給水泵最小流量循環(huán)閥故障分析及改進(jìn)

陳鳳官，明 友，王 渭，郝偉沙，耿圣陶，吳懷昆，高紅彪，靳衛(wèi)華

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230031）

0 引言

最小流量循環(huán)閥是發(fā)電廠鍋爐給水泵配套的關(guān)鍵設(shè)備[1]。目前新近建設(shè)的大型火電機(jī)組，尤其是超臨界和超超臨界機(jī)組，給水泵的最小流量循環(huán)閥幾乎全部采用進(jìn)口產(chǎn)品[2～4]。某廠發(fā)電機(jī)組的電動及汽動給水泵最小流量循環(huán)閥，即為隨給水泵技術(shù)協(xié)議供貨的美國Copes-Vulcan公司的氣動調(diào)節(jié)閥，以高質(zhì)量和軟硬雙密封閥座等特點(diǎn)在國內(nèi)不少電廠獲得了應(yīng)用。

最小流量循環(huán)閥前后的壓差，近似等于給水泵的進(jìn)出口壓差，該壓差為全廠最大，致使該閥的內(nèi)部工作環(huán)境極為惡劣，極易產(chǎn)生空化汽蝕破壞。因此，最小流量循環(huán)閥一般都是電廠較高端的控制閥，其設(shè)計、加工和選材，都有較高的要求。

在發(fā)電機(jī)組長時間運(yùn)行后，最小流量循環(huán)閥的檢修和維護(hù)是電廠普遍關(guān)心的問題。某廠的最小流量循環(huán)閥在長期使用中存在諸多問題，導(dǎo)致給水泵多次跳閘，甚至偶有嚴(yán)重導(dǎo)致機(jī)組跳閘的事故發(fā)生，影響機(jī)組的長周期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工藝工況及結(jié)構(gòu)原理

1.1 工藝流程及工況

發(fā)電機(jī)組一般配備3臺鍋爐給水泵，其中2臺為汽泵，1臺為電泵，正常情況下電泵作為備用泵[1]。給水泵把來自除氧器的水加壓至（20～30）MPa或者以上，送往高壓加熱器，最后進(jìn)入鍋爐。為保證給水泵的安全運(yùn)行，給水泵需通過一定值的最低流量，以帶走泵運(yùn)行產(chǎn)生的熱量，防止泵過熱，并避免泵葉片產(chǎn)生汽蝕而損壞。

當(dāng)機(jī)組剛啟動或即將停機(jī)時，鍋爐給水流量很??；出現(xiàn)事故時，鍋爐給水流量也會減小。因此，為了保證給水泵的正常運(yùn)行，在泵的出口需要安裝一套再循環(huán)系統(tǒng)，把一部分水流量由泵出口回流循環(huán)至除氧器內(nèi)，工藝流程如圖1所示。

圖1 最小流量循環(huán)閥工藝流程

通過最小流量循環(huán)閥的介質(zhì)為水，溫度約180℃，管道口徑為（4～6）英寸，壓力等級為Class2500。調(diào)節(jié)要求：給水泵的流量>585 t/h，最小流量循環(huán)閥關(guān)閉，給水泵流量＜260 t/h，給水泵再循環(huán)調(diào)節(jié)閥自動開啟，并逐漸全開。

1.2 工作原理及技術(shù)參數(shù)

某廠配備的最小流量循環(huán)閥，采用雙閥芯及軟硬雙密封閥座的結(jié)構(gòu)（圖2），該結(jié)構(gòu)由內(nèi)外兩層閥芯組成，內(nèi)、外閥芯之間可以在一定行程內(nèi)相對運(yùn)動，外層閥芯對應(yīng)的是軟密封閥座，內(nèi)層閥芯對應(yīng)的是硬密封閥座。在閥門開啟過程中，當(dāng)外層閥芯剛開啟時，內(nèi)層閥芯在彈簧的作用下，依然保持密封狀態(tài)；當(dāng)外層閥芯開啟至一定行程（＜總行程的10%）時，內(nèi)層閥芯逐漸開啟。在閥門關(guān)閉過程中，內(nèi)層閥芯先接觸到閥座后，外層閥芯逐漸關(guān)閉。

圖2 最小流量循環(huán)閥結(jié)構(gòu)示意

雙閥芯閥座結(jié)構(gòu)在利用軟密封閥座實(shí)現(xiàn)零泄漏的同時，又能把微小開度下的流體節(jié)流過程保持在遠(yuǎn)離軟密封閥座的金屬閥芯上，保證了非金屬閥座不會被沖蝕，以達(dá)到長期零泄漏的目的。

