600 MW汽轮机高压主、调速汽阀故障分析与处理

2017-04-05闫福岐

电力安全技术 2017年1期

关键词：销子阀杆阀座

闫福岐，刘伟，田颖

(山西兆光发电有限责任公司，山西霍州 031400)

600 MW汽轮机高压主、调速汽阀故障分析与处理

闫福岐，刘伟，田颖

(山西兆光发电有限责任公司，山西霍州 031400)

通过对NK600-24.2/566/566型超临界600 MW中间再热两缸两排汽空冷凝汽式汽轮机在运行中发生高压主、调速汽阀阀杆脱扣和阀座浮起等故障进行分析，查找故障原因，并进行有效的处理，解决了该类问题，提高了汽轮机运行的可靠性。

超临界汽轮机；高压主汽阀；高压调速汽阀；阀杆脱落

0 概述

某厂2期工程，安装2台上海汽轮机厂有限公司生产的NK600-24.2/566/566型超临界600 MW中间再热两缸两排汽空冷凝汽式汽轮机，为193型系列，于2009年9月投产。

该机高压缸两侧分别设置1个高压汽室，每个高压汽室装有相互垂直布置的1个高压主汽阀和2个高压调速汽阀，即每台机组共有2个高压主汽阀和4个高压调速汽阀。

卧式布置的每个主汽阀为“双阀碟”型结构，包括2个单座非平衡式阀蝶，预启阀装入主阀的内部，且预启阀与阀杆是整体结构，组成了牢固的组合件。垂直布置的高压调速汽阀是单座提升式，各由1只油动机控制。阀杆与阀门油动机的活塞杆由如图1所示的联轴器相连接，之间垫有垫片。高压调速汽阀阀座高度约79.5 mm，外径为241.22-241.6 mm，镶嵌在阀壳凹槽上。

1 高压调速汽阀阀杆脱落过程分析与处理

1.1 脱落过程

4号机组在5年之内共出现3次调速阀阀杆脱落，分别是2010-04-02和2014-10-29的3号高调门2次、2012-03-05的4号高调门1次，其主要现象如下。

(1) 输入阀位开关指令时，反馈变化，但蒸汽流量和机组负荷无变化或变化很小。

(2) 阀门出现指令到“0”，但反馈不能完全回到“0”，只能关到某一位置。如2014-10-29的4号机组单阀运行时，发现3号高调阀只能关至39 %，就地显示处于全关位置。

(3) 1号瓦X向振动突涨，由157 μm涨到187 μm，最高能达到208 μm；2号瓦X向振动由61 μm涨到84 μm,最高能达到123 μm。

1.2 检查及处理

为查清阀杆脱落原因，在机组运行中和停机状态下分别对高压调速汽阀的支撑、外观、行程、弹簧等部件进行检查。

(1) 运行中检查发现阀杆脱开，阀杆与连接杆固定销切断，阀门就地处于全关位置。测量阀杆外露尺寸为65 mm，原始数据为40 mm，阀杆与连接杆脱开25 mm，阀杆和连接杆连接螺纹咬死。

处理过程以2014-10-29发生的3号高调门故障为例。使用专用螺柱将操纵座的弹簧压缩5 mm并固定，取出切断的销子；紧固连接杆和阀杆，直至紧不动阀杆后，松开专用螺柱将操纵座的弹簧恢复；使用镍基焊条(N182-125-10TS02)将连接杆和阀杆连接处焊接。

(2) 停机后解体高压调速汽阀，发现其情况和运行中差不多，不同之处就是阀杆与连接套之间存在间隙。

处理方式采用更换阀杆及组件，同时将阀杆与套加调整垫环并旋紧后，铰孔装销子。

1.3 原因分析

综合运行与检修状态检查情况，发现高压调速汽阀有如下共性：阀杆装配后距离连接套顶部还有一定间隙；销子全部断裂；阀杆螺纹或多或少都受到损伤，尤其是阀杆上连接螺纹在靠近套一侧(即靠近阀杆顶部)损伤严重，同时阀杆连接螺纹上还有咬扣的痕迹。分析原因如下。

