電站汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥機(jī)械故障分析及處理對(duì)策

魚(yú)鳳萍，郭平英

（1.寧夏電投銀川熱電有限公司，寧夏 銀川 750021；2.陜西電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710048）

0 引言

汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥是調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要作用是使汽輪機(jī)組適應(yīng)電負(fù)荷和熱負(fù)荷變化的要求，通過(guò)控制閥門(mén)開(kāi)度變化，改變進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽量[1-3]。

電站汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥工作溫度一般超過(guò)500℃，且經(jīng)常處于跟蹤調(diào)節(jié)狀態(tài)，工作狀態(tài)既有緩慢變化的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，又有危急保安情況下的沖擊狀態(tài)。從高壓調(diào)節(jié)閥工作介質(zhì)的流動(dòng)工況來(lái)看，屬于亞聲速流動(dòng)。壓力波的擾動(dòng)以聲波速度傳播，既可以向上游傳播進(jìn)入主蒸汽管，也可以向下游傳播進(jìn)入高壓汽缸。高壓調(diào)節(jié)閥閥桿、閥碟、閥座和蒸汽室材料一般為CrMoV或CrMo鋼，超臨界汽輪機(jī)組有些使用經(jīng)過(guò)氮化處理的鎳鉻鐵耐熱鋼[4-5]。

一旦調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障，除了影響汽輪發(fā)電機(jī)組正常的加減負(fù)荷外，情況嚴(yán)重的會(huì)使機(jī)組帶著安全隱患監(jiān)視運(yùn)行或被迫停運(yùn)。本文主要論述高壓調(diào)節(jié)閥的機(jī)械故障分析和處理對(duì)策，涉及的油壓控制系統(tǒng)故障可參考其他文獻(xiàn)和資料[6-7]。

1 閥碟脫落故障

現(xiàn)代汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥一般配置4個(gè)或6個(gè)調(diào)節(jié)閥，某一個(gè)閥碟脫落，主要是該調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂或閥桿連接螺絲滑絲等原因造成。連接閥碟的閥桿與壓縮彈簧可簡(jiǎn)化為一個(gè)單自由度質(zhì)量-彈簧振動(dòng)系統(tǒng)。閥桿在快速提升和閥門(mén)快速關(guān)閉時(shí)的慣性力產(chǎn)生動(dòng)應(yīng)力，按直桿縱向撞擊原理，應(yīng)力波在閥桿中傳播和反射，在某一瞬間使應(yīng)力達(dá)到最大值。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的強(qiáng)度極限，會(huì)使閥桿在強(qiáng)度薄弱處產(chǎn)生斷裂。此外閥桿長(zhǎng)期處在超過(guò)蠕變溫度的高溫工況，以及閥桿長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)，會(huì)使其連接螺絲失效，造成閥碟帶閥桿從操控裝置脫落。

當(dāng)閥碟落在閥座上，接近于該閥的關(guān)閉狀態(tài)，因?yàn)轭A(yù)啟閥的存在，有少量主蒸汽通過(guò)且進(jìn)汽不穩(wěn)定。當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)組正常帶負(fù)荷出現(xiàn)此故障時(shí)，往往表現(xiàn)為該調(diào)節(jié)閥后壓力突然下降至接近調(diào)節(jié)級(jí)后壓力，機(jī)組負(fù)荷突降，高中壓轉(zhuǎn)子軸振出現(xiàn)波動(dòng)或振蕩。圖1為某超臨界600MW汽輪機(jī)1號(hào)調(diào)節(jié)閥閥碟脫落前后1號(hào)軸振X向（藍(lán)色）、Y向（紅色）趨勢(shì)圖。閥碟脫落時(shí)X向軸振有一個(gè)明顯的突升，對(duì)應(yīng)上部藍(lán)色的軸振曲線的明顯尖脈沖。當(dāng)時(shí)機(jī)組負(fù)荷突降50MW，1號(hào)調(diào)節(jié)閥壓力突降到8MPa，初步判斷為閥芯脫落故障。將閥序由1324改為4321后1號(hào)軸振變化趨勢(shì)參見(jiàn)圖2，紅色、藍(lán)色曲線與圖1代表意義相同，維持運(yùn)行一段時(shí)間后進(jìn)行了檢查處理。解體檢查閥桿未斷裂，屬于連接螺絲滑絲引起。

某300MW汽輪機(jī)組正常帶大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，負(fù)荷、調(diào)節(jié)級(jí)壓力、閥位指令出現(xiàn)大幅波動(dòng)，波動(dòng)趨勢(shì)一致。主汽壓也伴隨有小幅波動(dòng)，波動(dòng)趨勢(shì)與其相反，上述參數(shù)的波動(dòng)周期均約1分鐘。隨后檢查發(fā)現(xiàn)是2號(hào)調(diào)節(jié)閥閥桿連接螺絲滑絲，閥與操控裝置連接脫開(kāi)，而2號(hào)調(diào)節(jié)閥正常工況應(yīng)處于全開(kāi)狀態(tài)。

