张口问题区域展开了密分处理[2]。
汽缸法兰绝热边界是温度场计算过程中的中分面以及左右对称面。内、外表面以及蒸汽这三者之间有换热边界的存在。按照调节级之后高压内缸金属内、外壁采集相关数据显示，高压内缸的金属内、外壁温度无论是在起停还是稳定运行过程中均处于已知状态，由此也需要将非稳态对流换热转变成非稳态导热问题加以解决，以采样温度为前提针对缸体场分布情况进行分析。
根据数据分析，建议工作人员在操作过程中将物性材料与自由度限制全部加载于计算模型中，按照边界条件对每个面温度约束进行设置，计算三维汽缸体内温度场。通过软件包能够将各个时刻下温度场分布情况清晰地显示出来，并且获得各个时刻下的温度场数据，为了更加直观的了解温度场分布，可以绘制示温度场分布图，也为之后的数据对比分析提供参考。
通过对汽缸温度场等温线的分析可知，轴向、径向中气缸有温度梯度，径向温度梯度要大于轴向梯度，特别是调节级汽室法兰位置，最大温差已经超出了85 ℃，如此一来会直接导致汽缸内壁形成较大的压应力，从而引发汽缸张口。
温度场分析期间，焊接人员也要对缸体应力场进行全面剖析。热分析单元需要被转变成机械分析单元，在其中增设用于分析缸体机械的自由度限制，将实体热分析温度场顺利加载出来，并且根据时间的先后顺序针对不同时间导出应力场分布文件，按照文件最终显示结果全面分析缸体应力。
温度场汽缸等应力色块图分析过程中，可以确定的是调节级后汽室法兰位置有一个区域应力比较集中，对比右侧色块途虎应力显示的对应值，明确其应力值超过420 MPa，大于汽缸材料允许值。所以，这一范围内便可形成带有永久性的塑性变形。通过上述分析了解到缸体危险点以及危险时间段的存在，这对于运行过程中机组监控以及调节十分便利，可以提高机组运行的稳定性与安全性。 展开应力计算时会获得模型中每个时间点下节点应力值，通过应力分析与计算便可以得到应力集中范围内不通时间下的最大应力值。例如，应力集中区域内其中一个典型节点在4月1日到6月1日之间，汽轮机启停以及变负荷阶段的峰值应力状况，通过分析可以确定这一阶段部分应力值与最大值，并且符合焊接过程中内缸法兰结合面张口位置，由此可见分析结果的准确与可靠。
此外，汽缸法兰中分面、左右对称面是必须要关注的两个要点，特别是计算温度场这一环节，可将其当作绝热边界，使后续应力计算与建模等更加便捷。观察汽缸内部，判断表面、外表面、蒸汽中间是否有换热边界存在。按照现有布设测点与布局，及时处理汽缸内缸内外壁，具体处理方法可参考以下几点：
（1）高压内缸的金属外壁，一般情况下对流换热系数相等，换言之也可以直接为内缸外壁金属温度相等。
（2）按照调节级、高压缸出口、高压汽封的顺序，温度必须呈均匀下降趋势。当上述假定确定，便可以针对调节级之后的高压内缸金属内、外壁，基于作业采集具体数据。可确定的是高压内缸金属内、外壁温度，在起停、负荷升降、运转等多个环节均为已知状态，因此非稳态对流换热需要切换到非稳态导热状态，通过采样温度可以掌握缸体场分布情况。高压内缸材料性能参数这一层面，一般是以ZG20CrMoV钢材料特性参数为主要的计算参数，这也是力学模型构建、应力计算需要参考的数据。
2 汽轮机内缸法兰结合面张口原因
