9FA燃機/汽輪機主蒸汽截止和控制閥故障

丁勇能 朱偉雄

作者通聯(lián)：杭州華電半山發(fā)電有限公司 浙江杭州市拱康路200號 310015

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杭州華電半山發(fā)電有限公司的STAG109FA 390MW單軸聯(lián)合循環(huán)機組，是目前國內(nèi)大型燃氣/蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組之一，由美國通用電氣（GE）公司提供設(shè)備。2號燃氣輪機組在調(diào)停后正常啟動，當(dāng)機組負荷280MW時，汽輪機主蒸汽壓力升高至10MPa，比正常偏高2MPa；主蒸汽流量238t/h，比正常減少8t/h。此后機組無法在正常主汽壓力、主汽流量下滿足額定負荷要求，機組負荷只能維持在300MW左右。通過檢查，判斷是主蒸汽截止和控制閥（MSCV）閥座密封面脫落，引起汽輪機高壓部分通流部件損壞。

一、主蒸汽截止和控制閥結(jié)構(gòu)和功能

MSCV是一只組合閥門，它們裝設(shè)在一只共同的閥體內(nèi)，控制閥的閥碟位于截止閥的閥碟之上，并包裹著截止閥的閥碟。但是，截止閥和控制閥均有相互獨立的運動部件和液壓執(zhí)行機構(gòu)，確保設(shè)備的可靠性。圖1為主蒸汽截止和控制閥體剖面圖。

控制閥的主要功能是進行速度和負荷控制，是防止超速的第一道防線，當(dāng)汽輪機轉(zhuǎn)速升到超過規(guī)定的數(shù)值時控制閥被強制全關(guān)。在正常啟停機狀態(tài)下，根據(jù)電液控制系統(tǒng)的電信號，用伺服閥來操縱控制閥，來防止汽輪機的超速；在故障跳機狀態(tài)下，控制閥的最終12%行程的關(guān)閉力由彈簧和不同流量時蝶閥的壓力降提供。正常運行時控制閥在全開位置，汽輪機的主蒸汽參數(shù)由鍋爐側(cè)控制。

圖1 主蒸汽截止和控制閥體剖面圖

截止閥的主要功能完全是為了在事故狀態(tài)下提供應(yīng)急保護，是在正常轉(zhuǎn)速控制裝置故障時提供第二道防線，它是緊急跳閘系統(tǒng)的一部分。由獨立的液壓執(zhí)行機構(gòu)控制截止閥的全開或全關(guān)。在有跳機信號時，全關(guān)該閥門。

二、主蒸汽截止和控制閥損壞情況

在將MSCV解體后，目視檢查發(fā)現(xiàn)控制閥閥座的密封面有金屬部件缺失和較多的裂紋（圖2）。同時檢查了控制閥的閥芯和截止閥的閥座、閥芯，均未發(fā)現(xiàn)圖2的情況。控制閥閥座密封面缺失的金屬部件無阻礙的進入了汽輪機高壓透平側(cè)，沖擊汽輪機高壓前幾級的靜葉片和動葉片，從而造成靜葉片和動葉片的損壞，葉片的正常流道被破壞。這是機組未能帶滿負荷的主要原因。圖3、4所示，為靜葉片和動葉片的損傷情況。

查閱資料可知，控制閥閥座表面有鎢鉻鈷合金嵌體，通過特殊的鑲嵌工藝嵌在控制閥的閥座上，以保持與截止閥的密封表面緊密。通過PT（Penetrate Testing）滲透檢測/滲透探傷檢查，表明鎢鉻鈷合金與母材界面有多處裂紋，裂紋蔓延的本性說明存在附加應(yīng)力，一旦發(fā)生裂紋，它通常沿著鎢鉻鈷合金與母材之間較硬的混合層蔓延。裂紋產(chǎn)生和鎢鉻鈷合金脫落有四個方面的原因。

