25MW汽輪發(fā)電機(jī)速關(guān)閥卡澀原因分析及預(yù)防措施

郝彥光，李文偉，鄭文明，趙士永

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北唐山 063200）

1 背景介紹

某鋼鐵廠水電聯(lián)產(chǎn)項(xiàng)目配套一臺(tái)杭州中能設(shè)計(jì)制造的C25-3.43/0.7 型抽汽凝汽式中溫中壓汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)末端負(fù)壓排汽供給海水淡化裝置制備淡化水。汽輪機(jī)采用雙側(cè)對(duì)稱布置式速關(guān)閥結(jié)構(gòu)形式。速關(guān)閥是汽輪機(jī)的重要保護(hù)裝置，尤其在機(jī)組停機(jī)或者出現(xiàn)故障時(shí)，要求速關(guān)閥快速關(guān)閉，以切斷進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽，防止汽輪機(jī)出現(xiàn)超速導(dǎo)致嚴(yán)重的飛車事故，同時(shí)避免蒸汽持續(xù)進(jìn)入導(dǎo)致事故擴(kuò)大。按照汽輪機(jī)的行業(yè)要求，速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)間要求不大于1 s。

2019 年汽輪機(jī)多次出現(xiàn)在停機(jī)時(shí)單側(cè)或雙側(cè)速關(guān)閥無(wú)法正常關(guān)閉的情況，出現(xiàn)明顯的卡澀現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全，同時(shí)影響運(yùn)行人員生命安全。汽輪機(jī)速關(guān)閥卡澀現(xiàn)象是運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的常見(jiàn)的故障之一，利用停機(jī)檢修機(jī)會(huì)，對(duì)速關(guān)閥進(jìn)行解體檢修，處理速關(guān)閥閥體、閥桿、閥碟以及油缸筒體內(nèi)部的配合間隙，結(jié)合速關(guān)閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，并結(jié)合解體情況，綜合處理汽輪機(jī)速關(guān)閥的卡澀問(wèn)題。

汽輪機(jī)主要參數(shù)如下。

機(jī)組型號(hào)：C25-3.43/0.7；

功率：2 110 kW；

轉(zhuǎn)速:3 000 r/min；

進(jìn)汽壓力：3.43 MPa（絕）;

進(jìn)氣溫度:435 ℃;

排氣壓力:0.03 MPa（絕）;

排氣溫度:68 ℃;

調(diào)節(jié)油壓:0.85 MPa;

潤(rùn)滑油壓:0.08～0.15 MPa。

2 速關(guān)閥結(jié)構(gòu)及作用原理

速關(guān)閥是主蒸汽管網(wǎng)與汽輪機(jī)之間的主要切斷機(jī)構(gòu)。在運(yùn)行中能實(shí)現(xiàn)正常啟機(jī)和停機(jī)，出現(xiàn)事故時(shí)需要立即停機(jī)，它能在最短時(shí)間內(nèi)切斷進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽，是汽輪機(jī)的一個(gè)重要的安全裝置，速關(guān)閥結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

圖1 速關(guān)閥結(jié)構(gòu)圖

速關(guān)閥是通過(guò)啟動(dòng)油和速關(guān)油控制的(見(jiàn)圖2），開啟過(guò)程在啟動(dòng)油作用下使活塞克服彈簧力并將其壓向活塞盤（16），而由啟動(dòng)裝置來(lái)的速關(guān)油進(jìn)入活塞盤后面。速關(guān)油壓力將活塞盤和活塞一起推動(dòng)至試驗(yàn)活塞（12）的終點(diǎn)位置，閥門也由閥桿提升而開啟。如果手動(dòng)停機(jī)或危急保安裝置動(dòng)作，速關(guān)油壓力迅速下降，彈簧力大于活塞盤后油壓力，于是活塞盤和閥桿、閥碟被迅速推向關(guān)閉位置。

圖2 速關(guān)控制裝置油路圖

3 故障現(xiàn)象及原因分析

3.1 故障現(xiàn)象

(1)第一次故障，正常停機(jī)時(shí)，左側(cè)速關(guān)閥未動(dòng)作，速關(guān)油壓為0，緊急旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)閥（1839），在啟動(dòng)油壓的推動(dòng)下，速關(guān)閥關(guān)閉。打開左側(cè)速關(guān)閥檢查油缸部分未發(fā)現(xiàn)異常，更換油缸密封。開機(jī)后在線通過(guò)閥1845試驗(yàn)速關(guān)閥，未發(fā)現(xiàn)異常。

