臥式主汽閥閥碟與閥座密封型線運(yùn)行損傷原因分析及處理

魏應(yīng)強(qiáng), 顏 毅

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川德陽(yáng) 618000)

汽輪機(jī)組常用的主汽閥有立式、臥式2種典型結(jié)構(gòu)。立式主汽閥垂直布置，拆裝方便，閥桿不易變形、卡澀；但是，閥門(mén)汽流轉(zhuǎn)折次數(shù)較多，會(huì)增加附加壓損。臥式主汽閥水平布置，拆裝有一定困難，當(dāng)閥門(mén)尺寸較大、閥碟部件較重時(shí)，可能會(huì)在閥桿端面產(chǎn)生附加力矩，引起閥芯部件卡澀；但是，臥式主汽閥結(jié)構(gòu)緊湊，汽流轉(zhuǎn)折次數(shù)較少，附加壓損小[1]，應(yīng)用也很廣泛。某汽輪機(jī)組采用臥式主汽閥，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，閥碟與閥座密封型線產(chǎn)生損傷，筆者結(jié)合主汽閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析損傷產(chǎn)生的原因，并且提出處理措施。

1 主汽閥布置及結(jié)構(gòu)

該汽輪機(jī)組的主汽閥臥式布置于汽缸上半蒸汽室側(cè)部(見(jiàn)圖1)。主汽閥通過(guò)止口法蘭、調(diào)節(jié)閥與蒸汽室直接連接，中間無(wú)導(dǎo)汽管，蒸汽壓損較小。

圖1 主汽閥布置

圖2為該臥式主汽閥結(jié)構(gòu)示意圖。閥座過(guò)盈安裝于閥殼喉部，由閥桿、閥碟、套筒等組成的閥芯組件穿過(guò)閥蓋后整體安裝于閥殼內(nèi)。

圖2 主汽閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

在閥蓋C-C位置設(shè)計(jì)對(duì)稱(chēng)布置的導(dǎo)向鍵，對(duì)閥芯組件起導(dǎo)向、防轉(zhuǎn)的作用。在綜合考慮閥桿漏汽、閥桿運(yùn)行卡澀等情況下，合理設(shè)置主汽閥運(yùn)動(dòng)部件與靜止部件的配合間隙。

該主汽閥控制部套的操縱機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖3。操縱機(jī)構(gòu)連接套筒緊固于主汽閥閥桿端部，連接套筒與上下球面墊圈間隙配合，通過(guò)特制墊圈調(diào)整上下球面墊圈滿足設(shè)計(jì)間隙要求，再與彈簧組件通過(guò)連接器連接。該結(jié)構(gòu)可使操縱機(jī)構(gòu)與閥桿在動(dòng)作時(shí)對(duì)少數(shù)不對(duì)中情況起自糾正作用。

圖3 操縱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2 密封型線損傷情況及原因分析

2.1 損傷情況

該主汽閥現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行反饋閥門(mén)嚴(yán)密性試驗(yàn)結(jié)果較差，關(guān)閉時(shí)振動(dòng)噪聲較大，初步確定閥芯組件有損傷。將主汽閥返廠解體后，檢查內(nèi)部各部件，未出現(xiàn)閥桿、閥碟與閥蓋運(yùn)行拉傷或卡澀痕跡，但發(fā)現(xiàn)閥碟與閥座密封型線存在明顯碰傷缺陷(見(jiàn)圖4、圖5)。

圖4 閥碟與閥座密封型線接觸情況

圖5 密封型線缺陷位置示意圖

密封型線部分圓周范圍存在碰傷，碰傷弧段長(zhǎng)度約占圓周長(zhǎng)度的1/5，沿密封型線垂直寬度約為3 mm，表面深度約為1 mm，其余位置無(wú)缺陷。

2.2 損傷原因分析

在主汽閥關(guān)閉過(guò)程中，操縱機(jī)構(gòu)的彈簧組件克服蒸汽作用力和總機(jī)械阻力進(jìn)行動(dòng)作[2]，使主汽閥閥碟與閥座在型線部位由關(guān)閉瞬間的撞擊變?yōu)榫o密接觸。主汽閥關(guān)閉過(guò)程受力分析如下：

(1) 彈簧力，即主汽閥關(guān)閉的主動(dòng)力。

F彈簧=F預(yù)緊+(F全開(kāi)-F預(yù)緊)·X

(1)

式中：F彈簧為彈簧力，kN；X為主汽閥相對(duì)開(kāi)度，%；F預(yù)緊為彈簧預(yù)緊力，kN；F全開(kāi)為主汽閥全開(kāi)時(shí)的彈簧力，kN。