最小流量循環(huán)閥的技術(shù)參數(shù)如表1所示，從表1可以看出其工作壓差高達(dá)36 MPa，工況苛刻。針對高壓差工況的調(diào)節(jié)閥，為防止在閥內(nèi)產(chǎn)生空化汽蝕破壞，宜采用多級降壓的方式[5]，降壓原理如圖3所示。由圖3可知，流體介質(zhì)在高壓差條件下，通過普通調(diào)節(jié)閥壓力會驟降至汽化壓力Pv之下，然后再恢復(fù)至出口壓力，必然會產(chǎn)生空化汽蝕；而若通過多級降壓調(diào)節(jié)閥，壓力則會以較小的幅度逐步降低，直至降至出口壓力，整個流動過程始終保持壓力在汽化壓力之上[4]，從而避免了空化汽蝕的發(fā)生。

表1 最小流量循環(huán)閥技術(shù)數(shù)據(jù)

圖3 多級降壓防止汽蝕原理

2 常見故障及原因分析

2.1 螺栓斷裂

根據(jù)循環(huán)閥的結(jié)構(gòu)原理可知，內(nèi)層閥芯通過3根內(nèi)六角螺栓加彈簧緊固至外層閥芯及閥桿上。檢修時發(fā)現(xiàn)幾臺最小流量循環(huán)閥的定位螺栓均斷裂嚴(yán)重，且定位螺栓上的彈簧也發(fā)生了斷裂，并導(dǎo)致閥芯卡澀在迷宮閥籠上，閥芯、減壓閥籠損壞（圖4）。

分析認(rèn)為，發(fā)生螺栓彈簧斷裂故障，主要原因是螺栓未能進(jìn)行有效的防松處理[6]，在閥門長期操作過程中，螺栓逐漸松動，然后脫落，最終引起螺栓、彈簧斷裂及閥芯損壞的故障發(fā)生。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，通過點(diǎn)焊固定螺栓，依然時有故障發(fā)生。進(jìn)一步判斷認(rèn)為應(yīng)是點(diǎn)焊的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，故對螺栓螺紋連接處進(jìn)行滿焊固定，自此螺栓斷裂故障再未發(fā)生。滿焊固定的缺點(diǎn)是不易拆卸維修。

圖4 最小流量循環(huán)閥螺栓及彈簧損壞

2.2 閥內(nèi)件卡澀

該廠某機(jī)組自投產(chǎn)以來，平時運(yùn)行中常出現(xiàn)該閥門關(guān)不小、開不大，有時遠(yuǎn)操和近操都不能動作的情況，有時該閥門又能正常操作。例如，A泵的閥門在開度達(dá)到29%～31%時，繼續(xù)給開大或關(guān)小指令閥門不動作，切為手動模式后手動調(diào)整不到位；B泵的閥門在開度59%時也出現(xiàn)此種情況，拆解后發(fā)現(xiàn)原因是閥芯卡澀（圖 5）。

圖5 閥芯卡澀損壞照片

從圖5可以看出，閥芯導(dǎo)向表面有不同程度的異物附著，分析認(rèn)為在機(jī)組正常運(yùn)行時，介質(zhì)水中存在一些氧化皮、雜質(zhì)，如介質(zhì)中的固體顆?；蚬艿乐斜粵_刷掉的氧化皮、焊渣和銹物等[3]，當(dāng)這些雜物直接進(jìn)入閥內(nèi)，此時的閥芯在閥籠內(nèi)在上下活動，一些雜物進(jìn)入閥芯與閥籠的間隙，造成堵塞、卡住等故障。

進(jìn)一步分析認(rèn)為，圖2結(jié)構(gòu)示意圖中的過濾籠套（圖6）的過濾效果不好，軟硬雙密封的閥芯結(jié)構(gòu)對介質(zhì)的要求比較高，不能較好地適應(yīng)雜質(zhì)工況。

圖6 過濾籠套

2.3 閥芯及閥籠沖蝕嚴(yán)重

在發(fā)電廠的長期檢維修實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)最小流量循環(huán)閥發(fā)生最多的故障是閥芯及閥籠等內(nèi)件沖蝕嚴(yán)重。先是在運(yùn)行過程中最小流量循環(huán)閥始終不能100%關(guān)嚴(yán)，解體檢查發(fā)現(xiàn)閥芯損壞嚴(yán)重，軟密封損壞（圖7），閥籠吹損嚴(yán)重（圖8），更為嚴(yán)重的是閥體也出現(xiàn)吹蝕的孔。

