超臨界機組汽輪機高調閥浮起的原因分析與處理

曹 儂

（上海電氣電站集團工程公司，上海 201199）

0 引言

N660－24.2／566／566 型超臨界660 MW 中間再熱凝汽式汽輪機中，主汽進汽閥采用的是當前國內外超臨界機組大多采用的主汽一體閥，即主汽閥和高調閥合并而成的一體閥。為避免高調閥閥座浮起，目前對閥座主要在3 個方面進行了改進：1）閥座材料由10325PJ 或12 CrMo 改為X10CrMoVNb9-1［1-2］；2）閥座高度由79.5 mm 增加到109.5 mm［3-4］；3）閥座與閥殼間的過盈量由0.11 mm 增加到0.23 mm［5］，一部分增加到0.28 mm［6］甚至0.30 mm［7］。但是，目前對高調閥的松動、浮起甚至閥桿斷裂［8-9］等問題還有認識的盲點。以某工程高調閥故障問題為例進行故障的原因分析及處理，提出調試、安裝、運行、維修等方面的要求，為今后此類故障的處理提供參考。

1 高調閥故障現象

工程首臺機組為3 號機組，在2013 年8 月底開始投入商業運行，2017 年5 月中旬首次發現高調閥調節異常情況。這種情況陸續在其他機組出現。高調閥調節異常情況如下。

啟動階段。在汽輪機沖轉的閥切換過程中，常見的高調閥故障有高調閥開度在15%以上的拒動，或者出現汽量時大時小，引起汽機轉速失控，最終至閥切換不成功的情況。需要說明的是，上述拒動與帶負荷高調閥拒動不同，后者可通過改變進汽方式來解決［10］。

運行階段。在近高調閥處聽到金屬的撞擊聲［11］，提示可能出現閥座浮起。而閥座浮起可能導致閥座下面的閥殼突起，會阻礙汽流的通道。在相同負荷下，閥前壓力會升高，高調閥也隨之開度增大。若高調閥處于全開狀態，則說明該高調閥閥座已經浮起并損壞。

停機階段。高調閥關閉時仍有10%以上的開度，內漏嚴重，汽機惰走時間較前延長。閥殼外的銷子末端磨損、變短、松動或脫落。

解體階段。高調閥閥殼朝內表面側拉長，閥座外表面變形，閥座收縮變形并向中心突出，口徑變小。閥座與閥殼間隙變大。閥蝶球面變形有突起。

2 汽輪機高調閥結構和材料

2.1 汽輪機高調閥結構

汽輪機在汽機平臺上有2 個主汽一體閥，分兩側水平布置。單個主汽一體閥由1 個主汽閥（圖中左側）和2 個高調閥（圖中右側）組成，如圖1 所示。

圖1 汽輪機主汽一體閥結構

圖1 中左側主汽閥，蒸汽自下而上進入，當主汽閥閥桿水平向左運動時，主汽閥打開，蒸汽從左側的主汽閥進入右側高調閥腔室。2 個高調閥豎直平行布置，高調閥閥桿上下運動來控制進入汽機噴嘴室的流量，從而達到最終控制機組負荷的目的。

高調閥結構如圖2 所示，自下而上依次主要由閥殼、閥座、閥蝶、閥桿、閥桿套、油動機活塞連桿、彈簧等組成。

閥座與閥殼通過過盈配合連接，并通過閥殼外的2 個銷子鎖緊，對閥座和閥殼起到固定和防旋轉的作用。閥桿底部與閥蝶呈螺紋連接，如圖3 所示，D6為閥座與閥殼的過盈量。

高調閥閥桿上部與油動機連桿下部通過閥桿套連接，閥桿與油動機連桿間存有固定間隙，可緩沖套筒內的閥桿間、閥座與閥蝶間的高強度沖擊。這一間隙在油動機油缸內對應有一個末端緩沖區，其結構如圖4 所示。

