600 MW汽輪機高壓主、調速汽閥故障分析與處理

閆福岐，劉 偉，田 穎

(山西兆光發電有限責任公司，山西 霍州 031400)

600 MW汽輪機高壓主、調速汽閥故障分析與處理

閆福岐，劉 偉，田 穎

(山西兆光發電有限責任公司，山西 霍州 031400)

通過對NK600-24.2/566/566型超臨界600 MW中間再熱兩缸兩排汽空冷凝汽式汽輪機在運行中發生高壓主、調速汽閥閥桿脫扣和閥座浮起等故障進行分析，查找故障原因，并進行有效的處理，解決了該類問題，提高了汽輪機運行的可靠性。

超臨界汽輪機；高壓主汽閥；高壓調速汽閥；閥桿脫落

0 概述

某廠2期工程，安裝2臺上海汽輪機廠有限公司生產的NK600-24.2/566/566型超臨界600 MW中間再熱兩缸兩排汽空冷凝汽式汽輪機，為193型系列，于2009年9月投產。

該機高壓缸兩側分別設置1個高壓汽室，每個高壓汽室裝有相互垂直布置的1個高壓主汽閥和2個高壓調速汽閥，即每臺機組共有2個高壓主汽閥和4個高壓調速汽閥。

臥式布置的每個主汽閥為“雙閥碟”型結構，包括2個單座非平衡式閥蝶，預啟閥裝入主閥的內部，且預啟閥與閥桿是整體結構，組成了牢固的組合件。垂直布置的高壓調速汽閥是單座提升式，各由1只油動機控制。閥桿與閥門油動機的活塞桿由如圖1所示的聯軸器相連接，之間墊有墊片。高壓調速汽閥閥座高度約79.5 mm，外徑為241.22-241.6 mm，鑲嵌在閥殼凹槽上。

1 高壓調速汽閥閥桿脫落過程分析與處理

1.1 脫落過程

4號機組在5年之內共出現3次調速閥閥桿脫落，分別是2010-04-02和2014-10-29的3號高調門2次、2012-03-05的4號高調門1次，其主要現象如下。

(1) 輸入閥位開關指令時，反饋變化，但蒸汽流量和機組負荷無變化或變化很小。

(2) 閥門出現指令到“0”，但反饋不能完全回到“0”，只能關到某一位置。如2014-10-29的4號機組單閥運行時，發現3號高調閥只能關至39 %，就地顯示處于全關位置。

(3) 1號瓦X向振動突漲，由157 μm漲到187 μm，最高能達到208 μm；2號瓦X向振動由61 μm漲到84 μm,最高能達到123 μm。

1.2 檢查及處理

為查清閥桿脫落原因，在機組運行中和停機狀態下分別對高壓調速汽閥的支撐、外觀、行程、彈簧等部件進行檢查。

(1) 運行中檢查發現閥桿脫開，閥桿與連接桿固定銷切斷，閥門就地處于全關位置。測量閥桿外露尺寸為65 mm，原始數據為40 mm，閥桿與連接桿脫開25 mm，閥桿和連接桿連接螺紋咬死。

處理過程以2014-10-29發生的3號高調門故障為例。使用專用螺柱將操縱座的彈簧壓縮5 mm并固定，取出切斷的銷子；緊固連接桿和閥桿，直至緊不動閥桿后，松開專用螺柱將操縱座的彈簧恢復；使用鎳基焊條(N182-125-10TS02)將連接桿和閥桿連接處焊接。

(2) 停機后解體高壓調速汽閥，發現其情況和運行中差不多，不同之處就是閥桿與連接套之間存在間隙。

處理方式采用更換閥桿及組件，同時將閥桿與套加調整墊環并旋緊后，鉸孔裝銷子。

1.3 原因分析

綜合運行與檢修狀態檢查情況，發現高壓調速汽閥有如下共性：閥桿裝配后距離連接套頂部還有一定間隙；銷子全部斷裂；閥桿螺紋或多或少都受到損傷，尤其是閥桿上連接螺紋在靠近套一側(即靠近閥桿頂部)損傷嚴重，同時閥桿連接螺紋上還有咬扣的痕跡。分析原因如下。

