陳伯樹

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引言

目前國內電站汽輪機低壓裝置設計方法應遵循傳統(tǒng)技術要求，對于中、小型核電低壓內、外汽缸質量和剛度按正常的汽缸設計和強度校核易得到保證。

基于大型百萬級發(fā)電機組，特別是百萬核電，由于參數(shù)相對較低、容量大、結構跨度大等特點，導致低壓模塊剛度偏低。因此，對設計方法、加工工藝、加工質量、吊裝運輸、安裝調試都提出新的挑戰(zhàn)。為提高整體產(chǎn)品質量，常規(guī)的檢測已經(jīng)無法滿足產(chǎn)品技術要求，由于大型機組安全性要求非常高，必須建立一套完整檢驗和考核體系對超大型機組低壓模塊整體加工質量和變形進行測試和考核［1］。

1 某核電機組低壓模塊初裝及其測試

低壓模塊主要是由低壓外缸、低壓內缸及其內部其他部件（蒸汽室、隔板套、隔板等）組成。各模塊剛度和支撐主要由低壓內、外汽缸提供，低壓外缸底板直接與基礎相連，低壓內缸采用落地結構，也是直接支撐于基礎上，低壓內缸變形受外缸影響較小，蒸汽室、隔板套和低壓隔板均安裝在低壓內缸上。基于低壓內、外汽缸的結構特點（均是大型焊接結構形式），考核要求（熱態(tài)）工作過程中變形應在設計要求范圍之內，低壓模塊在（冷態(tài)）重力作用下，應首先滿足設計的變形要求。這就要求低壓內、外缸必須有足夠的剛度和裝配到位后的變形在許可范圍之內。同時還可以通過檢測低壓模塊的變形及其恢復狀況，來考核低壓內外缸的整體質量［2］。

測試設備和裝置如圖1，測試主要以低壓外缸和低壓內缸在安裝過程中的垂直變形和水平橫向變形為考核重點。低壓外缸中（下半）部水平中分面處均布6 個測點（GH1、GH2、GH3、GH4、GH5、GH6），用于測量低壓外缸水平方向的變形；低壓外缸中部（下半）3 個筋板中間維持布置3 個測點（GV1、GV2、GV3），用于測量低壓外缸垂直方向的變形。低壓內缸下半水平中分面處分布6 個測點（NH1、NH2、NH3、NH4、NH5、NH6），用于測量低壓內缸水平方向的變形；低壓內缸下半中心線處分布5 個測點（NV1、NV2、NV3、NV4、NV5），具體位置如圖2 所示，用于測量低壓內缸垂直方向的變形。

圖1 低壓模塊測量示意圖

圖2 低壓內缸垂直變形測點位置

該核電低壓模塊安裝過程測試，設定低壓模塊20 個狀態(tài)，測試各個測點的變形值，作為衡量低壓內外汽缸整體質量的手段之一。本次測試的點為安裝和拆卸過程中取20 個狀態(tài)：初始位置狀態(tài)為外缸下半與內缸下半就位時的情況；內部部套下半就位狀態(tài)；內部部套上半就位狀態(tài)；千斤頂1 000 psi 狀態(tài)；千斤頂0 psi 狀態(tài)；內缸上半就位狀態(tài)；千斤頂8 100 psi 狀態(tài)；內缸水平中分面螺栓擰緊狀態(tài)；千斤頂0 psi 狀態(tài)；螺絲扣0 psi 狀態(tài)；螺絲扣3 500 psi 狀態(tài)；水平中分面螺栓拆卸狀態(tài)；內缸上半拆卸狀態(tài)；螺絲扣3 500 psi 狀態(tài)；螺絲扣0 psi 狀態(tài)；螺絲扣7 000 psi 狀態(tài)；螺絲扣0 psi 狀態(tài)；去掉內部部套上半狀態(tài)；去掉內部部套下半狀態(tài)。該核電低壓模塊安裝變形隨安裝狀態(tài)的變化曲線如圖3 所示。

圖3 安裝過程中低壓內缸垂直變形曲線

低壓模塊要測試其變形隨安裝狀態(tài)的變化，還須檢測低壓模塊變形及其恢復情況，這也是考核低壓模塊整體加工質量的重要指標之一。在半實缸狀態(tài)下，擰緊水平中分面螺栓，確保水平中分面全面接觸后，檢測低壓內缸NV1、NV2、NV3、NV4、NV5 測點隨千斤頂載荷變化時，其垂直變形及其恢復情況，千斤頂每變化104N，測試一個點，測試結果如圖4 所示。