（1）有疏水從主蒸汽導(dǎo)氣管或閥座的疏水口倒流入閥門，沉積在閥門密封盤上疏水孔側(cè)。在機組啟動時，大量的新蒸汽進入MSCV，在流經(jīng)控制閥閥座時，閥座受熱膨脹，但由于閥座疏水孔側(cè)存有積水，相對密封面?zhèn)葴厣黠@較慢，結(jié)果密封面?zhèn)扰蛎涊^快，疏水孔側(cè)膨脹較慢，密封面?zhèn)龋ㄦu鉻鈷合金嵌體）受到附加的拉應(yīng)力；在機組停機時，情況剛好相反，密封面?zhèn)扰蛎浭湛s較快，疏水孔側(cè)收縮較慢，密封面?zhèn)仁艿礁郊拥膲簯?yīng)力。

圖2 主蒸汽截止閥閥座密封面PT檢查

圖3 第一級靜葉片損壞情況

圖4 第一級動葉片損壞情況

如果閥座的疏水管道布置不合理或疏水排放不及時，在機組啟停過程中閥座的鎢鉻鈷合金嵌體會受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的交變作用。對需要日開夜停的調(diào)峰機組，這種交變應(yīng)力的存在對閥座鎢鉻鈷合金嵌體的鑲嵌工藝提出了更高的要求。而事實上，由于電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)的問題，目前大部分燃氣機組無法實現(xiàn)長期連續(xù)運行。

（2）出現(xiàn)機組故障跳機情況，運行操作不當(dāng)，在關(guān)閉控制閥過程中，超出控制閥每次操作≤10%行程的要求，控制閥均會自動全關(guān)，這時液控裝置在控制閥達到最終12%行程的時候已經(jīng)提前泄壓完成，控制閥最后12%行程將由彈簧和蒸汽在碟閥上下的壓力降提供，實現(xiàn)快速關(guān)閉，對閥座的鎢鉻鈷合金嵌體產(chǎn)生額外沖擊。

（3）鎢鉻鈷合金的鑲嵌工藝有缺陷，或者在鑲嵌過程中產(chǎn)生的瑕疵，導(dǎo)致鎢鉻鈷合金與母材的結(jié)合不密實或者夾層。

（4）鎢鉻鈷合金的材料選擇不合理，與母材的熱膨脹系數(shù)不一致，在機組運行過程中受熱后產(chǎn)生附加應(yīng)力。

三、預(yù)防和檢修

由于MSCV的鎢鉻鈷合金脫落是直接進入汽輪機高壓透平，會嚴重損害高壓透平靜、動葉片，需要汽輪機開高中壓缸，更換、修理透平靜、動葉片。考慮到從國外采購靜、動葉片等備件的采購周期會非常的漫長，會給電廠帶來巨大的直接損失和不可估量的間接損失。故此類故障因引起電廠的高度重視，建議采取并不限于以下措施：

（1）檢查主蒸汽進口管道和MSCV閥體疏水口和疏水閥。確保疏水口的通暢，和疏水閥可正常啟閉，檢查疏水管道的斜度是否符合安裝要求。同時需要檢查在機組啟停過程中，有關(guān)疏水閥的操作規(guī)范是否符合GE操作和維護手冊的要求，并得到有效的執(zhí)行。

（2）在常規(guī)MSCV維護過程中，對閥座必須進行目視檢查和PT或超聲波檢查。任何鎢鉻鈷有裂縫或缺失的情況都必須更換閥座。一般對連續(xù)運行機組，結(jié)合CI（Combustion Inspection）燃燒室檢查（相當(dāng)于國內(nèi)的小修級別，一般8000當(dāng)量運行小時一次），對MSCV閥座進行檢查，如果是日開夜停或者頻繁啟停的機組，檢查周期需要進一步的縮短。

（3）加強機組的運行管理，提高運行操作水平，尤其是在關(guān)閉控制閥的時候，必須嚴格的按照操作規(guī)程執(zhí)行，杜絕超10%量程的操作，減少對閥座鎢鉻鈷合金嵌體的沖擊。

（4）加強對備用閥座的管理。閥座的鎢鉻鈷合金嵌體是可修復(fù)的。對新采購或修復(fù)的閥座，必須進行目視檢查和PT或超聲波檢查，確保質(zhì)量。

（5）一旦發(fā)生閥座密封面脫落，從而損壞高壓透平。機組應(yīng)盡快停機，隨著時間的推移，損壞的高壓透平部件有可能失效或固定在隔板上的部件可松動，造成附加損失。