(1) 機組打閘時，在彈簧作用力下，高壓調速汽閥迅速關閉，閥蝶與閥座接觸時會產生很大的沖擊力，又由于閥桿頂部與套之間沒有緊密接觸，存在間隙(見圖1)，所以沖擊力全部集中在螺紋上(按照設計要求，沖擊力應主要由連接套頂部承擔)。作用次數增多后，螺紋發生變形，閥桿與連接套發生相對位移，最終導致銷子被切變形或斷開。

圖1 高壓調速汽閥和油動機連接示意

(2) 機組采用AGC/ACE方式運行，高壓調速汽閥時刻處在調節過程中，開和關交替進行。由于閥桿和套之間存在間隙，開關閥門瞬間沖擊力先傳遞到銷子上，造成銷子出現疲勞損傷、斷裂現象。

(3) 該型機組高壓調速汽閥主閥碟固定在主閥桿上，不能自由旋轉。在設計上，2個高壓調速汽閥共用1個腔室，在高壓調速汽閥內易產生漩渦汽流，從而對主閥芯產生旋轉力矩，閥芯帶動閥桿旋轉，進一步將銷子損壞，并最終導致閥芯及閥桿旋出或螺紋損壞。

1.4 防范措施

(1) 銷子選材上采用45號鋼，適當增加銷子直徑，同時在連接套處加裝防轉板來克服機組正常運行時閥桿受到的旋轉力的作用，以保證閥桿不再脫落。銷子封口要牢固可靠。

(2) 重新裝配閥桿與連接套之間的墊片，確保閥桿能夠旋死與套緊密接觸，并裝好銷子。

(3) 認真對閥桿螺紋和連接套內螺紋進行檢查修理，已損壞嚴重的要更換相應備件。

2 高壓調速汽閥閥座浮起過程分析與處理

2.1 故障經過

2014-05-19，4號機運行中發現4號高調閥(GV4)只能關到15 %，測量閥門行程比原始記錄少5 mm。當年6月22日，停機后對此問題進行解體檢查發現：閥座鑲套的閥座與閥體四周有不均勻的間隙，約3-7 mm；鑲套閥座底部與閥體有不均勻的間隙，約3-5 mm，閥座有不同程度變形，說明閥座已上浮。針對閥座出現的問題咨詢制造單位，綜合考慮后采取臨時處理辦法：用銅棒敲擊閥桿來振打閥座，使閥座盡量歸位，以改善密封線密封情況。采用段焊法，用A302 Φ3.2焊條焊接閥座與閥體，防止閥座運行中上浮。

2014-11-30停機之后，再次發現4號機組GV4關不回去，閥位指示停留在27 %，閥桿外露尺寸為32 mm，比原始數據40 mm少8 mm。這說明6月22日臨時焊接處理后，焊點再次開裂，閥座上浮，于是解體4號機組4個高調門，發現如下情況。

(1) GV4閥座損壞嚴重，接近報廢(見圖2)。從損壞程度來看，其已經在運行中發生圓周旋轉，而且因受過大的沖擊損壞多次；同時2根銷子全部斷裂，斷頭已找不到，閥座碎塊和銷子斷頭估計已進入噴嘴室。銷子斷口如圖3所示。

(2) GV3銷子槽成圓弧狀，溝比較深，很光滑，碾掉了一塊。說明閥座在運行中也發生了旋轉現象。銷子槽側向角度發生變化，倒邊。其中一根銷子斷裂成3截，小的一截斷頭已找不到。

(3) GV2和GV1銷子槽情況稍好，但也變深，很光滑。閥座在運行中也發生旋轉現象，銷子也發生磨損現象，整體長度不夠。

(4) 4個高調閥解體后，測量閥座、銷子槽和銷子的幾何尺寸如表1、表2所示。圖4和圖5分

別示出閥座及銷子的幾何形狀。

圖2 GV4閥座不同角度照片

圖3 GV4閥座銷子情況

從表中數據來看，閥座外直徑B的幾何尺寸已經小于閥座基孔尺寸，說明4個調門閥座與基孔配合沒有過盈力，運行中閥座在基孔內存在上下串動和旋轉現象。

圖5 高調閥銷子幾何形狀

2.2 原因分析

(1) 主蒸汽溫度快速下降閥座收縮(2010-07-23，2014-02-28機組啟動，主蒸汽溫度急劇下降各1次)，閥殼與閥座出現間隙，導致閥座松動。閥座在蒸汽流的作用下產生高頻振動，閥殼與閥座由于高頻振動產生磨損使摩擦力逐漸下降，使得正常運行時閥座頻繁動作，高壓調速閥閥殼與閥座過盈量不能保證設計值；當摩擦力小于蒸汽推力時，即使在正常運行條件下閥座也會產生振動，閥殼與閥座繼續磨損，閥殼與閥座產生更大間隙，最后導致閥座松動，閥座與閥殼分離，調節閥浮起。