(1) 机组打闸时，在弹簧作用力下，高压调速汽阀迅速关闭，阀蝶与阀座接触时会产生很大的冲击力，又由于阀杆顶部与套之间没有紧密接触，存在间隙(见图1)，所以冲击力全部集中在螺纹上(按照设计要求，冲击力应主要由连接套顶部承担)。作用次数增多后，螺纹发生变形，阀杆与连接套发生相对位移，最终导致销子被切变形或断开。

图1 高压调速汽阀和油动机连接示意

(2) 机组采用AGC/ACE方式运行，高压调速汽阀时刻处在调节过程中，开和关交替进行。由于阀杆和套之间存在间隙，开关阀门瞬间冲击力先传递到销子上，造成销子出现疲劳损伤、断裂现象。

(3) 该型机组高压调速汽阀主阀碟固定在主阀杆上，不能自由旋转。在设计上，2个高压调速汽阀共用1个腔室，在高压调速汽阀内易产生漩涡汽流，从而对主阀芯产生旋转力矩，阀芯带动阀杆旋转，进一步将销子损坏，并最终导致阀芯及阀杆旋出或螺纹损坏。

1.4 防范措施

(1) 销子选材上采用45号钢，适当增加销子直径，同时在连接套处加装防转板来克服机组正常运行时阀杆受到的旋转力的作用，以保证阀杆不再脱落。销子封口要牢固可靠。

(2) 重新装配阀杆与连接套之间的垫片，确保阀杆能够旋死与套紧密接触，并装好销子。

(3) 认真对阀杆螺纹和连接套内螺纹进行检查修理，已损坏严重的要更换相应备件。

2 高压调速汽阀阀座浮起过程分析与处理

2.1 故障经过

2014-05-19，4号机运行中发现4号高调阀(GV4)只能关到15 %，测量阀门行程比原始记录少5 mm。当年6月22日，停机后对此问题进行解体检查发现：阀座镶套的阀座与阀体四周有不均匀的间隙，约3-7 mm；镶套阀座底部与阀体有不均匀的间隙，约3-5 mm，阀座有不同程度变形，说明阀座已上浮。针对阀座出现的问题咨询制造单位，综合考虑后采取临时处理办法：用铜棒敲击阀杆来振打阀座，使阀座尽量归位，以改善密封线密封情况。采用段焊法，用A302 Φ3.2焊条焊接阀座与阀体，防止阀座运行中上浮。

2014-11-30停机之后，再次发现4号机组GV4关不回去，阀位指示停留在27 %，阀杆外露尺寸为32 mm，比原始数据40 mm少8 mm。这说明6月22日临时焊接处理后，焊点再次开裂，阀座上浮，于是解体4号机组4个高调门，发现如下情况。

(1) GV4阀座损坏严重，接近报废(见图2)。从损坏程度来看，其已经在运行中发生圆周旋转，而且因受过大的冲击损坏多次；同时2根销子全部断裂，断头已找不到，阀座碎块和销子断头估计已进入喷嘴室。销子断口如图3所示。

(2) GV3销子槽成圆弧状，沟比较深，很光滑，碾掉了一块。说明阀座在运行中也发生了旋转现象。销子槽侧向角度发生变化，倒边。其中一根销子断裂成3截，小的一截断头已找不到。

