夏增阳，旷 庆，邸志刚，苏达秋

（中广核核电运营有限公司，广东深圳 454000）

0 引言

某百万级机组电站汽轮机中压汽门是汽轮机中压缸进汽调节机构，在机组功率运行200 MW 以下，按照调节信号的要求，直接调节汽轮机的负荷或转速，承担着汽轮机进汽调节的具体功能。中压汽门对调节信号的响应特性将直接影响机组运行的安全性与稳定性。当汽门出现卡涩或者卡死无法关闭，甚至多个汽门同时故障，不能及时关闭导致机组超速，会严重影响机组的日常运行。根据设备结构特点，结合现场检修经验，逐一分析排查确定设备故障原因，并根据故障原因制定相应的处理措施，大大提高设备的安全性与稳定性。

1 汽轮机中压进汽阀结构

某电站中压汽门阀体类型为蝶阀，阀碟与阀体的材质为碳钢铸造。在汽门的驱动端主轴上设计键槽、凹槽来固定曲轴与连接驱动机构。驱动机构的活塞杆端部通过球轴承与曲轴连接。油动机便通过活塞的运动操作蝶阀的开启与关闭。

为缩小汽门尺寸、简化抽气系统、提高机组热效率，采用突破性设计，使用机械密封替代原轴封式密封。阀轴两端各安装1 套装机械密封，将蒸汽与轴承隔绝。机封外侧安装有隔热屏、轴承、压盖，非驱动端另外加装散热装置。

中压汽门的机械密封通过螺栓与轴承室相连。正常运行情况下，机械密封的静环法兰与轴承室保持相对静止，实现其连接紧固的功能，即静环法兰在阀门动作的过程中不会动作，不会引起阀门的卡涩，对机械密封的功能没有影响。

2 机械密封的故障现象、原因分析及处理措施

2.1 故障现象

M01 大修中，机械人员在拆卸汽轮机中压汽门机械密封过程中，发现部分机械密封静环法兰螺栓断裂咬死。经过技术人员分析讨论后，决定对留在轴承室螺栓孔内的断丝进行取断丝处理，然后更换机封法兰螺栓。而在随后检修的过程中，其余中压汽门均出现相同的故障现象，咬死断裂的螺栓则委托机加工进行取断丝处理。机械密封结构如图1 所示，机械密封断裂螺栓如图2 所示。

图1 机械密封结构

图2 机械密封断裂螺栓

2.2 原因分析

根据设备结构与现场运行工况，归纳阀门机械密封静环法兰连接螺栓断裂的因素有以下3 个方面：

2.2.1 螺栓过长过细，造成较高的咬死风险

原设计中的静环法兰螺栓的型号为M10×50，已知设备的相关尺寸如下：机封法兰厚度：18 mm；弹簧垫圈厚度：3 mm；计算得螺栓拧入深度=50-18-3=29 mm。

查询标准JB/GQ 0126—1980，M10 的不锈钢螺栓的拧入深度应≥10 mm，原设计的拧入深度为29 mm，长度过长大大增加了螺栓咬死的风险。

根据机械密封受力情况，计算静环法兰连接螺栓拧入深度：

其中L'e 为：

式中 N——轴向力，N

df——螺栓外径，mm

f——安装力矩，N·m

L′e——最小拧入深度，mm轴向力计算：

式中 Csi=40 N·m；Rm（A4-80）=800 MPa；

Re（A4-80）=600 MPa。A4-80 属奥氏体不锈钢，相当于碳钢材质的螺栓强度对应的8.8 级。M10 的奥氏体不锈钢连接螺栓的破坏力矩为74 N·m。虽然不锈钢材质的螺栓具有良好的延展性，但其硬度相比碳钢材质的螺栓依然存在一定的差距。鉴于螺栓工作在高温潮湿的环境，此螺栓材质选择不锈钢更为合适。

将以上分析内容汇总，原因分析汇总见表1。

表1 原因分析汇总

2.3 处理措施

综上所述，静环法兰连接螺栓的理论最小拧入深度为13.1 mm，

静环法兰螺栓最小拧入深度为：

静环法兰螺栓最小拧入深度为13.1 mm，原设计的静环法兰螺栓的拧入深度为29 mm，螺栓的拧入深度远大于最小允许拧入深度。螺栓的拧入深度越深，则咬死断裂的风险越高。同时，原设计的螺栓的直径为10 mm，螺栓直径过细也是螺栓易断的原因之一，螺栓的直径越小，螺栓断裂的风险越高。

2.2.2 螺栓工作环境

正常工况下，机械密封在高温潮湿的环境中工作。轴承室内温度高达270 ℃，螺栓在高温环境下会产生膨胀，可能会使金属牙纹直接发生阻塞剪切，进而发生咬死的现象，使得不锈钢螺栓完全锁死，无法拆卸。

此外，轴承室的材料是碳钢，碳钢材料长期暴露在潮湿环境下，容易产生锈蚀，螺栓底孔锈蚀增加了螺栓拆卸时咬死的风险。

2.2.3 不锈钢材质螺栓特性

螺栓咬死常发生在不锈钢、铝合金和钛合金等软质螺栓上。这几类的金属合金本身有防锈蚀的特性，在其表面受损时，会在表面形成一层氧化膜（奥氏体不锈钢形成的是氧化铬）来防止进一步锈蚀。当不锈钢螺栓在锁紧的过程中，牙纹间所产生的压力与热力会破坏并抹去其间的氧化铬层，使得金属牙纹直接发生阻塞剪切，进而发生黏着的现象，使得不锈钢螺栓完全锁死，无法紧固或拆卸。若在拆卸过程中，螺栓的与底扣之间发生粘着咬死，将直接导致螺栓无法拆卸，拆卸过程中极易造成螺栓断裂。

由于机械密封防锈的要求，原设计的静环法兰螺栓的材质而设计拧入深度为29 mm，螺栓实际拧入深度过长，另外螺栓过细，直径仅10 mm。综合考虑螺栓的紧固要求与螺栓咬死拧断的风险，鉴于目前现场工作条件及机加工取断丝工艺较为成熟等因素，暂不建议增大螺栓直径，只将静环螺栓由M10×50 mm 改为M10×40 mm，调整螺栓拧入深度为19 mm。

3 结论

通过对设备结构与现场工况的分析，过长、过细的螺栓以及高温潮湿的工作环境使得不锈钢螺栓咬死的可能性较大。但螺栓孔扩孔以及现场高温潮湿的工作环境较难改善。缩短螺栓的长度虽然能降低螺栓咬死的风险，但可能无法根除该问题。正常运行工况下，静环法兰在阀门启闭的过程中不会动作，不妨碍阀门的动作，更不会引起阀门的卡涩，对机械密封的功能没有影响。若螺栓发生咬死断裂，可通过成熟的机加工工艺处理，预案完善，风险可控。

同时根据以往检修经验，在大修前期暂不拆卸设备，待汽门温度降低后喷涂松动剂再进行拆卸可有效降低螺栓断裂风险。且在设备检修完毕回装时，需彻底清理静环螺栓的底孔及螺杆表面，并涂抹一定润滑剂可对设备起到保护作用。

4 结束语

通过对某电站汽轮机中压汽门机械密封的结构与工作原理的阐述，结合现场故障现象，参照相关资料，针对机械密封静环螺栓断裂问题进行根本原因分析，提出处理方案并在大修中成功实施改造。在下轮大修拆卸机械密封过程中，检查螺栓均无断裂现象，说明采取的措施行之有效，大大降低延误项目工期的潜在风险，确保设备的平稳运行。