表1 4個高調門解體后閥座、銷子槽的幾何尺寸 mm

表2 4個高調銷子幾何尺寸 mm

(2) 高壓調速汽閥基孔加工前，閥座的應力時效處理不完善。這致使基孔精加工后，在實際交變熱應力和交變載荷(包括震動載荷)的作用下，基孔發生熱應力(高溫持久應力和高溫蠕變應力)變形，使基孔與閥座逐步產生間隙，在外力的連續作用下，間隙逐步擴大而使閥座焊道斷裂。

(3) 閥座與基孔安裝時過盈量太小。

2.3 高壓調速汽閥改造

2014年12月，對4個高調閥一并進行改造。

2.3.1 采用新型閥座

閥座材質變更為X10CrMoVNb9-1(原為10325PJ)；閥座結合處長度比原閥座增加30 mm，為109.5 mm，外徑約244左右mm；閥座配合緊力間隙由0.21 mm增大至0.23 mm；同時對鑲套閥座凹槽用鏜床往深鏜30mm，液氮冷卻新閥座后裝入凹槽內，再用定位銷子(直徑：30 mm，材

質：C422)固定后施焊。

10325PJ為具有抗氫腐蝕性以及具有較好高溫力學性能和耐溫蠕變性能的珠光體耐熱鋼。X10CrMoVNb9-1不僅具有高的抗氧化性能和抗高溫蒸汽腐蝕性能，而且還具有良好的沖擊韌性和高而穩定的持久塑性及熱強性能，其高溫持久強度、熱穩定性和高溫抗蠕變能力等綜合性能強于10325PJ。因此采用X10CrMoVNb9-1更耐用。

2.3.2 處理工藝

采用鉆削方法將銷子拔出。用專用千斤頂將舊閥座呈向上拉的方式，在舊閥座底部加裝密封板，注入液氮將其快速冷卻，消除過盈量后將閥座拔出。用鏜削機將高調閥基孔按照新型閥座尺寸加工至橢圓度、錐度、粗糙度合格。新閥座在液氮中緩冷后浸泡50 min，快速將新閥座放入閥座基孔內，用工裝壓板壓緊至閥座恢復常溫。加工銷孔、檢驗密封線、螺塞焊縫，最后檢查管道確保無異物。由于主、調速汽閥共用一個汽室，主汽閥解體后順其通道才能將新閥座就位。

2.3.3 質量控制點及指標

(1) 施工前，閥口部位需封堵合格。

(2) 新閥座高度增加30 mm，鏜削機鏜基孔，加工深度達30 mm。

(3) 閥基孔鏜削后，孔錐度及橢圓度應滿足裝配條件，不超0.05 mm。

(4) 基孔與新閥座過盈量應為0.23-0.25 mm。(5) 密封線檢查合格。

2.3.4 運行措施

(1) 機組啟動過程中必須進行充分暖機，尤其是主汽閥與高調閥切換之前，必須確保左右主蒸汽閥門蒸汽室溫度大于閥前壓力飽和溫度20 ℃以上，防止閥切換時因蒸汽溫度低造成蒸汽帶水導致閥座迅速收縮。

(2) 滑參數停機過程中，嚴格控制減負荷速率、主汽壓力和主汽溫度下降速率，避免蒸汽溫度反復升降造成閥殼與閥座頻繁摩擦。如進行滑參數停機，主蒸汽溫度必須有56 ℃以上的過熱度。

(3) 定期進行各主、調汽閥的活動性試驗。確保各主汽閥、調汽閥開關靈活，嚴密性合格，防止機組停運后汽門不嚴，造成冷水冷汽進入閥門室。

(4) 機組大小修嚴禁過早拆除汽閥及連接管道的保溫，防止汽閥室溫度的快速下降。

3 高壓主汽閥閥桿斷裂

3.1 斷裂現象及分析

2013-07-08，3號機組臨修結束后啟動。在沖轉時，1號主汽閥(TV1)逐漸全開，2號主汽閥(TV2)開度13 %，兩側主汽閥開度偏差大于85 %超過正常值。就地檢查TV1執行機構顯示其為全開位置，初步分析判斷為沖轉參數偏低，沖轉汽量不足導致主汽閥開度過大。于是汽機打閘后加強鍋爐燃燒，再次沖轉、并網。

