600MW超臨界機組某型旁路閥的故障分析與處理

麥潔

摘 要：本文對茂名熱電廠7號機組旁路閥從基建到投產的五年時間內，先后發生的油缸驅動力不足、高頻劇烈振動、噪音超標污染、閥門內漏等多種問題進行了詳細分析，并提出了閥體結構改造、閥芯閥座防沖刷結構改造等一系列技術方案，有效地解決了上述缺陷問題，消除了高溫高壓設備的安全隱患，并提出了延長設備壽命和檢修周期的運行措施。

關鍵詞：600MW機組 旁路閥 故障分析 處理

中圖分類號：TK227 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）01（a）-0070-03

1 設備概況及參數

茂名熱電廠7號機組為東方汽輪機廠引進日立技術生產制造的超臨界壓力、一次中間再熱、沖動式、單軸、三缸四排汽、雙背壓、抽汽凝汽式汽輪機，型號為：CC600/523-24.2/4.2/1.0/566/566，最大連續出力為662MW，額定出力為600MW。機組采用高壓和低壓兩級串聯的旁路系統，其中高壓旁路容量為40%鍋爐最大容量，布置在汽機房的6.9m平臺上；低壓旁路設置兩套裝置，分別對應高、低壓凝汽器，總容量為高壓旁路的蒸汽流量與噴水流量之和，布置在汽機房的13.7m平臺上。高壓旁路系統裝置由高壓旁路閥（含減溫器）、噴水調節閥、噴水隔離閥及液壓站、油管道（硬管和軟管）等組成，低壓旁路系統裝置由低壓旁路閥（含減溫器）、噴水調節閥、噴水隔離閥及液壓站、油管道等組成，主要參數如表1所示，高旁閥結構圖見圖1。

2 設備運行情況及問題

（1）2012年基建期間，高旁閥減溫水調節閥由于油缸驅動力不足，導致減溫水調節閥在壓力大于13MPa時無法開啟，更換更大驅動力的油缸，此問題解決。另外，低旁閥也曾發生無法開啟的問題，制造廠提供了一套重新設計的閥門內芯，減少了閥芯開啟阻力，此問題當時已解決。

（2）2013年停機保養期間，7號機組共啟動了3次進行沖轉保養，曾發生高排逆止門后疏水罐水位計接管焊縫振裂、高旁閥后壓力表管斷裂、高旁閥后溫度測點反復故障損壞等問題；在機組啟動過程中，高旁投入運行時聲音較異常，噪聲非常大且尖銳，高旁閥振動幅度較小，肉眼觀察不明顯，現場巡查未聽見水錘聲音。

（3）機組投產后，2013年12月26日第一次啟動過程中，高旁閥減溫水投入自動控制，因為高旁閥后溫度測點因振動損壞，控制系統誤判斷為閥門出口超溫，減溫水調節閥瞬間全開并反復波動，對閥門造成了熱應力沖擊，在高頻振動的疊加下，高旁閥減溫水3個噴嘴的管座焊縫均開裂。經過搶修恢復噴嘴焊縫，并在冷段再熱蒸汽管道0m層最后一處彎頭前增加了一路疏水管道至疏水擴容器，2014年1月4日第二次啟動過程中，在高旁閥及其減溫水投入后，高旁閥后管道和冷段在再熱蒸汽管道仍存在明顯的高頻振動，測得的振動速度值隨著高旁閥的開度增大而增大，在#27彈簧支座、#7彈簧吊架處尤其明顯，同時，高旁閥附近區域的噪音也明顯增大，高排逆止門后疏水罐水位計接管和高旁閥后壓力表管仍被振裂，見圖2。

（4）2014年4月3日停機過程中，高旁閥后彈簧支座振動及閥門附近1m范圍內噪音測量情況。

（5）2014年10月機組首次大修，對高旁閥進行解體檢查，發現高旁閥節流裝置（降噪籠）底板整塊脫落，第二、三級節流裝置完全失效，見圖3。

3 故障原因分析

（1）管道發生振動的常見情況是水擊（水錘）現象，由汽（氣）液兩相流或疏水不暢所造成，但從機組2014年1月4日啟動過程的情況（高旁閥減溫水為手動控制，未過量噴水；疏水亦正常）分析，振動源應為高旁閥內部。

（2）此類型閥門后的管道直管段長度要求為管道直徑的5～10倍，7號機組高旁閥后的管道長度（5900mm）/直徑（711.2mm）約為8.3倍，符合要求，排除了管道設計布置不合理引起的閥門振動的疑點。

（3）經拆檢減溫水噴嘴，組件完好、無卡澀，排除了噴水霧化效果不好導致管系振動的可能。

（4）從表2可知，高旁閥引起的高頻振動速度非常高，振幅很小（小于1mm，肉眼幾乎觀察不出來），未達到支架阻尼器的作用行程范圍，可確定支吊架系統對管系的振動貢獻非常小。

（5）經核算，該閥門通流面積有20%的余量，主蒸汽流量768t/h對應Kverf=384.0m3/h，Kvmax=504.6m3/h；高旁閥前蒸汽流速為59m/s，閥后67m/s，高旁閥前、后的管道直徑設計合理，排除了閥門、管道尺寸不足導致蒸汽流速過高而產生振動的疑點。

