汽輪機臥式主汽門泄漏與處理

重慶松藻電力有限公司 游利國 焦明飛 胡千彬

0 前言

150MW超高壓機組為一次中間再熱、單軸、雙缸、兩排汽凝汽式汽輪機組，該機組引進美國西屋技術。該類型機組自投產以來，自動主汽門存在不同程度漏汽情況，機組啟動過程中，主汽壓力升高到0.5Mpa時冷水冷汽漏入汽輪機，經常出現汽機盤車脫扣情況。機組在熱態啟動時，冷水冷汽進入汽輪機引起汽輪機調節級溫度急劇下降，金屬收縮不均引起變形；同時冷水冷汽漏入到汽缸，造成汽機盤車脫扣，造成汽機轉子偏心超標，引起機組動靜摩擦，汽機啟動困難，情況嚴重者將引起汽機大軸永久彎曲，造成汽輪機組毀滅性災難。

針對主汽門泄漏故障，分析研究了主汽門各部件受力情況，找出主汽門關閉不嚴密的真正原因，提出解決機組主汽門泄漏方法，并在機組檢修中得以實踐。對解決同類臥式布置汽機主汽門的泄漏故障具有重要的參考價值。

1 主汽門關閉理念分析

1.1 主汽門關閉時各部件受力分析

該150MW超高壓機組自動主汽門為臥式布置，其總體可分為主汽門本體和操作機構兩部分，其中本體包括:主閥碟、預啟閥、主閥桿、襯套、彈簧導桿等。主汽門內部見上圖所示。

由文獻[3]可知汽機主汽門關閉時，主汽門彈簧力為52444.2牛頓，此力全部作用在主汽門彈簧導桿與主閥桿襯套接觸面上。主汽門預啟閥及主閥碟受推力為6.3±0.75×47.1=261.4～332.1牛頓（預啟閥彈簧裝配壓縮量為6.3±0.75mm）。主汽門閥碟與調速汽門摩擦系統按0.2～0.3計算，則摩擦力為:172.91～259.37牛頓(由資料[5]可知，主汽門及預啟閥組件總重為88.22kg),由此可見汽輪機主汽門在理想狀態下，主汽門預啟閥彈簧推力大于主汽門閥碟組件摩擦力，但沒有富于量，該彈簧力作用力下很難實現關閉嚴密。西屋公司人員在設計該汽門時，不可能沒有考慮到此力沒有富于量，筆者認為該公司設計時主要是利用蒸汽壓力密封。

1.2 主汽門設計理念

本主汽門設計人員設計本閥門關閉時采用了三處密封，即:一是主汽門關閉時依靠主汽門關閉彈簧將彈簧導桿壓下，彈簧導桿端部直接與主閥桿襯套接觸，實現主汽門關閉時門桿漏汽減少到最低。二是主汽門關閉時，預啟閥依靠汽輪機主汽門預啟彈簧力和蒸汽壓力將主汽門預啟閥推到關閉位置后帶動主閥碟到關閉位置，然后依靠蒸汽壓差產生密封。即汽機打閘后要求主汽門預啟閥與主汽門主閥碟接觸關閉、主汽門閥碟與閥門座實現接觸關閉，實現主汽門預啟閥、主閥碟關閉嚴密；同時彈簧導桿端部與主閥桿襯套完全密封，減少汽機門桿漏汽量。主汽門關閉實現三個接觸面完全密封。

2 臥式主汽門關閉泄漏原因分析

2.1 主汽門閥桿彎曲和閥碟重力對關閉影響

由文獻[1]可知，汽機主汽門閥桿彎曲變形量在閥門全關時，彎曲度達到最小值。汽機主汽門主閥碟與襯套間隙為0.25～0.33mm，由于重力影響，可推算出主汽門閥碟最大下垂度為0.57mm，由于汽輪機主汽門關閉時，主閥碟與閥座接觸為球面接觸，接觸面大，故而主汽門關閉時由于重力和閥桿彎曲對主汽門關閉沒有影響。

2.2 三個密封面的影響

根據前面分析可知，本汽輪機主汽門在關閉時要實現三個面接觸密封，當汽輪機主汽門關閉后，由于彈簧導桿端部與主閥桿襯套接觸，減少了主汽門關閉時門桿漏汽量，但在關閉時由于主汽門關閉壓縮彈簧力全部作用在主閥桿襯套上，壓縮彈簧力對主汽門主閥碟關閉不起作用，主汽門預啟閥和主閥碟關閉完全依靠預啟閥彈簧力各蒸汽壓力實現關閉密封。機組在運行中，由于主汽門組件都處于高溫高壓環境中，長期運行時彈簧將發生蠕變(文獻[4])，同時主汽門閥桿與襯套都會產生氧化皮(文獻[2])，彈簧發生蠕變后，彈簧剛度將下降，氧化皮生成后汽機主汽門組件各活動間隙變小，摩擦力增大。運行中的機組由于蠕變和氧化皮影響，削弱了主汽門預啟閥彈簧力，進一步造成主汽門主閥碟和預啟閥關閉不到位，從而出現主汽門漏汽情況。

