600 MW汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥反饋裝置LVDT連接桿斷裂原因分析及處理

陳順青,于長(zhǎng)江,毛志忠,唐海峰,李文彬

(1.國(guó)能河北滄東發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 滄州 061003;2.國(guó)網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學(xué)研究院,河北 石家莊 050021)

1 概述

某火電廠600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組是C600-16.7/0.75/538/538型亞臨界、一次中間再熱、單軸、四缸四排汽、可調(diào)整抽汽凝汽式汽輪機(jī)。該機(jī)組共有4個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥,在每個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥閥體上焊接一塊金屬背板,背板上開有螺紋孔,通過(guò)螺栓將抱箍固定在背板上,繼而將LVDT固定在背板上,LVDT反饋桿與帶有萬(wàn)向節(jié)的支架連接,支架又通過(guò)連接桿與高壓調(diào)節(jié)閥閥門門桿相連,如圖1所示。當(dāng)閥門動(dòng)作時(shí),LVDT反饋桿隨閥門門桿上下移動(dòng),從而輸出與閥位變動(dòng)量成一定線性關(guān)系的直流電壓信號(hào),該機(jī)組LVDT反饋桿移動(dòng)方向與閥門門桿移動(dòng)方向一致。

圖1 高壓調(diào)節(jié)閥反饋裝置LVDT安裝形式

機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中多次出現(xiàn)汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥反饋裝置LVDT連接桿斷裂的問(wèn)題,導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷擾動(dòng)以及1號(hào)、2號(hào)軸承轉(zhuǎn)子振動(dòng)值突增,LVDT連接桿斷裂時(shí)機(jī)組具體運(yùn)行情況如圖2所示。

圖2 LVDT連接桿斷裂時(shí)機(jī)組運(yùn)行情況

2 故障原因分析

線性可變差動(dòng)傳感器(Linear Variable Diff erential Transfor mer,LVDT)是汽輪機(jī)伺服系統(tǒng)中反饋調(diào)節(jié)閥開度的重要測(cè)量部件,對(duì)汽輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用[1],由反饋桿和鎧裝套筒組成[2]。

如果LVDT測(cè)量信號(hào)不精確,將直接導(dǎo)致汽輪機(jī)閥門波動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷波動(dòng),嚴(yán)重影響機(jī)組及電網(wǎng)的安全運(yùn)行[3]。高壓調(diào)節(jié)閥反饋裝置LVDT連接桿斷裂后處置不當(dāng)可能導(dǎo)致機(jī)組非停[4]。從機(jī)組安全可靠運(yùn)行的角度考慮,通過(guò)斷口宏觀、化學(xué)成分及金相等方面分析,探究LVDT連接桿斷裂的具體原因。

2.1 斷口宏觀分析

觀察LVDT連接桿斷口,發(fā)現(xiàn)斷裂紋位置位于第一螺紋根部(圖3),該位置應(yīng)力集中較大,同時(shí)也是受力最大的位置。對(duì)斷口進(jìn)行宏觀分析,由圖4連接桿斷裂形貌可知斷口疲勞裂紋源中心、貝紋線明顯可見,可以判定該斷口是由疲勞應(yīng)力作用下形成的斷口,即斷裂的原因?yàn)槠跀嗔?具體斷裂方向由圖4右側(cè)斷口的上部向下發(fā)展最后發(fā)生斷裂,說(shuō)明疲勞應(yīng)力是單向彎曲疲勞振動(dòng)所致。

圖3 LVDT連接桿斷裂位置

圖4 LVDT連接桿斷裂形貌

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂連接桿進(jìn)行化學(xué)成分分析,具體化學(xué)成分見表1,從化學(xué)分析可知材料的成分符合DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)25Cr2 Mo V材料的要求。

表1 LVDT連接桿化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果

2.3 金相分析

對(duì)斷裂連接桿螺紋剖面進(jìn)行金相組織分析,如圖5所示,連接桿金相組織為正常的回火索氏體組織,未見異常組織。斷裂連接桿的螺紋根部未見加工缺口,如圖6所示,屬于正常的螺紋根部加工形貌。

圖5 斷裂連接桿金相組織

2.4 綜合分析

通過(guò)宏觀分析可知斷裂位置位于受力最大的第1螺紋位置,斷口具有疲勞斷裂特征。金相分析可知材料組織正常,不存在熱處理等熱加工工藝缺陷。從化學(xué)分析可知材料的成分符合DL/T 439-2018《火力發(fā)電廠高溫緊固件技術(shù)導(dǎo)則》對(duì)25Cr2 Mo V材料的要求。