(2) 蒸汽作用力，即閥殼內(nèi)蒸汽壓力產(chǎn)生的閥芯組件關(guān)閉動(dòng)作力。考慮主汽閥最不利的關(guān)閉條件，機(jī)組跳閘時(shí)調(diào)節(jié)閥先于主汽閥關(guān)閉，若調(diào)節(jié)閥關(guān)閉嚴(yán)密，則主汽閥殼內(nèi)的蒸汽處于不流動(dòng)狀態(tài)，閥碟前后蒸汽壓力相同。主汽閥關(guān)閉時(shí)，閥芯組件將受到蒸汽作用力。

F蒸汽=10π(D/2)2·p=7.85D2·p

(2)

式中：F蒸汽為蒸汽作用力，kN；D為閥桿直徑，cm；p為閥門(mén)關(guān)閉過(guò)程中閥碟下部蒸汽壓力，MPa。

(3) 總機(jī)械阻力。總機(jī)械阻力包括閥芯組件與閥蓋組件之間的摩擦阻力，操縱機(jī)構(gòu)彈簧組件的摩擦阻力和油動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦阻力。

Fr總機(jī)械=Fr閥芯+Fr彈簧組件+Fr油動(dòng)機(jī)

(3)

式中：Fr總機(jī)械為總機(jī)械力，kN；Fr閥芯為閥芯組件與閥蓋組件之間的摩擦阻力，kN；Fr彈簧組件為操縱機(jī)構(gòu)彈簧組件的摩擦阻力，kN；Fr油動(dòng)機(jī)為油動(dòng)機(jī)內(nèi)部的摩擦阻力，kN。

(4) 閥芯組件快速關(guān)閉時(shí)的受力。

F=F彈簧+G-F蒸汽-Fr總機(jī)械

(4)

式中：F為閥芯組件快速關(guān)閉時(shí)的受力，kN；G為閥芯組件重力，kN，臥式主汽閥的閥芯組件重力為零。因此，當(dāng)主汽閥關(guān)閉時(shí)閥碟與閥座型線部位承受的力為彈簧力、蒸汽作用力、總機(jī)械阻力的合力。

該型線損傷分布于主汽閥進(jìn)汽管口部位，即位于主汽閥水平安裝狀態(tài)的垂直下部，并且缺陷非整圈型線位置，只是下部約1/5范圍，其余部位無(wú)損傷。因此，根據(jù)主汽閥關(guān)閉過(guò)程的受力分析及密封型線的缺陷特征，可以判定在主汽閥關(guān)閉過(guò)程中，在操縱機(jī)構(gòu)彈簧組件作用力的作用下，閥碟與閥座密封型線接觸不對(duì)中，下部型線位置小部分先接觸，導(dǎo)致下部型線由點(diǎn)到線再到面的逐漸撞擊損傷。

2.3 閥芯組件偏心原因分析

閥芯組件與閥座的不對(duì)中是該主汽閥型線損傷產(chǎn)生的主要原因，而閥芯組件與閥座的中心偏差和中心傾斜導(dǎo)致兩者發(fā)生偏心運(yùn)動(dòng)。

閥碟與閥座的中心偏差是臥式閥門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，閥芯組件與閥蓋組件為防止運(yùn)行卡澀必然存在合理配合間隙。當(dāng)主汽閥臥式布置時(shí)，底部間隙被抵消，中心偏差為配合間隙的1/2。

將閥碟與閥座的中心偏差現(xiàn)象簡(jiǎn)化為圖6，因中心偏差導(dǎo)致的型線重合量，即可能導(dǎo)致的型線損傷量[3]為：

(5)

式中：A1為中心偏差導(dǎo)致的型線損傷量，mm；E為閥碟與閥座的中心偏差，mm；D為閥座型線圓心距離，mm；d為閥碟型線圓心距離，mm；r為閥碟型線半徑；R為閥座型線半徑，mm。

圖6 閥碟與閥座的中心偏差示意圖

當(dāng)閥芯組件偏心量，即閥碟與閥座的中心偏差超過(guò)球面墊圈自定位極限后，閥芯組件將以閥桿外端為支點(diǎn)產(chǎn)生彎矩，使閥桿產(chǎn)生變形[4]。

閥桿與操縱機(jī)構(gòu)彈簧組件連接的球面結(jié)構(gòu)用于立式閥門(mén)時(shí)，閥芯組件可依靠自身重力垂直上下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)部分偏心時(shí)，可以通過(guò)球面墊圈自定位，完成接觸位置的自調(diào)整。但是，當(dāng)該結(jié)構(gòu)用于臥式閥門(mén)時(shí)，閥芯組件將以球面墊圈為支點(diǎn)傾斜運(yùn)動(dòng)。

將閥碟與閥座中心傾斜現(xiàn)象簡(jiǎn)化為圖7，當(dāng)閥桿以操縱機(jī)構(gòu)球面墊圈部位為基準(zhǔn)產(chǎn)生中心傾斜導(dǎo)致的型線重合量，即可能導(dǎo)致的型線損傷量[3]為：