分析認(rèn)為，在機(jī)組長期運(yùn)行中，隨著機(jī)組負(fù)荷的變化，最小流量循環(huán)閥會頻繁啟閉。啟閉過程中，尤其是小開度條件下，由于閥前后差壓大，若不能有效地多級降壓，則在閥芯開啟或關(guān)閉瞬間凝結(jié)水容易產(chǎn)生閃蒸、氣蝕現(xiàn)象，長期沖刷最終導(dǎo)致產(chǎn)生沖刷溝痕。

進(jìn)一步分析認(rèn)為，最小流量循環(huán)閥的迷宮籠套流阻系數(shù)小[2]，不能有效形成壓降梯度，并且在閥芯開啟或關(guān)閉的瞬間，節(jié)流處就發(fā)生在密封面處，導(dǎo)致閥芯及閥籠的沖蝕。也有部分情況是機(jī)組正常運(yùn)行期間閥門因雜質(zhì)卡澀，開關(guān)不到位或者關(guān)閉不嚴(yán)，使得節(jié)流介質(zhì)長期沖蝕密封面，導(dǎo)致閥芯及閥籠損壞。

圖7 閥芯沖蝕損壞

圖8 迷宮籠套沖蝕損壞

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

3.1 改進(jìn)設(shè)計

利用迷宮盤片（圖9）堆疊閥籠來替代原閥的迷宮籠套，其余結(jié)構(gòu)設(shè)計與原閥保持一致。改進(jìn)前后的閥內(nèi)件對比見圖10。該方案突出的優(yōu)點(diǎn)是僅需更換一個零部件即可，且可以有效形成壓降梯度。與原閥相比性能提高、檢修周期延長，但長時間使用后，密封面的沖蝕損壞依然發(fā)生，且其閥芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拆卸維修困難的問題并未解決。

圖9 迷宮盤片結(jié)構(gòu)

3.2 持續(xù)改進(jìn)

為解決密封面沖蝕問題，考慮在微小開度條件下，將密封面與節(jié)流面分離，采用一專利結(jié)構(gòu)[7]，并改變閥門安裝方向，即改變介質(zhì)在閥體中的流向，由原來的低進(jìn)高出（流開型）改為高進(jìn)低出（流閉型）。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖10 閥內(nèi)件改進(jìn)設(shè)計前后

圖11 新型最小流量循環(huán)閥結(jié)構(gòu)示意

從圖11可知，當(dāng)閥芯開啟至內(nèi)節(jié)流套的開孔處，才能建立有效流道，即節(jié)流面發(fā)生在此處，從而延長了閥座處密封面的使用壽命。由于內(nèi)節(jié)流套的開孔為對稱開孔，流體流入時，會進(jìn)行對沖消能，可以提高降壓能力。此方案采用的閥芯、閥座結(jié)構(gòu)簡單，便于制造和維修，與其他改進(jìn)或維修方案相比，由于閥芯、閥座等都是原閥的經(jīng)常損壞的零部件，僅增加了內(nèi)節(jié)流套，成本增加有限，性能效果卻提升明顯。

4 結(jié)語

最小流量循環(huán)閥的性能好壞是保障發(fā)電廠機(jī)組給水泵正常安全運(yùn)行的關(guān)鍵，該閥工況條件苛刻，在生產(chǎn)實(shí)踐中出現(xiàn)的問題，長期未能得到解決，以至于相關(guān)技術(shù)人員提出改用一種變速給水泵來達(dá)到取消最小流量循環(huán)閥的方案[8]。本文通過分析最小流量循環(huán)閥的工藝工況條件，對產(chǎn)生的問題進(jìn)行總結(jié)與原因剖析，給出并優(yōu)選了幾種改進(jìn)方案，實(shí)踐表明，結(jié)構(gòu)改進(jìn)效果良好。

[1]王德學(xué).300 MW鍋爐給水泵最小流量閥的改進(jìn)[J].中國電力，1997，（1）：61-62，67.

[2]史文玎，寇德林.給水泵最小流量閥改造前后數(shù)值模擬[J].流體機(jī)械，2016，44（6）：47-50.

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[4]王金海，慕松，韋玉娜，武世敏.基于CFX的迷宮閥內(nèi)流場數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析[J].機(jī)械設(shè)計與研究，2015，31（3）：135-138.

[5]吳國熙.調(diào)節(jié)閥使用與維修[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

[6]成大先.機(jī)械設(shè)計手冊：第2卷[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[7]明友，王渭，陳鳳官，等.高壓差氣固兩相流調(diào)節(jié)閥[P].安徽：CN103423469A，2013-12-04.

[8]史達(dá)明，馬文智.關(guān)于配有變速給水泵的機(jī)組取消給水調(diào)節(jié)閥的探討[J].電力技術(shù)，1985（1）：47-52.