圖2 汽輪機主汽一體閥內高調閥結構

圖3 閥座與閥殼間的過盈配合量

圖4 油動機油缸內的緩沖區

2.2 汽輪機高調閥材料

傳統閥座材料為10325PJ/12CrMo 的珠光體合金鋼，而該工程用10CrMoVNi9-1 的馬氏體合金鋼代替原先的材料，因為后者可塑性更小且有較小的蠕變變形。而閥殼材料一般都是Cr，Mo，V 合金鋼（或10315AP）［12］，且已被廣泛應用，因此不需要更改。工程使用的高調閥材料特性如表1 所示。

表1 汽輪機組高調閥的材料特性

3 汽輪機高調閥設計

制造商在出廠前已按照安裝工藝要求將閥座與閥殼組裝完成，所以兩者間的過盈量、閥座高度和材料已經固定。該工程采用閥座與閥殼的過盈量為0.19～0.23 mm，閥座高度為109.5 mm。高調閥的其他組件則在現場由安裝單位根據圖紙要求復裝。

3.1 閥座內外溫度梯度

閥座與閥殼接觸緊密，因此在穩態條件下閥座溫度接近閥殼界面溫度。由于蒸汽的節流作用，閥座受蒸汽影響較閥殼大，這會使得閥座的表面自內而外和自上而下都存在溫度梯度。閥座上的溫度梯度會在圓周方向產生較大的軸向和徑向熱應力。

這種熱應力是閥座內外壁溫差的函數。主汽溫度變化梯度越大，閥座與閥殼間的熱應力變化也越大。在高溫高壓下，這種熱應力會隨著時間的延長使得材料失去強度，破壞蠕變性能，從而導致閥座和閥殼內表面塑性變形，并消耗掉其間的過盈量［13］。如果溫差持續超限，將導致閥座與閥殼間出現間隙而松動。另外，在蒸汽的沖擊和閥蝶接觸性撞擊下，一旦閥座浮起，閥蝶與閥座的撞擊也會加劇它們各自的變形和損害，如圖5 所示。

圖5 現場高調閥解體后閥座、閥蝶損壞

3.2 閥座高度

若閥座高度太小，會導致閥座與閥殼的接合面小。若其間的過盈量也偏小，則會使閥座松動而浮起。實踐表明：以往使用的閥座高度為79.5 mm，其閥座與閥殼間的結合面不夠，需要增加30 mm 使得閥座高度為109.5 mm，以確保使用的適宜性和安全 性［3-4］。

3.3 閥座與閥殼的過盈量

根據制造廠對蒸汽溫升／溫降速率的要求：運行最大溫升／溫降為120 ℃／h。在這種情況下，認為D6應為0.19～0.23 mm，若D6過大，閥座的內應力也較大，雖然閥座與閥殼間不會松動，但是閥座受到高溫高壓的蒸汽沖擊會增大內應力，可能出現裂紋甚至破碎。

4 汽輪機高調閥安裝要求

如前文所述，工程所用高調閥閥座的高度為109.5 mm，過盈量D6為0.19～0.23 mm，閥座與閥殼的材料如表1 所示，這些是確保閥座不松動、不浮起的基本條件。

若閥桿與閥桿套間隙偏大會引起閥桿振動，甚至斷裂。若該間隙偏小則對閥座和閥桿的沖擊磨損增大，導致變形。

安裝時，為保證閥桿的自由間隙，要求先將閥門關閉，讓油動機連桿自然下垂與閥桿對接，一般油動機連桿和高調閥閥桿間存有間隙約4 mm。然后將油動機連桿上提6 mm，即油缸活塞從底部上移6 mm，這樣油動機連桿下端與閥桿上端的閥桿自由間隙為10 mm。

此時，可由工廠或廠家提供的墊片厚度調整至10 mm，并插入此間隙中，再固定油動機連桿、套筒和閥桿，以此作為閥門關閉后的最后位置。圖6 為閥座自由間隙中填塞的墊片位置。