(3) GV2和GV1销子槽情况稍好，但也变深，很光滑。阀座在运行中也发生旋转现象，销子也发生磨损现象，整体长度不够。

(4) 4个高调阀解体后，测量阀座、销子槽和销子的几何尺寸如表1、表2所示。图4和图5分

别示出阀座及销子的几何形状。

图2 GV4阀座不同角度照片

图3 GV4阀座销子情况

从表中数据来看，阀座外直径B的几何尺寸已经小于阀座基孔尺寸，说明4个调门阀座与基孔配合没有过盈力，运行中阀座在基孔内存在上下串动和旋转现象。

图5 高调阀销子几何形状

2.2 原因分析

(1) 主蒸汽温度快速下降阀座收缩(2010-07-23，2014-02-28机组启动，主蒸汽温度急剧下降各1次)，阀壳与阀座出现间隙，导致阀座松动。阀座在蒸汽流的作用下产生高频振动，阀壳与阀座由于高频振动产生磨损使摩擦力逐渐下降，使得正常运行时阀座频繁动作，高压调速阀阀壳与阀座过盈量不能保证设计值；当摩擦力小于蒸汽推力时，即使在正常运行条件下阀座也会产生振动，阀壳与阀座继续磨损，阀壳与阀座产生更大间隙，最后导致阀座松动，阀座与阀壳分离，调节阀浮起。

表1 4个高调门解体后阀座、销子槽的几何尺寸 mm

表2 4个高调销子几何尺寸 mm

(2) 高压调速汽阀基孔加工前，阀座的应力时效处理不完善。这致使基孔精加工后，在实际交变热应力和交变载荷(包括震动载荷)的作用下，基孔发生热应力(高温持久应力和高温蠕变应力)变形，使基孔与阀座逐步产生间隙，在外力的连续作用下，间隙逐步扩大而使阀座焊道断裂。

(3) 阀座与基孔安装时过盈量太小。

2.3 高压调速汽阀改造

2014年12月，对4个高调阀一并进行改造。

2.3.1 采用新型阀座

阀座材质变更为X10CrMoVNb9-1(原为10325PJ)；阀座结合处长度比原阀座增加30 mm，为109.5 mm，外径约244左右mm；阀座配合紧力间隙由0.21 mm增大至0.23 mm；同时对镶套阀座凹槽用镗床往深镗30mm，液氮冷却新阀座后装入凹槽内，再用定位销子(直径：30 mm，材

质：C422)固定后施焊。

10325PJ为具有抗氢腐蚀性以及具有较好高温力学性能和耐温蠕变性能的珠光体耐热钢。X10CrMoVNb9-1不仅具有高的抗氧化性能和抗高温蒸汽腐蚀性能，而且还具有良好的冲击韧性和高而稳定的持久塑性及热强性能，其高温持久强度、热稳定性和高温抗蠕变能力等综合性能强于10325PJ。因此采用X10CrMoVNb9-1更耐用。

2.3.2 处理工艺

采用钻削方法将销子拔出。用专用千斤顶将旧阀座呈向上拉的方式，在旧阀座底部加装密封板，注入液氮将其快速冷却，消除过盈量后将阀座拔出。用镗削机将高调阀基孔按照新型阀座尺寸加工至椭圆度、锥度、粗糙度合格。新阀座在液氮中缓冷后浸泡50 min，快速将新阀座放入阀座基孔内，用工装压板压紧至阀座恢复常温。加工销孔、检验密封线、螺塞焊缝，最后检查管道确保无异物。由于主、调速汽阀共用一个汽室，主汽阀解体后顺其通道才能将新阀座就位。

2.3.3 质量控制点及指标

(1) 施工前，阀口部位需封堵合格。

(2) 新阀座高度增加30 mm，镗削机镗基孔，加工深度达30 mm。

(3) 阀基孔镗削后，孔锥度及椭圆度应满足装配条件，不超0.05 mm。

(4) 基孔与新阀座过盈量应为0.23-0.25 mm。(5) 密封线检查合格。

2.3.4 运行措施

(1) 机组启动过程中必须进行充分暖机，尤其是主汽阀与高调阀切换之前，必须确保左右主蒸汽阀门蒸汽室温度大于阀前压力饱和温度20 ℃以上，防止阀切换时因蒸汽温度低造成蒸汽带水导致阀座迅速收缩。

(2) 滑参数停机过程中，严格控制减负荷速率、主汽压力和主汽温度下降速率，避免蒸汽温度反复升降造成阀壳与阀座频繁摩擦。如进行滑参数停机，主蒸汽温度必须有56 ℃以上的过热度。

