汽轮机检修中螺栓损坏原因分析及对策

摘要：大功率汽轮机组螺栓不仅数量多，而且价值昂贵。如果检修不当，螺栓损坏多，不仅会延长检修工期，检修成本也偏高，还可能造成重大的设备损坏事故，影响机组安全发电。因此螺栓检修是一项繁杂的工作，必须具有合理的管理检修方法。在汽轮机检修中经常遇到许多关于螺栓损坏的问题。本文介绍了汽轮机汽缸螺栓的检修、维护经验，减少了汽缸螺栓的损坏，节约了检修资源，降低了检修成本，保证了发电机组的安全稳定运行。

关键词：汽缸螺栓；高温高压；漏汽；应力；金属监督

中图分类号：V414.3+2文献标识码：A文章编号：

前 言：汽轮机螺栓主要指高温高压的汽缸螺栓，包括高压导汽管、抽汽管、主汽门和调门法兰螺栓等。高温螺栓一般为合金材质，在机组运行中承受着巨大的应力和紧力。汽缸靠着众多的螺栓把密封面密封住，使高温高压蒸汽在汽缸内做功。汽缸螺栓是将上下缸两半连接成一体，确保汽缸严密不漏的紧固件。螺栓的工作温度很高，对于大功率汽轮机机组，高中压汽缸的汽缸螺栓工作温度一般在500 ℃以上；汽缸法兰螺栓在汽缸上各部件中所受的应力最大。所以对汽缸螺栓的检修工艺要求很严，稍有疏忽很容易损伤螺栓，甚至引起汽缸漏汽或设备损坏事故。2006年5月至6月四川广安发电厂#31（300MW）汽轮发电机组A级检修中出现高中压外缸有16根材质为20CrlMolVNbTIB ，M120×4×1530螺栓的罩螺母需要破坏性割除，高压缸有一根材质为20CrlMolVNbTIB ，M120×4双头螺栓断裂。2009年4月，珠海深能洪湾燃机电厂#5汽轮机揭缸消除漏真空检修，发现由于汽缸法兰螺栓紧力不够，导致汽缸结合面漏汽的的问题，严重影响机组的安全运行。

1、螺栓检修工艺与程序

1.1螺栓拆卸

当汽缸调节级金属温度降到80 ℃时，可以松汽缸螺栓。大多数汽缸螺栓为热紧螺栓，需用电加热棒热松螺栓。拆卸下来的螺栓应编号存放；螺帽与螺栓一一对应，配套垫圈也应编号放好，记请楚位置。拆卸螺栓的顺序要严格按照规程进行，一般选择中分面间隙比较大的中部开始对称往两侧拆卸。

1.2螺栓检修

对汽缸螺栓的螺扣、螺帽，包括栽丝全部进行清理打磨，去除氧化皮和毛刺，并用丝锥过扣，在回装之前全部试扣，螺帽与螺栓应以能轻松旋入旋出为合格。对螺扣有损伤的螺栓要用三角锉刀仔细修整扣齿，或上车床过扣，使全部扣齿光滑易用。同时要配合金属监督部门对汽缸螺栓进行金属监督，对螺栓的材质、组织、硬度和外观损伤等进行检查，不符合要求的全部更换新螺栓。新螺栓的定位尺寸、长度都应按照旧螺栓照配，并按旧螺栓进行编号。

1.3螺栓回装

螺栓回装时先冷紧后热紧。冷紧、热紧的顺序应按照检修规程进行，与拆卸时顺序一致。螺栓的冷紧力矩要把握好，既要达到密封需要的力矩，又不能超过螺栓能承受的力矩。热紧旋转弧长严格按照标准执行，否则易产生漏汽。

2、螺栓检修中遇到的问题、原因分析及处理方法

2.1螺牙咬死

螺扣咬死包括螺帽和螺栓咬死，栽丝和底扣咬死，这是最常见的问题。

2.1.1原因分析

a. 上次回装时螺纹未清理干净，螺扣上有毛刺，表面粗糙。

b. 回装前螺纹有过损伤或装配时未涂高温防烧剂、剂或二硫化钼等而盲目地旋上螺帽，导致螺纹咬死。

c. 拆卸时加热工艺不正确，加热棒不合适而加热了螺纹部分；或者是加热棒功率偏小，加热时间太长，使螺扣部分温度过高而涨死。

d. 汽缸温度偏高时即开始拆卸螺栓。

e.螺栓长期在高温下工作，表面氧化皮较厚，由此引起螺栓与螺扣间产生较大的挤压力，表面的氧化皮集中在一起形成坚硬的氧化膜。氧化膜拉破时在螺纹表面拉出毛刺，造成螺纹咬死。