圖6 閥座自由間隙墊片位置

5 汽輪機高調閥調試與運行要求

高調閥的控制方式為：油動機注油開，彈簧下壓關，并且通過注油油量來控制高調閥的開度。

5.1 汽輪機的相關試驗操作要求

汽輪機高調閥關閉時間的測定。調試期間，要進行高調閥關閉時間測定試驗，以確定閥門關閉時間是否符合廠家要求。否則，會引起汽機超速而出現事故。由于末端緩沖區的存在，在高調閥關閉時，現場應該聽到的是油擠壓聲而不是金屬撞擊聲。聽聲音也是判斷高調閥的閥桿自由間隙調整是否到位的方式之一。

高調閥松動試驗。在做高調閥松動試驗時，要確保閥門的指令、反饋和現場的閥位一致，并做好原始記錄。若高調閥的調節或關閉有異常，即閥門浮起或機械松動，會使汽機轉速、功率和調頻等響應性能下降。此時，就可比對原始記錄，一般高調閥浮起時，閥桿會比正常情況上升5 mm 以上。

5.2 汽輪機在運行時的操作控制

根據廠家設計，在同側主汽一體閥內，2 個高調閥的側面分別有1 個外壁金屬溫度熱電偶和1 個內壁金屬溫度熱電偶用以測量閥殼內、外壁金屬溫度，如圖7 中X 點所示。2 個測溫點分別布置在2 個調閥上，左側X1為外壁金屬溫度，右側X2為內壁金屬溫度。

圖7 高調閥上的金屬壁溫測點X 位置

在穩定負荷運行下，閥殼和閥座的溫差較小，但在快速變負荷時，兩點的溫差很大?！?60 MW 超臨界機組使用操作手冊》 提供了高調閥汽室內表面金屬溫度Ts與閥座內壁溫度T2、外壁溫度T1間的關系，如式（1）所示，以此規定啟動中閥切換的條件，即Ts大于主汽壓下的飽和溫度，此時，用Ts作為最低主汽門前溫度。

高調閥閥座內壁溫度T2在200 ℃時，溫差可容許120 ℃；T2=300 ℃時，容許溫差108 ℃；T2=400 ℃，容許溫差96 ℃；T2=500 ℃，容許溫差83 ℃。

該工程6 臺超臨界機組的高調閥屢次發生閥座浮起問題，而同類機組的B 電廠自2013 年底2 臺機組都投入商業運行，至2019 年從未出現高調閥異?，F象。表2 為該工程5 號機與B 電廠同類型的4 號機在啟停階段閥座內外壁溫對比記錄。

該工程5 號機停機惰走狀態，外壁溫度為502 ℃，內壁溫度為364.68 ℃，最大溫差達到137.68 ℃，超過容許溫差54 ℃。5 號機啟動后，有2 次溫差較大：內壁T2分別為336 ℃和417 ℃，外壁T1分別為221.98 ℃和300.75 ℃，溫差均超過了容許溫差。在4 天內，5 號機在啟、停階段的溫差均超過容許溫差上限。

通過實際調查并檢查B 電廠4 號機的跳機、啟機以及檢修記錄，查到內外壁溫差記錄最大值為68.81 ℃，發生在轉速為2 350 r／min 處。由此可見，控制閥座內外壁的溫差是避免閥座松動、浮起的一個重要手段。

5.3 汽輪機運行要求

閥座的損壞隨著應力疲勞、溫度、時間、腐蝕、磨損的繼續而持續惡化。這種惡化也隨著運行參數的瞬間巨變而更加劇烈。

啟動階段。沖轉前，要確保主汽閥前主汽溫度高于高調閥汽室內壓力的飽和溫度20 ℃以上，以避免蒸汽帶水造成閥座金屬溫度突降。沖轉中要嚴密監視閥座金屬內外壁溫度，溫差不可過限。控制主汽溫升、溫降速率小于2 ℃／min（冷態）。任何情況下都不得減少規定的中速暖機時間，一旦發現溫升降率過大，要延長暖機時間。

