雙座調(diào)節(jié)汽閥存在的問題及原因分析

摘 要：目前節(jié)流調(diào)節(jié)汽閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在雙座調(diào)節(jié)汽閥控制的設(shè)備上，閥門關(guān)小，蒸汽流量變小，往往無法在小流量下進(jìn)行精確控制，在雙座調(diào)閥完全關(guān)閉時(shí)仍有因溫度等因素導(dǎo)致的漏氣問題；閥門開大，蒸汽流量變大，時(shí)常導(dǎo)致閥碟抖動(dòng)而最終影響閥碟與閥座的使用壽命，同時(shí)閥碟抖動(dòng)也會(huì)通過閥桿傳遞到連接機(jī)構(gòu)造成連接件磨損，長久如此會(huì)導(dǎo)致閥碟無法有效控制蒸汽的流量，甚至導(dǎo)致油動(dòng)機(jī)產(chǎn)生磨損，進(jìn)而影響汽輪機(jī)的正常工作。本文通過對(duì)雙座調(diào)閥的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境進(jìn)行分析，提出有利的改進(jìn)及優(yōu)化措施，達(dá)到閥碟抖動(dòng)少，小流量控制精準(zhǔn)，關(guān)閉狀態(tài)漏氣量小，同時(shí)對(duì)其它部件影響小的雙座導(dǎo)向式調(diào)節(jié)汽閥。

關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)汽閥；雙座閥；磨損控制；漏汽控制；工作穩(wěn)定性

汽輪機(jī)調(diào)節(jié)汽閥結(jié)構(gòu)型式分 為單座閥與雙座閥。系統(tǒng)中，單座結(jié)構(gòu)多用于提板式調(diào)閥，雙座結(jié)構(gòu)多用于大流量節(jié)流調(diào)閥。單閥雙座結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)汽閥很大程度上簡(jiǎn)化了執(zhí)行系統(tǒng)，減小了調(diào)閥體積，使汽輪機(jī)的外形精巧化，廣泛應(yīng)用于多種型號(hào)汽輪機(jī)。

結(jié)構(gòu)上，雙座閥的實(shí)際設(shè)計(jì)使用比單座閥有更大的復(fù)雜性。在過去使用的雙座結(jié)構(gòu)中已出現(xiàn)過類似閥碟、閥座磨損、閥桿彎曲斷裂等問題。在新型機(jī)組的開發(fā)應(yīng)用中，因要求承載流量的提高導(dǎo)致閥碟尺寸不斷增大，由此也發(fā)生了閥碟組件旋轉(zhuǎn)波動(dòng)、密封不嚴(yán)漏氣嚴(yán)重、調(diào)節(jié)力偏大，閥碟閥座磨損等現(xiàn)象。有些問題的產(chǎn)生是由于理論分析不充分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不完善導(dǎo)致的。

1 原因分析及對(duì)策

1.1 問題的具體分析

單閥雙座調(diào)閥在使用過程中歸結(jié)其存在的問題可以分為以下幾點(diǎn)：

1.1.1閥碟與閥座的密封性問題

雙座閥開啟時(shí)是非接觸結(jié)構(gòu)（圖1），其缺點(diǎn)是上下窗口很難同時(shí)研磨嚴(yán)密。運(yùn)行時(shí)，閥碟組件對(duì)蒸汽溫度的反應(yīng)比閥座快，因此常導(dǎo)致閥碟比閥座的膨脹量更大，進(jìn)而造成上窗口漏氣嚴(yán)重。隨著新蒸汽參數(shù)的提高或用于冷凝機(jī)組時(shí)，此缺點(diǎn)表現(xiàn)的尤為突出，以至于很難進(jìn)行低速空負(fù)荷暖機(jī)試車甚至有可能出現(xiàn)空負(fù)荷下無法控制的情況，直接對(duì)安全造成不利影響。

