雙座調節汽閥存在的問題及原因分析

摘 要：目前節流調節汽閥結構簡單，在雙座調節汽閥控制的設備上，閥門關小，蒸汽流量變小，往往無法在小流量下進行精確控制，在雙座調閥完全關閉時仍有因溫度等因素導致的漏氣問題；閥門開大，蒸汽流量變大，時常導致閥碟抖動而最終影響閥碟與閥座的使用壽命，同時閥碟抖動也會通過閥桿傳遞到連接機構造成連接件磨損，長久如此會導致閥碟無法有效控制蒸汽的流量，甚至導致油動機產生磨損，進而影響汽輪機的正常工作。本文通過對雙座調閥的結構和使用環境進行分析，提出有利的改進及優化措施，達到閥碟抖動少，小流量控制精準，關閉狀態漏氣量小，同時對其它部件影響小的雙座導向式調節汽閥。

關鍵詞：調節汽閥；雙座閥；磨損控制；漏汽控制；工作穩定性

汽輪機調節汽閥結構型式分 為單座閥與雙座閥。系統中，單座結構多用于提板式調閥，雙座結構多用于大流量節流調閥。單閥雙座結構的調節汽閥很大程度上簡化了執行系統，減小了調閥體積，使汽輪機的外形精巧化，廣泛應用于多種型號汽輪機。

結構上，雙座閥的實際設計使用比單座閥有更大的復雜性。在過去使用的雙座結構中已出現過類似閥碟、閥座磨損、閥桿彎曲斷裂等問題。在新型機組的開發應用中，因要求承載流量的提高導致閥碟尺寸不斷增大，由此也發生了閥碟組件旋轉波動、密封不嚴漏氣嚴重、調節力偏大，閥碟閥座磨損等現象。有些問題的產生是由于理論分析不充分，結構設計不完善導致的。

1 原因分析及對策

1.1 問題的具體分析

單閥雙座調閥在使用過程中歸結其存在的問題可以分為以下幾點：

1.1.1閥碟與閥座的密封性問題

雙座閥開啟時是非接觸結構（圖1），其缺點是上下窗口很難同時研磨嚴密。運行時，閥碟組件對蒸汽溫度的反應比閥座快，因此常導致閥碟比閥座的膨脹量更大，進而造成上窗口漏氣嚴重。隨著新蒸汽參數的提高或用于冷凝機組時，此缺點表現的尤為突出，以至于很難進行低速空負荷暖機試車甚至有可能出現空負荷下無法控制的情況，直接對安全造成不利影響。

1.1.2閥碟、閥桿的磨損問題

調閥屬于運動結構，存在固有的機械磨損。現存兩種結構形式，它們各有其優缺點。圖1所示的是改進以前大量使用的調閥結構。其為臥式結構，磨損點A在長時間的運行后容易導致閥座定位圓孔磨穿，進而閥桿B點發生斷裂現象。由于結構A處為小環面不僅影響通流面積，更不利于大流量調閥結構的改進。圖2所示的是改進以后大量使用的調閥結構，其主要的磨損部位由原先的小環面A變為了上下閥碟側環面接觸部分C。由于使用了結構D，閥碟和閥桿存在了自由度，閥桿不再因閥碟的不同心導致斷裂，但卻出現了閥碟與閥座接觸部分C的磨損問題。

1.1.3大直徑的調閥碟提升力過大的問題

對于調閥閥碟直徑超過Φ140時，作用在閥碟面上的力會明顯增大，在閥碟不斷增大的情況下，由于某些油動機執行器輸出的扭矩限制，當需要的執行力無法滿足實際需求時會造成調門波動，無法實現調閥的有效控制，這也加劇了閥碟與閥座的磨損。

1.1.4大流量閥碟使用平面端部的結構因素

如圖1中的E端面，在許多大流量時因調門使用面積不足常把閥碟設計為平端面結構以提高通流面積。但平端面有著它的固有缺點，而型線結構的調閥在氣流的作用下擁有比平板閥結構更優良的穩定性。此部分結構汽流成因我們通過ANSYS流場分析圖2中的左側球面即圖3所示端面P，得到圖4汽流速度云圖。圖4云圖明顯地表示出即使在球端面也容易產生汽流空穴。因此平板末端不穩定的氣流造成變化的紊流壓力無法讓調門具有良好的穩定運行狀態。