帶負荷階段。嚴格控制負荷升、降率小于1.5%／min，同時監視閥座金屬內外壁溫差在要求范圍以內。

停機階段。監視閥座壁溫差，按規程要求不早停役軸封供汽和盤車。嚴禁檢修前過早拆除主汽閥/高調閥本體的保溫。因此，不建議在停機中使用快冷方式。

實踐證明，在啟動階段的閥切換、剛并網時及停機降負荷至零的階段，閥座的內外壁溫差是最大的。因此，按規程控制汽溫的升溫、降溫速率是運行中避免閥座松動的關鍵因素。當然，減少非計劃停機的次數也是一個控制因素。

表2 工程5 號機與B 電廠4 號機啟停階段壁溫對比

6 汽輪機高調閥維修要求和注意事項

閥座和閥殼的安裝工藝和焊接工藝要求均較高，如果在現場完成修復工作，需要施工人員具有較高的技術和修復水平并按設計要求達到施工精度。

6.1 高調閥浮起后的修復要求

高調閥解體，需要首先將主汽閥解體?？紤]到維修人員需要在閥內工作，應對主汽閥進口管和高調閥出口管道進行封堵，一般用海綿外包布把管道塞緊，既便于清理后去除，又能承擔鏜孔、焊接、研磨等工序中產生的雜物。

舊閥座取出。對高調閥的閥座底部進行封堵后，先取出閥殼外的銷子，再用專用工具植入閥座下方并貼住閥座，最后用木棒或銅棒敲擊閥座外緣使其歸中。此時可上提工具拉桿（或用千斤頂與輔助工具組合）將閥座從閥殼內取出。

新閥座加工。新閥座外徑 （考慮了過盈量，如0.19～0.23 mm）的同心度和橢圓度的精度≤0.02 mm，閥殼內表面的加工精度也≤0.02 mm。需確認新閥座的高度為109.5 mm，精度要求同上。最后，清理研磨后的雜物。

新閥座回裝。在汽機平臺近高調閥的平整地上，將新閥座置于液氮內冷縮40～50 min，同時對閥殼外側對應閥座區域用氧乙炔槍由4 個人同時從4 個方向（見圖8）加熱至200 ℃左右，使閥座安裝孔膨脹變大。再盡快將冷縮后的閥座回裝，并檢查閥座與閥殼嚴絲合縫并對中合格，用工裝壓板壓緊至閥座恢復常溫，防止閥座恢復時膨脹浮起。

新閥座施焊與研磨、清理。對閥座與閥殼的上端配合外緣進行全周施焊，最后對閥殼外的2 個定位銷進行定位并點焊以防止松動。為了保證維修后閥門的嚴密性，對閥座密封面現場重新進行研磨。研磨合格后，清理高調閥內外雜物，最后重新組裝高調閥和主汽閥各部件，至此，維修結束。

圖8 閥座示意圖

6.2 維修處理和注意事項

高調閥閥殼上的銷子有兩個作用：一是定位，二是防旋轉。建議加大銷子的直徑，可選擇直徑為18～22 mm 的銷子來抵御金屬蠕變疲勞，并延長其使用壽命。

閥座的維護要保證閥座高度、過盈配合量的要求值和加工精度?；匮b高調閥要保證閥桿、套筒的徑向間隙符合圖紙要求，特別是閥桿軸向自由間隙應大于6 mm，并填充工廠配置的墊片。

7 經濟效益分析

高調閥閥座的松動、浮起，會產生機組負荷不穩定和失控，最終導致機組停機。660 MW 超臨界機組的一次重新啟動，《660 MW 超臨界電廠鍋爐使用說明書》提到冷態啟動到滿負荷至少7 h，按此計算會導致發電量損失462 萬kWh。此時，還沒計算停機后到處理完成的時間段所造成的發電量損失。因此，避免高調閥閥座的浮起停機，可避免非計劃停機檢修給電廠帶來的巨大經濟損失［14］。

8 結語

解決高調閥閥座浮起問題，不僅要從設計、制造方面查找原因，確保材料、閥座高度和過盈量等達到標準，還要從閥門未發生松動、浮起前的控制因素入手，比如對安裝高調閥閥桿自由間隙進行調整、對高調閥關閉時間進行測定、對機組啟停及變負荷運行時的閥座金屬溫差進行控制等，可以有效避免機組因高調閥的閥座浮起而引起的非停問題。