汽輪機集裝油箱切換閥故障分析與處理

陳堅

摘 要：東汽N600B-16.7/538/538汽輪機潤滑油供油系統，集裝油箱內的切換閥卡澀故障改造處理，為汽輪機組的安全穩定運行提供保障。

關鍵詞：集裝油箱；切換閥卡澀；分析

1 概述

汽輪發電機組是高速運轉的大型機械，其支持軸承和推力軸承需要大量的油來潤滑和冷卻，因此汽輪機必須有供油系統用于保證上述裝置的正常工作。

東汽N600B-16.7/538/538汽輪機潤滑油供油系統中，常規設有兩臺100%板式冷油器，設計為一臺運行，一臺備用，根據汽輪發電機在設計冷卻水溫度（38℃）、面積余量為5%情況下的最大負荷設計，油路為并聯，用了一個特殊的切換閥（集裝在主油箱內）進行切換。采用切換閥作為兩臺板冷油器之間的切換設備，它具有操作簡便，不會由于誤動作，造成潤滑油系統斷油的特點。當運行著的冷油器結垢較嚴重，使冷油器出口油溫偏高時，可以通過高速切換閥的切換位置，啟動另一臺冷油器，當冷油器的進、出口冷卻水溫超過設計值，而冷油器的出口油溫超過最高允許溫度時，還可通過高速切換閥的工作位置，使兩臺冷油器同時投運，滿足系統供油要求。

切換閥由閥體、閥芯、壓緊板手、手柄、密封架、止動塊等零部件組成，切換閥的外型圖（見圖1），潤滑油從切換閥下部入口進入，經冷油器冷卻后，由切換閥上部出口進入軸承潤滑油供油母管，閥芯所處的位置，決定了相應的冷油器投入狀況，切換閥換向前，必須先將備用冷油器充滿油，然后松動壓緊板手柄，才能搬動手柄，進行切換操作，在切換閥內，密封架上設置了止動塊，用以限制閥芯的轉動，當手柄搬不動時，表明切換閥已處于切換后的正常位置，此時應壓緊板手，使閥芯、手柄不得隨意轉動，當需要兩臺冷油器同時投入工作時，應將換向手柄搬到兩面三刀極限位置的中間處，這樣，潤滑油可經閥芯分別進入兩臺冷油器。切換閥特性參數：

公稱直徑 250mm

工作壓力 0.6MPa

最大工作溫度 80℃

切換閥結構圖（如圖2）。

2 故障經過

2016年5月22日8：25分運行人員發現 #2機大機軸承潤滑油入口油溫達到45.5度（允許運行范圍40-50℃），懷疑正在運行的2A板式冷卻器冷卻水流量不足換熱效果差導致的油溫升高，將板式冷卻器冷卻水出口閥全開，同時將2A大機冷油器冷卻水出口管放水手動門、回水管路排空手動門打開，以此增大冷卻水流量，增強板式冷卻器的換熱效果。11：45 #2機大機潤滑油溫漲至47.1度，啟動備用的2A循泵進行雙循環水泵運行，進一步增大板式冷卻器的進出口冷卻水流量，以期望油溫上漲趨勢得到遏制，與此同時準備投入備用冷油器，并列運行，進一步保證軸承潤滑油溫在額定范圍內。

2016年5月22日15：00分運行人員開始進行冷油器的切換操作，（切換前1小時已開啟A、B冷油器間的注油門進行注油充壓），操作步驟為：（1）逆時針旋轉壓緊板手，松開壓緊板手，同時將操作手輪垂直頂升至最高位置（提升閥芯），確認轉動方向正確。（2）用閥門操作板鉤把操作手輪旋轉180度后，順時針旋轉壓緊板手，壓緊板手吃力緊固。操作期間主要觀察測量閥芯有沒有得到提升并旋轉，觀察A、B板式冷油器出口油溫有無變化，在整個操作期間潤滑油溫無任何變化，經排除操作步驟無錯誤后一直重復上述切換動作，直至23時仍然未能完成冷油器的切換操作。