綜上分析,LVDT連接桿斷裂原因?yàn)?高壓調(diào)節(jié)閥及其反饋裝置在正常使用過(guò)程中存在較大振動(dòng),由于應(yīng)力集中導(dǎo)致連接桿的第1螺紋位置產(chǎn)生疲勞開裂,在長(zhǎng)時(shí)間的交變載荷作用下,裂紋逐漸向連接桿內(nèi)部擴(kuò)展直至最終撕裂。

3 處理措施及效果

由于機(jī)組運(yùn)行期間高壓調(diào)節(jié)閥LVDT連接桿工作溫度在110℃左右(如果門桿噓汽嚴(yán)重,溫度還要高),而且存在頻繁的振動(dòng),無(wú)法開展常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)。機(jī)組停運(yùn)開展無(wú)損檢測(cè)時(shí)LVDT連接桿裂紋源很可能還未出現(xiàn),因此很難提前預(yù)測(cè)連接桿的斷裂時(shí)機(jī)。此外,由于高壓調(diào)節(jié)閥的預(yù)留螺紋孔形式已經(jīng)無(wú)法改變,從而無(wú)法采取改變螺紋牙型及加大連接桿直徑的措施。鑒于以上情況,主要從降低高壓調(diào)節(jié)閥振動(dòng)和改善連接桿力學(xué)性能2個(gè)方面著手處理。

3.1 汽輪機(jī)閥門流量特性優(yōu)化

由于設(shè)備檢修或長(zhǎng)期運(yùn)行等原因會(huì)造成DEH設(shè)定的閥門流量特性曲線偏離實(shí)際流量特性,此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)諸如高壓調(diào)節(jié)汽門晃動(dòng),負(fù)荷振蕩。該火電廠通過(guò)對(duì)600 MW機(jī)組高壓調(diào)節(jié)閥閥門特性曲線綜合優(yōu)化后,一定程度上消除了由于閥門配汽不合理造成氣流激振引發(fā)的某負(fù)荷點(diǎn)閥門門桿振動(dòng)大的問(wèn)題,優(yōu)化后LVDT連接桿的振動(dòng)幅度由965μm下降到26μm。

3.2 LVDT連接桿材料升級(jí)改進(jìn)

從改善連接桿力學(xué)性能的角度出發(fā),可以選擇綜合性能優(yōu)良的高溫緊固螺栓鋼或者抗疲勞性能優(yōu)異的彈簧鋼,經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知,20Cr1 Mo1 VTi B鋼通過(guò)添加釩、鈦等強(qiáng)碳化物形成元素來(lái)獲得細(xì)小穩(wěn)定的碳化物,并添加硼來(lái)強(qiáng)化晶界,能夠獲得良好的抗應(yīng)力松馳性能[5],其作為一種新型珠光體高溫?zé)釓?qiáng)鋼,具有良好的綜合性能,熱強(qiáng)性和松馳穩(wěn)定性遠(yuǎn)超25Cr2 Mo V鋼,同時(shí)具有較低的缺口敏感性、較小的熱脆性傾向和出色的持久塑性,是作為L(zhǎng)VDT連接桿材料升級(jí)改進(jìn)的優(yōu)選材料,冷加工后的LVDT連接桿采用1 020～1 040℃油冷700～720℃回火6 h后空冷的熱處理工藝。

經(jīng)過(guò)采取以上2項(xiàng)措施后,該火電廠600 MW汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥反饋裝置LVDT連接桿已正常運(yùn)行2年,未再出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,成功消除了存在的問(wèn)題及隱患,提升了機(jī)組運(yùn)行安全可靠性。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著電網(wǎng)調(diào)峰的頻次越來(lái)越高、幅度越來(lái)越大,大型火電機(jī)組負(fù)荷也隨之頻繁變化,汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥也需要不斷進(jìn)行調(diào)節(jié),在此過(guò)程中高壓調(diào)節(jié)閥受到高溫?zé)釕?yīng)力及由汽流對(duì)閥碟沖擊造成的機(jī)械應(yīng)力作用,不可避免的產(chǎn)生高頻振動(dòng),繼而引發(fā)生LVDT及其附件(連接桿、支架、萬(wàn)向節(jié))產(chǎn)生金屬疲勞斷裂或者磨損損壞。鑒于此種情況,為了保障機(jī)組運(yùn)行的安全可靠性,需要火電廠檢修工作人員一方面加強(qiáng)機(jī)組運(yùn)行期間LVDT及其附件的巡查頻次,及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患;另一方面,根據(jù)機(jī)組運(yùn)行實(shí)際情況以及工作經(jīng)驗(yàn)確定合理的LVDT連接桿更換周期,避免其發(fā)生金屬疲勞斷裂。