并網1.5 h后發現，3號機組主汽壓力較實際滑壓壓力偏高5 MPa左右。對比2個主汽閥工況后發現如下情況：

(1) 就地檢查3號機組TV1，TV2閥桿位置均在全開位，但比較發現TV1就地過汽聲明顯較TV2偏小；

(2) 在DCS畫面上檢查發現，TV1，TV2進汽溫度與閥體溫度偏差較大(見表3)。

機組正常運行中主汽閥進汽溫度與閥體溫度偏差應在10 ℃左右，但表3中TV1的偏差達到90 ℃。結合就地主汽閥過汽聲音的差異，同時主汽壓力較滑壓壓力偏高5 MPa，綜合判斷TV1閥桿確實發生斷裂；就地機械位置全開，但實際閥門在全關位置。

表3 TV1，TV2進汽溫度與閥體溫度對比 ℃

3.2 臨時處理措施

機組已經啟動，若停機處理主汽閥閥桿斷裂，將造成機組非停，同時閥桿備件需20天時間才能到位，于是嘗試運行中采取措施將閥門開啟。

3號機組主汽閥為水平布置，并網后主汽閥在全開位置，高壓調速汽閥調整負荷。TV1閥桿斷裂后，TV1閥體實際在關閉位置，對應的GV1，GV3在中間位置，主汽閥前進汽區為高壓側；主汽閥后由于調門開啟泄壓為低壓側，主汽閥桿腔室與閥桿漏氣聯通也為低壓側。由于主汽閥閥體前為高壓，閥體后為低壓，閥體被兩側汽差壓壓死，不會動作。

如果將TV1對應的2個高調閥GV1，GV3全部關閉，那么主汽閥后調門室壓力將升高，由低壓區變為高壓區，此時，主汽閥閥體前后汽壓差減小或基本相同，而主汽閥桿腔室內仍為低壓側。這種情況下，閥桿斷裂的主汽閥有可能在主汽閥后與主汽閥桿腔室汽壓差壓的作用下自然開啟。

按照上述思路和方法，成功將TV1開啟正常，并維持機組運行到2013-11-08，3號機組按調度要求停機備用，隨即進行TV1閥桿檢查更換工作。

4 高壓主汽閥閥殼與閥座密封焊開裂

2014年12月，4號機組停機備用時處理高壓調速汽閥閥座浮起故障。解體高壓主汽閥后發現，高壓主汽閥閥殼(材質：10315AP)與閥座(材質：12Cr2Mo)環向密封焊接部分開裂。其中TV1開裂約330°，TV2全部開裂為360°。

分析原因與機組受到打閘時的沖擊力和大幅度溫度變化有關。與制造廠家溝通后，用E309-16(A302)Φ3.2焊條焊接。焊接前，用氧乙炔火焰局部均勻加熱至200 ℃，測溫位置離焊接區不少于50 mm；焊接過程中層間溫度不得低于200 ℃，不得高于260 ℃，角焊縫尺寸不小于3 mm；焊后立即加熱到250 ℃，然后在保溫下緩慢冷卻至室溫。密封焊縫按PS84350KD滲透檢驗(PT)或者相應的電力標準滲透探傷，同時需滲透探傷檢查閥座硬質合金面。

5 結束語

通過分析該型汽輪機主、調汽閥4種異常工況，并分別采取了臨時和正式措施進行處理，恢復了機組正常運行。但由于高參數大容量機組閥門關閉過程中受到的瞬間沖擊力非常大，后續考慮：

(1) 是否在啟動過程中減少打閘試驗；

(2) 計劃停機時，在機組無蒸汽運行允許時間以及機組振動合格情況下，通過熱控邏輯關系逐個關閉主、調汽閥，以減少汽閥關閉時的沖擊力。

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2016-01-19；

2016-07-26。

閆福岐(1968-)，男，工程師，主要從事火電廠設備運行與檢修管理工作，email：yanfuqi2004@126.com。

劉 偉(1991-)，男，助理工程師，主要從事火電廠集控運行工作。

田 穎(1991-)，女，助理工程師，主要從事火電廠集控運行工作。