2016年5月23日9：00分，將切換閥密封架拆卸后檢查，經檢查發現切換閥與閥桿連接的空心圓柱銷已被切斷，切換閥閥芯不能提升，已無法進行切換。此后雖采取了多種冷卻措施，但是還是出現連續多日冷油器潤滑油出口油溫超過50度，嚴重影響機組安全穩定運行，圖3為板式冷油器出口油溫曲線。

3 問題分析

（1）切換閥設計不合理：切換閥與油箱是集裝式設計，安裝在油箱內部，浸沒在潤滑油中，為了能進行有效切換，切換手輪安裝在油箱上部，切換閥閥芯用連桿引至油箱上部與手輪連接進行切換操作。

（2）切換閥芯與油箱上部手輪操作閥桿采用鉸接方式連接，鉸件與切換閥只用一個Φ20*2.5空心不銹鋼圓柱銷連接（截面面積1.13cm2），兩個操作人員使用閥門板鉤施加的力為τ=500公斤力，該柱銷承受的剪切力計算如下：

運行操作人員施加的力大于空心銷柱的抗剪切力，所以該銷柱強度不夠，再考慮到閥體間摩擦力等因素，在操作過程中很容易把銷柱剪斷。

空心圓柱銷是全部的力承載部件，其應力及變形直接影響操作結果，基于實際情況，以空心圓柱銷為研究對象，運用有限元分析處理軟件建立實體單元模型，得出以下模擬結果：

從圖4中可以看出空心圓柱銷的等效應力366.7MPa（標準不超154MPa）、安全系數0.56（標準為6）、及產生的變形位移值0.28mm（標準為0.1mm）均超過要求，需重新進行設計改進，方能使用。

（3）切換閥采用錐形結構，其底部小，上部大，密封面較寬，其原理是利用平面密封面間的相互作用來保證密封效果，該類型閥門密封面的比壓值：

即正常運行時需旋轉壓緊板手用力將閥芯壓至底部以達到密封效果，同時該閥門錐度較小φ=3°φ角較小，閥芯表面積比閥座表面積大，閥芯受熱膨脹較快，較大，而閥座受熱膨脹較慢，較小，溫度變化時引起閥芯被卡死的現象，導致閥芯軸向提升困難，切換失效。

（4）切換閥上蓋法蘭與閥桿套筒為整體結構，一旦不銹鋼柱銷斷裂，切換失效后運行中就沒有任何辦法處理。

（5）當切換閥處于無法切換狀態時，備用冷油器無法投用，不能保證汽輪機組的安全穩定運行。

4 設計改進

（1）切換閥連接部位進行改造：一是重新制作連接件，連接件與切換閥連接端采用內六角結構，增大切換閥時的扭力接觸面積。二是連接柱銷改為實心結構，采用Φ22實心合金鋼制作，并在閥體底部開孔引入潤滑油壓，作用于閥芯底部，以平衡兩側壓差，減少機械提升對連接柱銷的剪切力，避免柱銷切斷，如圖5：

實心柱銷抗剪切力計算：

該實心柱銷抗剪切力完全能滿足運行人員的操作力。

以實心圓柱銷為研究對象，運用有限元分析處理軟件建立實體單元模型，得出模擬結果，如表2、圖6所示。

從圖6中可以看出空心圓柱銷的等效應力115MPa（標準不超154MPa）、安全系數9（標準為6）、及產生的變形位移值0.08mm（標準為0.1mm）均能滿足要求。

閥芯接頭處采用內六角接觸連接，增加受力面積，以內六角面為對象，運用有限元分析處理軟件建立實體單元模型，得出模擬結果，如表3、圖7所示。

從圖7中可以看出改型為內六角受力面后，閥芯承受10000N扭轉力其變形和位移量很小僅0.001mm能很好的滿足使用要求。

5 結束語

該切換閥經過改造后，進行切換操作試驗，切換過程中輕松、平穩，說明該閥的技術處理是成功的，可靠的，值得推廣應用。

參考文獻

[1]廠家資料.D600B-765000ASM切換閥說明書[Z].

[2]陸培文.閥門設計入門與精通[Z].石家莊自動化技術公司，1991.

[3]《火力發電職業技能培訓教材》編委會.汽輪機設備檢修[M].中國電力出版社，2005.