（6）結合閥門解體情況，最終確定高旁閥振動及噪音的原因是，機組冷態啟動時，尤其是鍋爐試水壓后過熱器中留存了大量液態水，主蒸汽溫度處于濕蒸汽區運行，蒸汽混夾的水滴將對高旁閥閥芯產生沖擊，尤其是通過高旁閥座后流速升高，破壞力增大，閥門內部節流裝置（降噪籠）底板焊縫產生隱性裂紋；在后續機組甩負荷試驗時，高旁閥瞬間開啟，大量蒸汽通過旁路至再熱器，沖擊節流裝置底板，造成底板整體脫落，此后蒸汽直接進入高旁閥后管道，高溫、高壓的蒸汽流速遠遠超出設計值，產生高頻振動和噪音。

4 處理方案

制造廠對閥門的內部結構進行改進設計：閥芯由圓筒型改為拋物線型，改善低開度工況時閥芯的微調控制品質，并將第二級節流裝置（降噪籠）與第三級節流裝置分離，第二級降噪籠尺寸縮小、厚度增大且與閥座為整體鍛造結構，同時第三級降噪籠增加體積尺寸和底部封板厚度（如圖4所示）。

5 實施效果及新問題

（1）通過更換上述改進結構設計的新閥體，高旁閥經過2015年運行檢驗，此前曾因高頻振動而反復發生的故障，例如：

①高排逆止閥后疏水袋水位計取樣管座斷裂。

②高旁出口溫度計A、B斷線。

③高旁管支吊架裝置螺絲松動。

④高旁調節閥后壓力測點二次門后取樣管振斷。

⑤高旁減溫水管座焊縫斷、裂漏汽（西南、北側兩處完全斷裂，東側局部開裂）。

⑥高旁閥后垂直段彈簧支座部分螺母松脫、支架側位，6塊加強肋板一塊斷裂、5塊根部產生裂紋。

⑦高排逆止閥操作氣缸底部壓縮氣管震斷。

上述故障在更換新閥體后，沒有再發生相同或類似缺陷，證明了該方法可以有效地解決閥門運行中受夾帶水滴的濕蒸汽沖擊而損壞的問題，此前由于閥門內部節流裝置損壞所引起的高頻振動和噪音問題得以解決。

（2）上述改進結構的閥體雖然增加了強度，沒有再次發生節流裝置損壞的故障，但是機組冷態啟動時，尤其是鍋爐試水壓后過熱器中留存了大量液態水，主蒸汽溫度處于濕蒸汽區運行長達2～3h，蒸汽混夾的水滴仍對高旁閥閥芯、閥座產生沖擊，經過多次冷態啟動后，高旁閥又出現了新的問題，即閥門內漏。

7號機組2016年1月5日停機后，高旁閥后溫度從253℃升至最高357℃，說明閥門內漏嚴重。

解體檢查，發現閥芯、閥座均存在不同程度吹損，如圖5所示。

后續采取激光補焊司太立合金修復閥芯、閥座密封面，但每次修復后經過機組1～2次冷態啟動，即又出現不同程度的內漏，無法根本解決問題。

6 高旁閥閥芯、閥座防沖刷結構改造方案及效果

實際運行、檢修情況證明，此前更換的新閥體雖然解決了閥門內部結構的強度問題，卻無法避免濕蒸汽對閥門密封面的沖刷破壞，為了徹底處理閥門內漏缺陷，再次研究決定采取閥芯、閥座防沖刷結構改造方案，如圖6所示，閥芯密封面背對蒸汽流動方向。

上述改造于2016年底實施后，7號機組于2017年（截至發稿日期）進行了5次冷態啟動（其中有兩次冷態啟動前鍋爐進行了水壓試驗），運行中高旁閥后溫度與高壓缸排汽溫度的偏差在1℃以內，停機后高旁閥后溫度沒有異常升高，有效解決了高旁閥頻繁內漏問題。

7 結語

茂名熱電廠7號機組旁路閥從基建到投產的五年時間內，先后發生了油缸驅動力不足閥門無法開啟、高頻劇烈振動引起閥門及管系焊縫開裂、噪音超標污染、閥門內漏等多種問題，通過閥體結構改造、閥芯閥座防沖刷結構改造等一系列技術方案，歷時五年，終于有效地解決了上述缺陷問題，消除了高溫高壓設備的安全隱患，避免了高品質蒸汽內漏造成的大量能耗損失。為了盡量延長設備壽命和檢修周期，運行中還應采取以下措施：

（1）在機組啟動前開啟旁路閥門，在啟動初期限制最小閥位不低于25%，直到高旁閥前主蒸汽和低旁閥前再熱蒸汽超過50℃的過熱溫度后再對閥門進行小開度操作；或者高低壓旁路閥門保持25%開度直至過熱蒸汽參數達到機組沖轉壓力要求，再轉入壓力控制模式。

（2）在機組啟動前確認低壓旁路閥前疏水閥門投入自動模式，即機組負荷小于某一設定負荷（例如133MW）低壓旁路閥前疏水閥處于開啟狀態。

（3）機組啟動過程盡量縮短主蒸汽溫度接近濕蒸汽區的運行時間，以減少蒸汽中夾帶水滴對高旁閥的破壞，主蒸汽升溫速率上限為5℃/min。

參考文獻

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