2.3 主汽門布置方式和加工精度的影響

主汽門采用臥式布置，機組在廠家出廠時密封線測量采用立式安裝檢查，立式安裝檢查時，汽輪機主汽門組件由于重力和預啟閥彈簧力作用，主汽門預啟閥和主閥很易實現接觸密封。但到用戶現場時，采用臥式安裝，主汽門組件重力對關閉不能起到幫助作用，主汽門壓縮彈簧力又不能直接傳遞到預啟閥及主閥碟上，預啟閥彈簧在正常情況下在主汽門關閉同時就已將主汽門預啟閥及主閥碟推到了關閉位置。當主汽門關閉到位后，要實現彈簧導桿與主閥桿襯套和主閥碟與閥座兩個密封面同時到位，加工精度和裝配精度很難同時保證，從而主閥碟未真正到關閉位置而處于飄浮狀態。由本文1.1分析可知，主汽門關閉主要依靠主汽門閥前蒸汽壓力實現密封，機組啟動時由于主汽門沒有后沒有蒸汽壓力，主汽門主閥碟此時還處于飄浮狀態，當機組啟動鍋爐升壓后，蒸汽壓力也不足以將主閥碟推到關閉位置。蒸汽進入汽機主汽門到調速汽門腔室，由于本汽機高壓調速汽門本身也有一定間隙，蒸汽進入汽機主汽門后，沿著汽機調速汽門間隙進入汽機本體，從而出現漏汽。故而很多同類電廠新安裝機組就出現漏汽情況。

3 主汽門漏汽處理方法

經對主汽門漏汽原因進行分析后，解決主汽門泄漏應由以下幾個方面著手:

3.1 減少接觸面

本主汽門關閉后要實現三個接觸面同時接觸，在主汽門關閉后關閉壓縮彈簧沒有對主汽門預啟閥及主閥碟產生作用力，故而可以將彈簧導桿端部接觸面打磨，以使主汽門關閉時關閉壓縮彈簧力直接作用在主汽門預啟閥及主閥碟上，實現關閉。

據調查，很多同類電廠在安裝后第一次啟動時，就發現汽機自動主汽門關閉不嚴密，機組啟動時，當鍋爐升壓后主汽門后壓力與爐側壓力相同，但做自動主汽門嚴密性試驗時又能合格。本主汽門采用蒸汽密封，主汽壓力較低時，主汽門不能關閉嚴密，此時閥前壓力和閥后壓力相同。蒸汽壓力升高到一定程度后，閥門由于采用蒸汽壓力密封，主汽門主閥碟被推向密封接觸面，主汽門閥碟在關閉時密封面是球面密封，從而主汽門閥碟進汽側投影面積大于出汽側面積，主閥碟兩側產生壓力差，該壓力差作用在主閥碟上，使主汽門閥碟始終推向出汽側。電廠在做主汽門嚴密性試驗時，由于主汽壓力高于額定壓力的50%，以超高壓機組額定壓力為13.24Mpa為例，主汽門嚴密性試驗壓力為6.6Mpa以上，主閥碟與閥座接觸面寬度約為2～5mm,則可推算出該壓強作用在主汽門主閥碟上產生的壓力大于32970牛頓。說明當蒸汽壓力達到6.6Mpa以上時，主汽門完全能實現蒸汽密封。

由上分析可知汽機主汽門關閉彈簧力為52444.2牛頓,此壓力直接作用在，相當于產生蒸汽壓力為:11.1～27.6Mpa，由此可看出將彈簧導桿端部打磨后，主汽門關閉壓縮彈簧力能實現完全關閉。