1.1.2閥碟、閥桿的磨損問題

調(diào)閥屬于運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，存在固有的機(jī)械磨損?，F(xiàn)存兩種結(jié)構(gòu)形式，它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)。圖1所示的是改進(jìn)以前大量使用的調(diào)閥結(jié)構(gòu)。其為臥式結(jié)構(gòu)，磨損點(diǎn)A在長時(shí)間的運(yùn)行后容易導(dǎo)致閥座定位圓孔磨穿，進(jìn)而閥桿B點(diǎn)發(fā)生斷裂現(xiàn)象。由于結(jié)構(gòu)A處為小環(huán)面不僅影響通流面積，更不利于大流量調(diào)閥結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。圖2所示的是改進(jìn)以后大量使用的調(diào)閥結(jié)構(gòu)，其主要的磨損部位由原先的小環(huán)面A變?yōu)榱松舷麻y碟側(cè)環(huán)面接觸部分C。由于使用了結(jié)構(gòu)D，閥碟和閥桿存在了自由度，閥桿不再因閥碟的不同心導(dǎo)致斷裂，但卻出現(xiàn)了閥碟與閥座接觸部分C的磨損問題。

1.1.3大直徑的調(diào)閥碟提升力過大的問題

對(duì)于調(diào)閥閥碟直徑超過Φ140時(shí)，作用在閥碟面上的力會(huì)明顯增大，在閥碟不斷增大的情況下，由于某些油動(dòng)機(jī)執(zhí)行器輸出的扭矩限制，當(dāng)需要的執(zhí)行力無法滿足實(shí)際需求時(shí)會(huì)造成調(diào)門波動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)調(diào)閥的有效控制，這也加劇了閥碟與閥座的磨損。

1.1.4大流量閥碟使用平面端部的結(jié)構(gòu)因素

如圖1中的E端面，在許多大流量時(shí)因調(diào)門使用面積不足常把閥碟設(shè)計(jì)為平端面結(jié)構(gòu)以提高通流面積。但平端面有著它的固有缺點(diǎn)，而型線結(jié)構(gòu)的調(diào)閥在氣流的作用下?lián)碛斜绕桨彘y結(jié)構(gòu)更優(yōu)良的穩(wěn)定性。此部分結(jié)構(gòu)汽流成因我們通過ANSYS流場(chǎng)分析圖2中的左側(cè)球面即圖3所示端面P，得到圖4汽流速度云圖。圖4云圖明顯地表示出即使在球端面也容易產(chǎn)生汽流空穴。因此平板末端不穩(wěn)定的氣流造成變化的紊流壓力無法讓調(diào)門具有良好的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

1.1.5材料對(duì)閥碟使用的影響

部分改進(jìn)后的碳鋼結(jié)構(gòu)在圖2中C面上出現(xiàn)明顯的汽流沖蝕痕跡。這部分結(jié)構(gòu)是由于活動(dòng)要求必須保證的間隙值，漏氣是一定存在的。但在汽流沖蝕后產(chǎn)生過大的汽道間隙影響了閥碟的使用壽命，同時(shí)也有可能造成閥座表面拉毛甚至隔筋斷裂。此閥碟材料的長期使用會(huì)影響到機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和空負(fù)荷狀態(tài)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。

1.2 改進(jìn)對(duì)策

為了避免出現(xiàn)上述問題而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)使用壽命過短，影響機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)定如下改進(jìn)步驟。

a）設(shè)計(jì)改進(jìn)；通過分析找出雙座閥結(jié)構(gòu)存在的問題，完善理論計(jì)算思路、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。在氣動(dòng)模型下對(duì)閥碟閥座流場(chǎng)進(jìn)行分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

b）實(shí)際驗(yàn)證，積累數(shù)據(jù)；在明確改進(jìn)方案后經(jīng)過一段時(shí)間的機(jī)組運(yùn)行考核，由實(shí)際使用效果驗(yàn)證改進(jìn)方案的優(yōu)劣。

c）歸納總結(jié)，確定最佳改進(jìn)方案；在積累一定臺(tái)數(shù)的使用經(jīng)驗(yàn)后，總結(jié)運(yùn)行數(shù)據(jù)，達(dá)到明確雙座閥使用條件、改善調(diào)閥使用壽命、提升機(jī)組運(yùn)行的可靠性，最終確定最佳的調(diào)閥系列方案。