(R+r)

(6)

式中：A2為中心傾斜導(dǎo)致的型線損傷量，mm；θ為閥碟與閥座的中心傾斜角度，(°)；h為閥碟與閥座型線圓心平面距離，mm。

圖7 閥碟與閥座中心傾斜示意圖

由式(5)、式(6)可見(jiàn)，型線損傷量隨著中心偏差及中心傾斜角度的增大而增加，并且型線運(yùn)行損傷經(jīng)常是中心偏差及中心傾斜角度增大兩者綜合作用的結(jié)果。

綜上，閥芯組件與閥座相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的中心偏差及中心傾斜角度，導(dǎo)致主汽閥快速關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的沖擊力由整圈密封型線承受變?yōu)椴糠謭A周型線承受，超過(guò)閥座、閥碟材料的強(qiáng)度極限，逐漸導(dǎo)致閥碟與閥座密封型線損傷。

3 處理措施

根據(jù)臥式主汽閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及上述原因分析，避免或減輕閥碟與閥座密封型線運(yùn)行損傷的主要措施為減小閥芯組件與閥座的中心偏差及中心傾斜角度。具體可從以下4個(gè)方面進(jìn)行處理：

(1) 閥蓋組件裝配時(shí)，調(diào)整閥蓋C-C處導(dǎo)向鍵處于左右水平位置(見(jiàn)圖8)。通過(guò)導(dǎo)向鍵可以減小閥碟組件的向下中心偏差及中心傾斜角度，同時(shí)可以合理縮小導(dǎo)向鍵與閥碟鍵槽的配合間隙。該處理措施類(lèi)似于在閥芯中部增加1個(gè)支撐托架，平衡閥芯重力，減小閥桿的變形量，從而減小中心偏差及中心傾斜角度。

圖8 優(yōu)化導(dǎo)向鍵布置

為防止導(dǎo)向鍵與閥碟動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生卡澀，兩者配合面不宜過(guò)長(zhǎng)。預(yù)防導(dǎo)向鍵與閥碟上部鍵槽在閥碟動(dòng)作時(shí)磨損，對(duì)兩者配合面進(jìn)行滲氮處理以提升抗磨性能。

(2) 對(duì)操縱機(jī)構(gòu)進(jìn)行處理。取消球面墊圈結(jié)構(gòu)，在閥桿及油動(dòng)機(jī)活塞桿端部安裝螺套，將連接軸固定于螺套外部，通過(guò)螺栓直接連接；同時(shí)，在操縱座支架上設(shè)置1個(gè)套筒，對(duì)閥桿起支撐作用，平衡閥芯組件重力，減小對(duì)閥桿的彎曲作用力(見(jiàn)圖9)。套筒與閥桿之間設(shè)置潤(rùn)滑石墨塊或其他耐高溫潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，防止卡澀。該措施可減小閥碟與閥座的中心傾斜角度，解決閥芯組件以原結(jié)構(gòu)球面墊圈為支點(diǎn)中心傾斜運(yùn)動(dòng)問(wèn)題。

圖9 優(yōu)化操縱機(jī)構(gòu)

(3) 對(duì)于閥芯組件材質(zhì)抗氧化性能較好的閥門(mén)，可適當(dāng)縮小閥碟與閥蓋套筒配合間隙，但應(yīng)注意閥門(mén)運(yùn)行卡澀風(fēng)險(xiǎn)。

(4) 提升閥碟與閥座密封型線位置材質(zhì)強(qiáng)度，如堆焊司太立合金、采用氮化處理等。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某汽輪機(jī)組臥式主汽閥閥碟與閥座密封型線損傷特征及原因進(jìn)行分析，并且采取處理措施，得出以下結(jié)論：

(1) 閥碟與閥座密封型線損傷導(dǎo)致主汽閥密封不嚴(yán)，主汽閥關(guān)閉時(shí)在彈簧組件作用力下局部型線接觸導(dǎo)致振動(dòng)較大。

(2) 臥式閥門(mén)較立式閥門(mén)易出現(xiàn)密封型線接觸不良現(xiàn)象；閥芯組件的偏心運(yùn)行導(dǎo)致閥門(mén)密封型線損傷，進(jìn)而導(dǎo)致閥門(mén)密封不嚴(yán)。

(3) 縮小閥門(mén)活動(dòng)部件與靜止部件配合間隙，調(diào)整零部件裝配位置等可降低臥式閥門(mén)活動(dòng)部件偏心量，但偏心量過(guò)小往往導(dǎo)致閥門(mén)運(yùn)行過(guò)程中的卡澀；因此，對(duì)于臥式閥門(mén)，控制活動(dòng)部件偏心量十分重要。