3.2 增加主汽門預啟閥彈簧剛度

增加主汽門預啟閥彈簧剛度，使主汽門預啟閥關閉時預啟閥彈簧能克服主汽門關閉時的各種摩擦力，使預啟閥及主閥碟能更好的接觸，消除泄漏。

3.3 改變主汽門閥桿形式

聯系汽輪機生產廠家，重新設計主汽門閥桿，將主汽門預啟閥彈簧取消，主汽門閥桿與預啟閥做成一整體，靠主汽門關閉壓縮彈簧力直接推動主汽門預啟閥帶動主閥碟關閉。

以上幾種處理方法中，第2種方法還要汽輪機廠家重新進行彈簧剛度計算，且該閥門為美國的西屋公司設計產品，設計理論主要是采用蒸汽密封，從理論上能實現關閉，也不便于重新設計計算。同時增加彈簧剛度還是要確保兩個密封面同時接觸，加工精度和裝配精度同樣也很難保證，故而很難實現關閉嚴密。第3種方法從解決問題來看，是最能解決問題的一種方法，但對主汽門門桿及預啟閥更換生產周期長、費用高，在大修時間內很難完成任務。第1種方法是可利用大修期間對主汽門彈簧導桿進行打磨，檢修工藝簡單，也不需要更換備品備件，故而用戶在檢修現場就能實現。

4 汽輪機主汽門泄漏處理在電廠中的實踐

重慶松藻電力有限公司主汽門系臥式布置汽輪機，兩側主汽門漏汽較為嚴重，機組啟動中存在嚴重的安全隱患，利用2011年機組大修對兩側主汽門漏汽進行了檢修，檢修方法主要對主汽門彈簧導桿進行了打磨，打磨量約為2.0mm。通過紅丹著色檢查主汽門彈簧導桿與主閥桿襯套接觸情況，消除彈簧導桿與主閥桿襯套接觸面，使主汽門關閉彈簧力直接作用在汽輪機預啟閥與主閥碟上。經過檢修處理后，機組啟動時，鍋爐壓力升高后兩側主汽門閥后壓力沒有隨著鍋爐側壓力升高而增加，閥后壓力使終為0，機組啟動前閥門內壁金屬溫度不隨主汽管道溫度升高而升高。說明機經過以上檢修處理后兩側閥門漏汽缺陷得以消除。

5 結束語

主汽門漏汽嚴重影響機組安全運行，在檢修中要及時消除。通過實踐證明，該類型主汽門漏汽主要是由于彈簧導桿端部與主閥桿襯套接觸時，主汽門關閉壓縮彈簧力不能直接作用在汽輪機預啟閥及主閥碟上。經過對打磨彈簧導桿后，主汽門關閉彈簧力相當于預啟閥彈簧力的157倍，即相當于主汽門關閉時就直接作用了11.1～27.6Mpa的蒸汽壓力，故而主汽門壓縮彈簧力能實現預啟閥及主閥碟關閉嚴密。處理主汽門泄漏時提出以下幾點建議:

5.1 彈簧導桿打磨量

由于主汽門閥桿與預啟閥彈簧裝配間隙為1.5mm，為確保主汽門關閉時閥桿能直接將預啟閥推到關閉位置，建議將彈簧導桿與主閥桿襯套間隙打磨量大于1.5mm。為防止主汽門關閉時門桿漏汽量過大，打磨量不大于2.0mm，建議打磨量為1.6～2.0mm。但最終還是要通過紅丹著色檢查彈簧導桿與閥桿襯套接觸面情況，以確保彈簧導桿端部不與閥桿襯套接觸。

5.2 閥桿與彈簧導桿連接銷保護

彈簧導桿打磨后，主汽門關閉壓縮彈簧力全部作用在彈簧導桿與閥桿連接銷上，該銷直徑為10mm，不能承擔過大剪切力，故彈簧導桿打磨后應在閥桿端部加墊片，并通過紅丹著色檢查閥桿與彈簧導桿裝配接合面，確保閥桿端部與彈簧導桿接觸，減少彈簧導桿與閥桿連接銷作用力，防止運行中剪斷該銷而引起事故。

5.3 汽機主汽門油動機緩沖行程

主汽門彈簧導桿打磨后，主汽門閥桿行程將會變化，為防止主汽門油動機緩沖行程過小，引起主汽門關閉時損壞油動機和確保主汽門關閉到位，應對主汽門緩沖行程重新進行調整，確保緩沖行程符合圖紙要求。

[1] 戴義平,張俊杰,李磊.等臥式布置主汽門關閉特性研究.汽輪機技術2009,51(4):241-244.

[2] 梁學斌,何文,王樹偉.高溫氧化皮的問題探討和防治.華北電力技術2007,增2:128-168.

[3] 游利國,汽機運行中主汽門突然關閉原因分析及處理措施.電廠電站設備2011,1:26-30.

[4] 宋琳生,電廠金屬材料.中國電力出版社.2002.4.

[5] 主汽門圖紙,180.30.41-1/1.上海汽輪機廠.