汽轮机气缸体结构较为复杂，运行温度高，再加上壁厚这一原因，所以铸造过程中往往会使用铸钢材料。材料本身成本较低，具有非常高的减振性与耐腐蚀性，所以在汽轮缸体铸造中得到广泛运用。但是，铸钢材料处于高温作业环境下，会增加其导热膨胀系数，导致气缸结合面出现张口现象[3]。同时，气缸铸造期间，因为锻造时会出现气孔，加之存在一些其他的非金属杂质，所以会影响局部导热系数均匀性，提高材料应力。气缸在高温环境下作业，温度波动形成热应力，引发张口问题。焊接之前工作人员往往会展开三维非稳态温度场有限元计算，通过最终获得的计算结果了解到，内缸壁金属温度如果超过了500 ℃，证明其应力水平高，如果负荷超过了100 MW，这样即可证明高压内缸内外壁存在较大的温度差值，并且形成了非常大的热应力。三维非稳态温度场有限元计算的结果表明，在高压汽轮机内缸张口位置一般会有一个区域应力比较集中，负荷如果大于100 MW，超出稳定运行范围，那么其应力值便会大于σ0.2=340 MPa，特别是当负荷较高时，负荷提升速度也较快，应力值此时会超过400 MPa。这样一来便会导致因为区域应力过大而汽缸体张口现象。
3 针对汽轮机内缸法兰结合面张口建议
按照以上分析，焊接之前做好以下准备工作：①处理好坡口，将坡口加工为U形，成凹陷状，为后期补焊提供方便;②完成坡口加工后需要做好后期处理工作，将坡口附近的铁锈与杂质等及时清除，确保金属光泽度;③内缸法兰结合面预热工作非常重要，使用氧-乙炔进行焊接位置的加热，通常加热温度控制在200 ℃，如此便可以避免出现结合面张口问题。
此外，三维非稳态温度场有限元计算之后，根据最终的计算结果，若是内缸壁金属温度超过505 ℃，代表应力水平也隨之提升。若是负荷达到了100 MW，代表高压内缸内外壁温度之间存在较大差值与热应力。与此同时，高压内缸张口位置必然会有应力集中区形成，而且负荷大于100 MW，且处于稳定运行状态，其应力值大于σ0.2=340 MPa限制值，特别是高负荷状态下负荷提升速度也非常快，应力值最高可超过400 MPa，由此会导致区域应力过大与汽缸体张口[4]。鉴于此，建议工作人员在机组平稳运行过程中，维持负荷的稳定状态，使其始终处于95 ～100 MW。如果升负荷超过70 MW，这时必须对快速升负荷情况进行控制，将升负荷率维持在0.9 MW/min。如此一来便可以提高热应力数值的稳定性，保持在300 MPa，以免出现汽轮机内缸法兰结合面张口现象[5]。
为了解决汽轮机内缸法兰结合面张口问题，需要全面整修研究机组。结束整修之后便可以启动机组，由此展开如下分析：第一次检修之后启动，为了确保启动的顺利进行，需要提前组织试验[6]。具体在启动之前的两天内不带负荷，第3日方可带满负荷。启动期间个别时间段的高压内缸内壁金属温度不断提升，其平均升温率已经高达3.075 ℃/min，满负荷状态下的内外壁温差高达119 ℃，通过这些数据便可以确定其已经超出了要求限制值。
4 结束语
综上所述，汽轮机内缸一旦出现张口问题，会直接影响其平稳运行，焊接人员必须要加以重视。一方面要做好焊接准备工作，另一方面需要分析汽轮机运行环境，构建力学模型，解决因为材料导致的张口问题，提出对应的解决对策，为今后汽轮机相关研究与操作提供参考。
参考文献
[1] 黄智敏，王颖，魏红阳，等.汽轮机360°蜗壳进汽低压内缸强度分析[J].机械工程师，2021（4）：101-102.
[2] 李洪波，李伟，管洪军，等.新一代通流技术在自备电厂300 MW汽轮机的改造应用[J].科技经济导刊，2021，29（10）：115-116.
[3] 王益飞.汽轮机径向通流间隙调整方案优化探析[J].科学技术创新，2021（9）：172-173.
[4] 罗勇，牟春雨，谢强，等.300 MW反动式改造汽轮机径向通流间隙计算[J].东方汽轮机，2021（1）：21-22，43.
[5] 王家鋆，敖勇，邓志成.汽轮机内缸有限元分析与网格划分方案优化[J].计算机辅助工程，2020，29（2）：40-44.
[6] 常龙军.超临界汽轮机高压内缸用ZG13Cr9Mo1VNbN不锈钢铸件冶炼浇注工艺研究[J].大型铸锻件，2020（3）：21-22.