2 優(yōu)化分析及措施

對(duì)閥碟上作用力的計(jì)算限于靜力學(xué)部分。分析單閥雙座調(diào)節(jié)閥的五方面問題。其改進(jìn)措施如下：

其一、優(yōu)化調(diào)閥碟的上下閥結(jié)構(gòu)，將下閥（遠(yuǎn)離閥桿的閥碟）與閥座的結(jié)構(gòu)相互配合，利用退刀槽做一個(gè)汽封結(jié)構(gòu)，降低甚至杜絕下閥的漏氣；同時(shí)通過工藝設(shè)置兩兩閥碟閥座需配對(duì)使用，通過廠內(nèi)空負(fù)荷試車確保下閥嚴(yán)密密封。在多次試驗(yàn)后我們發(fā)現(xiàn)，下閥密封的嚴(yán)密性能確保機(jī)組空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的暖機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。而上閥碟只能使用間隙密封，但合適的重疊度能大大降低漏氣量，能有效控制空負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，此方案在實(shí)際運(yùn)行中得到了很好的驗(yàn)證。

其二、將正常運(yùn)行狀態(tài)下的閥碟側(cè)面與閥座重疊，能減少運(yùn)行時(shí)閥碟的側(cè)向汽流受力面積，增大接觸面積優(yōu)化磨損點(diǎn)的受力，同時(shí)將調(diào)閥改為豎直結(jié)構(gòu)，能有效避免閥碟組件集中受力，在長期的運(yùn)行試驗(yàn)中也證實(shí)了此方案是可行的；而在臥式結(jié)構(gòu)中需減少閥碟下部的集中受力只能通過盡可能降低閥碟自重，盡量降低閥碟受力線上的受力強(qiáng)度。鑒于此因素臥式閥碟無法無限制的提高閥碟直徑，只能在較小閥碟結(jié)構(gòu)下得到有效可靠的使用。

其三、提高油動(dòng)機(jī)提升力是有效解決提升力不足的直接方案，但在汽輪機(jī)設(shè)計(jì)過程中閥殼及蒸汽室的通流面積偏小造成噴嘴前壓力損失過大而導(dǎo)致汽輪機(jī)功率不足，而計(jì)算中使用壓損系數(shù)時(shí)取值過大，會(huì)直接導(dǎo)致調(diào)閥部分成為節(jié)流過大的部分，小開度下過高的流速會(huì)讓調(diào)門的磨損加劇，此問題在不少多閥提板式調(diào)閥中也得到印證，這只能優(yōu)化運(yùn)行工況點(diǎn)與閥碟開啟行程的關(guān)系，讓調(diào)閥盡量在較大行程下工作；

其四、盡量將閥碟設(shè)計(jì)為型線結(jié)構(gòu)，這也保證了低負(fù)荷工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。通過對(duì)雙座下閥結(jié)構(gòu)的分析，圖3位置P處的空穴情況需要通過適當(dāng)?shù)膶?shí)體填補(bǔ)以減小其對(duì)穩(wěn)定流動(dòng)造成的能量損失；同時(shí)改善閥碟端面的汽流運(yùn)動(dòng)情況。

其五，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)了氣流沖擊的現(xiàn)象，我們通過選用耐熱不銹鋼作為閥碟、閥座材料，同時(shí)對(duì)材料表面進(jìn)行熱處理為零件的性能提供必要的保證，進(jìn)一步提高閥碟耐沖蝕的性能，這在運(yùn)行中得到了有效驗(yàn)證。

3 總結(jié)

通過以上的分析和優(yōu)化我們對(duì)閥碟進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的不斷改進(jìn)。在近六年中做過的大量運(yùn)行試驗(yàn)得到有效驗(yàn)證，對(duì)運(yùn)行結(jié)果的分析更進(jìn)一步的優(yōu)化了單閥雙座結(jié)構(gòu)；材料部分的改進(jìn)通過長期運(yùn)行驗(yàn)證了高強(qiáng)度耐熱不銹鋼的應(yīng)用可以有效解決閥碟長期使用的氣流沖擊痕跡問題，使用普通合金結(jié)構(gòu)鋼通過表面氮化處理后也能有效提高閥碟抗蝕能力。同時(shí)，生產(chǎn)工藝的調(diào)整和閥碟結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)調(diào)閥的密封嚴(yán)密性提供了有效保證。通過有效的分析與大量的試驗(yàn)很大程度上提高了閥碟的運(yùn)行性能與使用壽命，為我公司產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行與可靠性提供了有力的保證。

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作者簡(jiǎn)介：

杜超（1985-），男，漢族，福建永安人，工程師，本科，工學(xué)學(xué)士，就職于杭州中能汽輪動(dòng)力有限公司汽輪機(jī)研究所，主要從事汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)工作。