1.1.5材料對閥碟使用的影響

部分改進后的碳鋼結構在圖2中C面上出現明顯的汽流沖蝕痕跡。這部分結構是由于活動要求必須保證的間隙值，漏氣是一定存在的。但在汽流沖蝕后產生過大的汽道間隙影響了閥碟的使用壽命，同時也有可能造成閥座表面拉毛甚至隔筋斷裂。此閥碟材料的長期使用會影響到機組穩定運行和空負荷狀態汽輪機的轉速控制。

1.2 改進對策

為了避免出現上述問題而導致結構使用壽命過短，影響機組正常穩定運行，設定如下改進步驟。

a）設計改進；通過分析找出雙座閥結構存在的問題，完善理論計算思路、優化結構設計方案。在氣動模型下對閥碟閥座流場進行分析，為結構設計提供依據。

b）實際驗證，積累數據；在明確改進方案后經過一段時間的機組運行考核，由實際使用效果驗證改進方案的優劣。

c）歸納總結，確定最佳改進方案；在積累一定臺數的使用經驗后，總結運行數據，達到明確雙座閥使用條件、改善調閥使用壽命、提升機組運行的可靠性，最終確定最佳的調閥系列方案。

2 優化分析及措施

對閥碟上作用力的計算限于靜力學部分。分析單閥雙座調節閥的五方面問題。其改進措施如下：

其一、優化調閥碟的上下閥結構，將下閥（遠離閥桿的閥碟）與閥座的結構相互配合，利用退刀槽做一個汽封結構，降低甚至杜絕下閥的漏氣；同時通過工藝設置兩兩閥碟閥座需配對使用，通過廠內空負荷試車確保下閥嚴密密封。在多次試驗后我們發現，下閥密封的嚴密性能確保機組空負荷運行時的暖機轉速得到控制。而上閥碟只能使用間隙密封，但合適的重疊度能大大降低漏氣量，能有效控制空負荷運轉，此方案在實際運行中得到了很好的驗證。

其二、將正常運行狀態下的閥碟側面與閥座重疊，能減少運行時閥碟的側向汽流受力面積，增大接觸面積優化磨損點的受力，同時將調閥改為豎直結構，能有效避免閥碟組件集中受力，在長期的運行試驗中也證實了此方案是可行的；而在臥式結構中需減少閥碟下部的集中受力只能通過盡可能降低閥碟自重，盡量降低閥碟受力線上的受力強度。鑒于此因素臥式閥碟無法無限制的提高閥碟直徑，只能在較小閥碟結構下得到有效可靠的使用。

其三、提高油動機提升力是有效解決提升力不足的直接方案，但在汽輪機設計過程中閥殼及蒸汽室的通流面積偏小造成噴嘴前壓力損失過大而導致汽輪機功率不足，而計算中使用壓損系數時取值過大，會直接導致調閥部分成為節流過大的部分，小開度下過高的流速會讓調門的磨損加劇，此問題在不少多閥提板式調閥中也得到印證，這只能優化運行工況點與閥碟開啟行程的關系，讓調閥盡量在較大行程下工作；

其四、盡量將閥碟設計為型線結構，這也保證了低負荷工況下的穩定運行。通過對雙座下閥結構的分析，圖3位置P處的空穴情況需要通過適當的實體填補以減小其對穩定流動造成的能量損失；同時改善閥碟端面的汽流運動情況。

其五，針對現場發現了氣流沖擊的現象，我們通過選用耐熱不銹鋼作為閥碟、閥座材料，同時對材料表面進行熱處理為零件的性能提供必要的保證，進一步提高閥碟耐沖蝕的性能，這在運行中得到了有效驗證。

3 總結

通過以上的分析和優化我們對閥碟進行了結構上的不斷改進。在近六年中做過的大量運行試驗得到有效驗證，對運行結果的分析更進一步的優化了單閥雙座結構；材料部分的改進通過長期運行驗證了高強度耐熱不銹鋼的應用可以有效解決閥碟長期使用的氣流沖擊痕跡問題，使用普通合金結構鋼通過表面氮化處理后也能有效提高閥碟抗蝕能力。同時，生產工藝的調整和閥碟結構的優化對調閥的密封嚴密性提供了有效保證。通過有效的分析與大量的試驗很大程度上提高了閥碟的運行性能與使用壽命，為我公司產品的穩定運行與可靠性提供了有力的保證。

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作者簡介：

杜超（1985-），男，漢族，福建永安人，工程師，本科，工學學士，就職于杭州中能汽輪動力有限公司汽輪機研究所，主要從事汽輪機的設計開發工作。