圖4 低壓內缸變形隨千斤頂載荷變化曲線

2 用三維數(shù)值模擬低壓模塊變形與恢復

通過測試的數(shù)據(jù)與三維數(shù)值仿真結果相比較，可以互相驗證。一是驗證數(shù)值仿真的真實可靠性，二是可以通過裝配變形與設計值的差異結果了解整體加工質量及安全可靠性。

配合測試數(shù)據(jù)對三維模擬可做適當調整，不包含低壓外缸上半和低壓排汽導流環(huán)。同時為便于計算和分析，對一些細小特征在不影響結果的情況下進行了修改。三維模型及其部件的三維模型如圖5 所示，為了使結果與實際更準確，本次分析中采用全模型進行。

圖5 低壓模塊三維模型

在ANSA 中完成高質量的網(wǎng)格劃分，本次分析采用全協(xié)調六面體單元，總單元數(shù)量為645 584，其中六面體單元數(shù)量為629 616，占總單元數(shù)的97.53%，五面體單元數(shù)量為15 968，占總單元數(shù)的2.47%，具體如圖5 所示。在ABAQUS 中完成非線性分析，在ABAQUS/Standard 模塊中所有部件按裝配關系，部套之間力的傳遞關系通過接觸Tie 或者Contact 來傳遞［3］。

邊界條件：X 向（橫向）采用對稱約束邊界；Y 向（軸向）也按對稱約束邊界；Z 向（垂直方向）的約束在低壓外缸底板下表面。

分析過程和載荷：重力載荷，隨裝配過程變化的千斤頂載荷和螺絲扣載荷。不考慮工質工作狀態(tài)下的溫度和壓力。數(shù)值分析內容主要有三個方面：裝配全過程中的變形值分析；半實缸狀態(tài)下，垂直變形值分析；隨千斤頂載荷變化的變形情況分析。

分析結果及其部分圖表：低壓模塊半實缸垂直變形如圖6 所示，最大變形為2.34 mm；最大垂直變形為1.86 mm。最大軸向變形為1.59 mm，最大橫向變形為0.75 mm。低壓模塊全實缸狀態(tài)下隨千斤頂載荷變化，其垂直變形的變化如圖7 所示。

圖6 低壓模塊垂直變形云圖

圖7 某核電低壓模塊垂直變形隨千斤頂載荷變化曲線

圖7 中：1）數(shù)值模擬中只能采用絕對變形進行直接描述，為實際絕對變形量。2）縱坐標為垂直變形，橫坐標為載荷。3）橫坐標為加載時間點，0～100為重力施加狀態(tài)，100～200為千斤頂施加作態(tài)。100～200 分別對應為千斤頂0～106N。

3 整體汽缸加工質量及其安裝質量的考核標準

低壓模塊整體加工質量考核：通過半實缸狀態(tài)下的垂直變形值和橫向變形值來考核該低壓模塊加工質量水平，測試變形小于三維數(shù)值模擬中的變形修正值，說明該低壓模塊整體加工質量滿足產(chǎn)品的安全運行需求。

式中：U試驗為安裝時變形測試值；［U］為安裝狀態(tài)三維數(shù)值分析模擬結果；ξ為修正系數(shù)。

低壓模塊整體安裝的質量考核：半實缸狀態(tài)下，通過改變施加在低壓內缸上的千斤頂載荷，測試低壓內缸垂直變形的變化情況。測試的垂直變形結果必須與三維數(shù)值分析結果一致，同時變形變化趨勢也必須與三維數(shù)值模擬結果一致。誤差被控制在一定范圍，即可認為該低壓模塊整體安裝質量合格。

4 結論

在引進的第三代百萬核電技術同時，提出建立大型汽輪機機組低壓模塊質量考核標準，目的在于完善百萬機組的產(chǎn)品設計體系，特別是在產(chǎn)品設計過程中提高產(chǎn)品的可信度，避免裝置成型后糾偏，具有顯著的經(jīng)濟效益。

采用三維數(shù)值分析手段與試驗測試相結合，可以控制產(chǎn)品質量問題和安裝問題。對于核電汽輪機產(chǎn)品，不但要嚴格按標準考核方法來考核其質量，而且還必須要對過程進行控制，包括加工、運輸、吊裝、安裝調試過程中進行的綜合檢查和考核，確保產(chǎn)品安全可靠運行。

［1］丁有宇.汽輪機強度計算［M］.北京：水力電力出版社，1985.

［2］陳伯樹，楊凱利，王洋，等.第三代百萬核電AP1000 汽輪機低壓模塊數(shù)值分析［J］.熱力透平，2011，40（3）：212-214，224.

［3］趙騰倫.ABAQUS V6.6 在機械工程中的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.