關(guān)于調(diào)節(jié)閥碟脫落，一旦確認(rèn)該故障后，汽輪機(jī)在線監(jiān)測(cè)參數(shù)如振動(dòng)、瓦溫、軸向位移等在可控范圍以?xún)?nèi)，可重新設(shè)定閥序，暫時(shí)維持機(jī)組運(yùn)行，隨后安排檢查處理。重新設(shè)定閥序的條件，主要考慮高、中壓轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性即1號(hào)、2號(hào)軸振的變化。對(duì)于故障前正常的汽輪機(jī)組，振動(dòng)變化一般小于30μm。某超臨界600MW汽輪機(jī)組進(jìn)行的高壓調(diào)節(jié)閥序切換振動(dòng)試驗(yàn)，1號(hào)軸振隨閥序切換變化參見(jiàn)圖3，2號(hào)軸振的對(duì)應(yīng)工況變化參見(jiàn)圖4。由圖2—圖4可知，對(duì)于有足夠穩(wěn)定性裕度的高中壓轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)，順序閥切換試驗(yàn)不會(huì)引起軸系失穩(wěn)。只有當(dāng)支撐高中壓轉(zhuǎn)子的軸瓦穩(wěn)定裕度不足和主蒸汽參數(shù)自身波動(dòng)才有可能出現(xiàn)切換時(shí)高壓轉(zhuǎn)子的汽流自激振動(dòng)。圖5為某亞臨界600MW汽輪機(jī)在閥序?yàn)?342時(shí)，接近滿(mǎn)負(fù)荷下由于突然出現(xiàn)27.5Hz的汽流自激振動(dòng)，導(dǎo)致2瓦Y向軸振失穩(wěn)保護(hù)跳閘過(guò)程的頻譜圖，將閥序改為1324后高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)穩(wěn)定。

有一種較為特殊的情況，需要注意區(qū)分判斷高中壓轉(zhuǎn)子軸振顯示值的真實(shí)性。對(duì)于采用電渦流傳感器監(jiān)測(cè)高中壓轉(zhuǎn)子相對(duì)軸振的汽輪機(jī)組，當(dāng)閥碟脫落或調(diào)節(jié)閥快關(guān)時(shí)，儀表顯示的高中壓轉(zhuǎn)子軸振有可能瞬間超過(guò)保護(hù)值。主要原因一是振動(dòng)保護(hù)值偏低；二是1號(hào)、2號(hào)軸瓦采用了抗擾動(dòng)能力不如可傾瓦的橢圓瓦或其他型式的軸瓦。如某330MW汽輪機(jī)在修改閥門(mén)重疊度函數(shù)曲線時(shí)，1號(hào)調(diào)節(jié)閥突然關(guān)閉，“軸承振動(dòng)大”保護(hù)動(dòng)作信號(hào)發(fā)出（當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2900轉(zhuǎn)，軸承振動(dòng)大保護(hù)跳閘整定值為130um），汽機(jī)跳閘。故障跳機(jī)過(guò)程高壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)趨勢(shì)見(jiàn)圖6。檢查發(fā)現(xiàn)制造廠提供的1號(hào)調(diào)節(jié)閥重疊度函數(shù)有誤，導(dǎo)致1號(hào)調(diào)節(jié)閥重疊度參數(shù)修改中發(fā)生1號(hào)調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉。對(duì)這種情況分析認(rèn)為，當(dāng)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥快速關(guān)啟時(shí)，使高壓轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向快速位移，在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)誤把這種徑向快速位移變化按振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理。當(dāng)轉(zhuǎn)軸與電渦流傳感器緩慢相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)不影響振動(dòng)顯示，而當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)瞬間變化大時(shí)，影響振動(dòng)顯示，出現(xiàn)振動(dòng)峰值?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，出現(xiàn)此類(lèi)故障時(shí)，使用可傾瓦軸承的汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子，其軸心位置變化較小。這類(lèi)問(wèn)題的解決，只需要將振動(dòng)保護(hù)延時(shí)3～5秒或適當(dāng)提高保護(hù)定值即可。

2 調(diào)節(jié)閥座松動(dòng)故障

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥座松動(dòng)問(wèn)題在現(xiàn)場(chǎng)并不少見(jiàn)，分析其主要原因有兩種：一是閥座材料與蒸汽室材料匹配不合理，閥座材料的膨脹系數(shù)大于蒸汽室材料的膨脹系數(shù)，熱應(yīng)力使閥座產(chǎn)生塑性變形，在隨后的汽輪機(jī)啟停機(jī)過(guò)程，閥座與蒸汽室的配合間隙增大而松動(dòng)。某600MW級(jí)超臨界汽輪機(jī)發(fā)生3號(hào)、4號(hào)調(diào)節(jié)閥松動(dòng)后，采取了將閥座材料由12Cr2Mo更換為X10CrMoNb9，閥座加長(zhǎng)3mm，配合緊力控制在0.29mm的辦法進(jìn)行了處理。二是閥座與蒸汽室裝配緊力不足和固定銷(xiāo)不可靠。