(3) 定期进行各主、调汽阀的活动性试验。确保各主汽阀、调汽阀开关灵活，严密性合格，防止机组停运后汽门不严，造成冷水冷汽进入阀门室。

(4) 机组大小修严禁过早拆除汽阀及连接管道的保温，防止汽阀室温度的快速下降。

3 高压主汽阀阀杆断裂

3.1 断裂现象及分析

2013-07-08，3号机组临修结束后启动。在冲转时，1号主汽阀(TV1)逐渐全开，2号主汽阀(TV2)开度13 %，两侧主汽阀开度偏差大于85 %超过正常值。就地检查TV1执行机构显示其为全开位置，初步分析判断为冲转参数偏低，冲转汽量不足导致主汽阀开度过大。于是汽机打闸后加强锅炉燃烧，再次冲转、并网。

并网1.5 h后发现，3号机组主汽压力较实际滑压压力偏高5 MPa左右。对比2个主汽阀工况后发现如下情况：

(1) 就地检查3号机组TV1，TV2阀杆位置均在全开位，但比较发现TV1就地过汽声明显较TV2偏小；

(2) 在DCS画面上检查发现，TV1，TV2进汽温度与阀体温度偏差较大(见表3)。

机组正常运行中主汽阀进汽温度与阀体温度偏差应在10 ℃左右，但表3中TV1的偏差达到90 ℃。结合就地主汽阀过汽声音的差异，同时主汽压力较滑压压力偏高5 MPa，综合判断TV1阀杆确实发生断裂；就地机械位置全开，但实际阀门在全关位置。

表3 TV1，TV2进汽温度与阀体温度对比 ℃

3.2 临时处理措施

机组已经启动，若停机处理主汽阀阀杆断裂，将造成机组非停，同时阀杆备件需20天时间才能到位，于是尝试运行中采取措施将阀门开启。

3号机组主汽阀为水平布置，并网后主汽阀在全开位置，高压调速汽阀调整负荷。TV1阀杆断裂后，TV1阀体实际在关闭位置，对应的GV1，GV3在中间位置，主汽阀前进汽区为高压侧；主汽阀后由于调门开启泄压为低压侧，主汽阀杆腔室与阀杆漏气联通也为低压侧。由于主汽阀阀体前为高压，阀体后为低压，阀体被两侧汽差压压死，不会动作。

如果将TV1对应的2个高调阀GV1，GV3全部关闭，那么主汽阀后调门室压力将升高，由低压区变为高压区，此时，主汽阀阀体前后汽压差减小或基本相同，而主汽阀杆腔室内仍为低压侧。这种情况下，阀杆断裂的主汽阀有可能在主汽阀后与主汽阀杆腔室汽压差压的作用下自然开启。

按照上述思路和方法，成功将TV1开启正常，并维持机组运行到2013-11-08，3号机组按调度要求停机备用，随即进行TV1阀杆检查更换工作。

4 高压主汽阀阀壳与阀座密封焊开裂

2014年12月，4号机组停机备用时处理高压调速汽阀阀座浮起故障。解体高压主汽阀后发现，高压主汽阀阀壳(材质：10315AP)与阀座(材质：12Cr2Mo)环向密封焊接部分开裂。其中TV1开裂约330°，TV2全部开裂为360°。

分析原因与机组受到打闸时的冲击力和大幅度温度变化有关。与制造厂家沟通后，用E309-16(A302)Φ3.2焊条焊接。焊接前，用氧乙炔火焰局部均匀加热至200 ℃，测温位置离焊接区不少于50 mm；焊接过程中层间温度不得低于200 ℃，不得高于260 ℃，角焊缝尺寸不小于3 mm；焊后立即加热到250 ℃，然后在保温下缓慢冷却至室温。密封焊缝按PS84350KD渗透检验(PT)或者相应的电力标准渗透探伤，同时需渗透探伤检查阀座硬质合金面。