f.螺栓加工质量不够高，光洁度太差，螺纹间配合间隙小。

2.1.2解决措施

a.在回装前对每条螺栓、每个螺帽及底扣都应仔细地试验和检查，不留有任何毛刺。

b.高温螺栓回装前一定把原有的黄油等清洗干净，涂好剂等再回装。

c.使用加热棒要严密仔细。由于螺栓的加热孔尺寸不同，需要多种长度和粗细不同的加热棒。加热时一定要选取合适配套的加热棒进行加热：长度应与螺栓对应，加热棒的有效发热长度应该全部在螺孔内，露出发热长度不超过25 mm；加热棒直径应该小于加热孔1 mm左右，否则会影响加热棒的使用寿命，同时对螺栓有不良影响。要选择功率合适的加热棒、电加热器。使用加热棒的人员应该随时监督加热螺栓的情况，能松动时即可停止加热，避免加热时间过长。

d.严格执行检修规程和厂家标准，控制温度，当汽缸温度降低到允许温度内再拆卸螺栓。西电公司规定，调节级金属温度降低到80 ℃以内，才允许拆卸汽缸螺栓。这是因为：汽缸螺栓和螺帽有部分凸出在缸体的外部，加之热容量较汽缸小，因而停机后螺栓的温度下降速度比汽缸快，螺栓温度低于汽缸，由此产生的螺栓冷缩使其紧固力比正常运行时反而增大；再加上温度高时材料硬度低，这时拆卸螺栓可能造成螺纹咬死，以致受到损伤。

e.在拆卸前4 h左右，在螺纹处浇上煤油或松动剂等，螺纹间的氧化物，便于拆卸。在拆卸后的检修阶段，对螺栓的氧化皮彻底清理。

f.对新到螺栓进行仔细检查，发现螺扣不好或光洁度不够，应更换螺栓或进行再加工处理，合格后再使用。

g.对已经咬死无法拆卸的螺母，请熟练的气焊工用割把割下螺母保护螺杆。切割螺母可以按图1所示进行。首先将两侧面割开，再割水平的切口，螺母即可脱开。割切时不应过急，应逐层将其熔化，严防误伤螺杆的螺纹。

图1 螺母切割示意图

h. 螺杆损坏需更换，而螺杆无法卸下时，可用割把在离法兰约10 mm部位割断螺杆。按图2所示，钻2个孔，再用割把螺杆割开，使螺纹脱开。

图2 螺杆取出钻孔图

2.2螺栓出现裂纹和断裂现象

在2006年5月至6月四川广安发电厂#31（300MW）汽轮发电机组A级检修中，高压内缸中分面有一根材质为20CrlMolVNbTIB ，M120×4双头螺栓断裂。断裂位置为栽丝螺纹与光杆相连的部位。见图3

图3广安电厂高压内缸断裂螺栓

2.2.1螺栓出现裂纹和断裂的原因分析

a. 氧-乙炔火焰直接加热过螺栓，由于受热不均匀，局部过热使温差应力过大，导致螺栓断裂。

b. 螺栓本身材料质量不好，在冶炼过程中存在元素偏析现象，导致螺栓出现粗颈。

c. 螺栓的应力集中导致断裂，如图4所示，正确的安装方式会使应力释放，而错误的安装方式则会造成应力集中，导致螺栓断裂。

d. 螺栓装配工艺不当，产生过大的附加应力，如球面垫圈未认真研磨，造成螺帽端面与汽缸中分面不平行，以致螺栓偏斜，产生附加应力。

e. 螺栓预紧力过大，紧固力矩未按照标准执行。预紧力过大不仅增加拉应力，还增加扭应力和弯应力，更容易造成螺栓断裂。

图4螺纹应力集中示意图

2.2.2分析与对策

a. 对高温合金螺栓，严禁用氧-乙炔火焰直接加热。

b. 新、旧螺栓在使用前一律由金相严格检查材质、组织、硬度，不合格不允许使用。

c. 经检查发现，螺栓断裂部位多数在应力最大的第1牙螺纹的退刀槽处（图3）。本次#2机组大修中压缸断裂螺栓亦如此。在轴向力作用下螺栓发生拉伸变形，越靠近法兰平面的螺纹承受的作用力越大。第1圈螺纹承受全部作用力的33%以上，且该圈螺纹终端存在车刀痕，加工时易形成螺纹底颈的尖角，产生类似微型裂纹刀痕，造成应力集中。螺栓应选用缺口敏感性小的材料，同时对螺杆与螺纹过渡区严格要求，应圆滑过渡，以减少应力集中。新螺栓由于加工时预留出端部的凸台较长，导致部分螺纹不能全部旋入栽丝底扣中。这时，要把端部凸台车掉，保证栽丝的螺纹能够全部旋入，不能使螺纹第1扣在法兰中分面以上，以避免应力集中。