現(xiàn)場(chǎng)判斷閥座松動(dòng)，一是調(diào)節(jié)閥振動(dòng)和高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)異常；二是就地聽(tīng)音異常；三是觀察調(diào)節(jié)閥開(kāi)度變化。

調(diào)節(jié)閥座松動(dòng)后易于和閥碟撞擊，伴隨著較大的振動(dòng)波動(dòng)和調(diào)節(jié)閥處有一陣陣不規(guī)則的撞擊聲，以及調(diào)節(jié)級(jí)后壓力出現(xiàn)明顯波動(dòng)。高中壓轉(zhuǎn)子振動(dòng)除工頻振動(dòng)成分外，還會(huì)出現(xiàn)一階臨界轉(zhuǎn)速頻率和高次諧波成分。

特別要注意，當(dāng)出現(xiàn)閥座松動(dòng)故障后，必將使調(diào)節(jié)閥不能?chē)?yán)密關(guān)閉。一旦主汽閥也不嚴(yán)，就會(huì)出現(xiàn)汽輪機(jī)超速的風(fēng)險(xiǎn)。因此，電廠應(yīng)盡早采取措施進(jìn)行處理。

3 調(diào)節(jié)閥卡澀故障

出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥卡澀故障時(shí)，卡在60%～70%行程處的概率較大，也有出現(xiàn)卡在滿(mǎn)行程的情況。如曾有一臺(tái)135MW汽輪機(jī)4號(hào)調(diào)節(jié)閥卡在滿(mǎn)行程處，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該機(jī)組經(jīng)常在主蒸汽參數(shù)偏低的情況下滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行，未堅(jiān)持定期的調(diào)節(jié)閥活動(dòng)性試驗(yàn)。

調(diào)節(jié)閥卡澀，排除操縱機(jī)構(gòu)卡澀原因外，主要原因一是閥桿和閥套卡澀；二是閥座導(dǎo)向鍵磨損。

造成閥桿和閥套卡澀，是由于閥桿和閥套的動(dòng)靜間隙局部不均勻甚至消失。而動(dòng)靜間隙的消失，有可能是閥桿彎曲度超標(biāo)，或者是閥桿表面結(jié)垢和高溫氧化嚴(yán)重。閥桿彎曲度超標(biāo)，既有可能是制造、運(yùn)行維護(hù)質(zhì)量問(wèn)題，也有可能是閥桿熱穩(wěn)定性不好，即在高溫下閥桿殘余應(yīng)力釋放，自身發(fā)生較大的彎曲熱變形，這一點(diǎn)往往易于被忽視。

閥桿的高溫氧化問(wèn)題，既有材料自身的抗氧化性能方面的原因，尤其對(duì)于超臨界汽輪機(jī)組，也有電廠日常蒸汽品質(zhì)監(jiān)督不到位方面的原因。

當(dāng)某一調(diào)節(jié)閥卡澀時(shí)，若短時(shí)間無(wú)停機(jī)處理機(jī)會(huì)，且在機(jī)組軸系振動(dòng)、各瓦瓦溫、脹差、軸位移等參數(shù)都正常的情況下，可采用現(xiàn)場(chǎng)振打的辦法進(jìn)行處理。振打前應(yīng)將該調(diào)節(jié)閥閥位指令強(qiáng)制在略小于卡澀行程，然后振打直至該閥恢復(fù)活動(dòng)正常。

需要注意的是，當(dāng)出現(xiàn)某一調(diào)節(jié)閥卡澀故障后，必將使該調(diào)節(jié)閥處于常開(kāi)狀態(tài)。一旦主汽閥也不嚴(yán)，就會(huì)出現(xiàn)汽輪機(jī)超速的風(fēng)險(xiǎn)。因此，電廠應(yīng)嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程規(guī)定處理，達(dá)到停機(jī)規(guī)定的應(yīng)及時(shí)停機(jī)。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）總結(jié)了電站汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥機(jī)械故障的特征、診斷分析和處理實(shí)踐，涉及閥碟脫落、閥座松動(dòng)、閥卡澀等方面的故障分析和處理，有助于運(yùn)行維護(hù)人員及時(shí)準(zhǔn)確地判斷故障和制定應(yīng)對(duì)措施，以保護(hù)汽輪機(jī)組的安全運(yùn)行。

（2）汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥是汽輪機(jī)調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，應(yīng)從閥碟型式、材料選擇、制造質(zhì)量、運(yùn)行維護(hù)、檢修工藝、定期活動(dòng)試驗(yàn)等方面嚴(yán)格把關(guān)，以保證調(diào)節(jié)閥可靠安全地工作。

（3）高壓調(diào)節(jié)閥卡澀故障，有可能造成汽輪機(jī)超速的風(fēng)險(xiǎn)。因此，電廠應(yīng)嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程規(guī)定處理，達(dá)到停機(jī)規(guī)定的應(yīng)及時(shí)停機(jī)。