d. 对球面垫圈应仔细刮研，避免附加应力的产生；汽缸法兰螺栓承受很高的应力，为了减少由于螺栓与汽缸法兰平面不垂直、螺帽端面与法兰面不平行、垫圈厚度不均匀以及放置偏斜等因素引起的弯曲力，采用球面垫圈可以有效消除由此引起的附加应力。垫圈螺帽端面和法兰中分面在高应力作用下往往会产生毛刺、凸凹缺陷，造成拉毛严重，检修中必须进行整修刮研和更换。

e. 紧螺栓时应用合适的风动扳手或电动液压扳手，保证准确的紧固力矩（按照厂家标准执行）。许多电厂在大修回装阶段，由于时间紧张，抢进度赶工期，利用许多民工紧螺栓。由于缸上许多位置的螺栓用笨重的力矩扳手或电动扳手不如抡大锤方便，因此许多电厂采用的是人工抡大锤紧螺栓，这样，螺栓的紧力根本无法保证，力矩或大或小，使个别螺栓紧力过大，导致断裂。

2.3汽缸中分面泄漏的原因分析及对策

螺栓在工作时由于螺帽拧紧而使螺栓受到拉应力，从而使螺栓产生一个作用于汽缸法兰结合面的压力，使所连接的汽缸上下结合面密合而不致产生漏汽现象。螺栓和螺帽是在高温高压下工作的，在长期的运行过程中会发生应力松弛，导致螺栓压紧力降低，造成汽缸法兰结合面漏汽。实际检修中，在确认汽缸中分面本身没有缺陷的前提下，汽缸螺栓紧固不当是造成中分面漏汽的主要原因。

2.3.1紧固力矩不够

包括冷紧力矩与热紧弧长2个方面。冷紧力矩前文已提到，依靠人工抡大锤的方法很难掌握力矩大小，力矩太大会造成螺栓断裂，而力矩太小就会造成中分面泄漏。一定要严格按照厂家要求的冷紧力矩来确定热紧弧长，同时施工人员应仔细进行热紧弧长的测量，以保证加热标准能够达到要求。针对此问题，应使用合适的电动液压扳手，按照螺栓的要求力矩，规范、均匀地紧固螺栓，保证力矩大小合适。

2.3.2螺栓紧固顺序不合理

机组运行多年以后汽缸会发生一定的变形，按正常的松紧顺序可能造成中分面的泄漏。

对策：根据检修中汽缸扣空缸的测量记录，掌握汽缸变形情况。在紧固时应先紧汽缸变形最大（即结合面间隙最大）处的螺栓，依次向外进行紧固。四川广安电厂#31机组正常的高压内缸螺栓松紧顺序见图5。高中压外缸螺栓松紧顺序见图6。

图5

图6

2.4对汽缸螺栓的金属监督

为了安全使用螺栓，汽轮机组在大修中应对高温螺栓进行了全方位监督，对外观、硬度、组织、材质等进行严格检查。凡不符合监督标准要求的螺栓，全部更换。对新螺栓也同样进行严格的金属监督。

2.5螺栓的标号管理

汽缸螺栓的拆卸和安装都必须按照原来的位置编号，否则会出现回装时安装不上的问题。即使是型号、规格、尺寸完全相同的螺栓也不要混淆，一定要编号定位放置。因为经过多年运行后，汽缸或部套的螺栓孔可能会发生某些变形。如果螺栓倒换位置，可能会出现安装不上的现象，原拆原装则不会出现该问题。

3、结语

经过十多年来对螺栓检修经验的积累，采取规范的汽轮机检修工艺，螺栓由于检修原因而损坏的数量明显减少，取得了显著效果。

参考文献：

[1] 周礼泉.大功率汽轮机检修［M］.北京：中国电力出版社，1997.

[2]银声音像出版社 主编：欧阳安.火电厂汽轮机故障诊断分析处理与技术改造手册第一卷、第二卷、第三卷、第四卷.

[3]银声音像出版社 火电厂汽轮机运行调试检修与维护技术手册第一卷、第二卷、第三卷、第四卷.

[4] 宋琳生.电厂金属材料［M］.北京：水利电力出版社，1990.