(2)第二次故障，正常停機(jī)時(shí)，左右兩側(cè)速關(guān)閥未動(dòng)作，速關(guān)油壓為0，緊急旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)閥（1839），在啟動(dòng)油壓的推動(dòng)下，速關(guān)閥關(guān)閉。打開右側(cè)速關(guān)閥檢查油缸部分未發(fā)現(xiàn)異常，更換油缸密封。開機(jī)后在線通過(guò)閥（1845）試驗(yàn)速關(guān)閥，未發(fā)現(xiàn)異常。

(3)第三次故障，正常停機(jī)時(shí)，左側(cè)速關(guān)閥未動(dòng)作，速關(guān)油壓為0，緊急旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)閥（1839），在啟動(dòng)油壓的推動(dòng)下，速關(guān)閥關(guān)閉。

（4）第四次故障，正常停機(jī)時(shí)，右側(cè)速關(guān)閥未動(dòng)作，速關(guān)油壓為0，緊急旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)閥（1839），在啟動(dòng)油壓的推動(dòng)下，速關(guān)閥關(guān)閉。

（5）第五次故障，正常停機(jī)時(shí)，左右兩側(cè)速關(guān)閥未動(dòng)作，速關(guān)油壓為0，緊急旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)閥（1839），在啟動(dòng)油壓的推動(dòng)下，速關(guān)閥關(guān)閉。

3.2 故障原因分析

在速關(guān)油壓為零的情況下，速關(guān)閥多次未動(dòng)作，反復(fù)檢查油缸部分未發(fā)現(xiàn)有卡澀現(xiàn)像，需要在啟動(dòng)油壓的推動(dòng)下才能關(guān)閉，判斷其主要原因是閥套與閥桿之間存在卡澀?？虺醪椒治鋈缦拢?/p>

（1）蒸汽品質(zhì)不良產(chǎn)生的鹽垢，導(dǎo)致閥蓋套筒的內(nèi)徑減小和閥桿外徑增大，使得閥桿與套筒之間的徑向間隙減小，使閥桿無(wú)法正常關(guān)閉而產(chǎn)生卡澀。

（2）長(zhǎng)期在高溫條件下工作，高溫蠕變會(huì)造成閥桿彎曲，使閥桿與套筒的局部徑向配合間隙變小，閥桿在關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生卡澀。

（3）蒸汽管道內(nèi)的硬質(zhì)雜物隨蒸汽進(jìn)入閥桿與套筒的間隙中，造成閥桿與閥套徑向配合間隙減小而導(dǎo)致卡澀。

（4）機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后，金屬部件表面形成硬質(zhì)氧化皮，這些氧化皮卡在速關(guān)閥的閥桿與套筒之間的間隙中，造成閥桿動(dòng)作卡澀。

（5）在潤(rùn)滑油調(diào)速系統(tǒng)方式中，調(diào)速油與軸承潤(rùn)滑油為共用一個(gè)油箱，而軸承與汽封體距離較近，汽封體易產(chǎn)生漏汽而沿油擋進(jìn)入軸承箱中，使得油中進(jìn)水而導(dǎo)致油質(zhì)出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，產(chǎn)生油泥等雜質(zhì)堵塞銹蝕活塞盤，導(dǎo)致速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)閥桿與活塞盤動(dòng)作阻力增大，使得速關(guān)閥產(chǎn)生卡澀現(xiàn)象。

（6）速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)，速關(guān)油壓為0 MPa，依靠速關(guān)彈簧的壓縮力將閥桿推至關(guān)閉位置，速關(guān)閥的關(guān)閉時(shí)間要求小于1 s，所以要求彈簧的剛度比較大，彈簧壓縮力要遠(yuǎn)大于閥桿動(dòng)作的摩擦阻力，才能實(shí)現(xiàn)閥門的快速關(guān)閉，如果彈簧使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，長(zhǎng)期浸泡在調(diào)速油中，而調(diào)速油與潤(rùn)滑油共用一個(gè)油箱，會(huì)存在一定量的水分，對(duì)彈簧產(chǎn)生銹蝕，這樣會(huì)導(dǎo)致彈簧剛度降低而失效，無(wú)法克服閥桿的摩擦阻力時(shí)，閥門關(guān)閉就會(huì)出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。

4 速關(guān)閥解體檢查

2020 年4 月機(jī)組進(jìn)行大修，利用檢修機(jī)會(huì)對(duì)該機(jī)組的速關(guān)閥進(jìn)行解體檢查，發(fā)現(xiàn)速關(guān)閥的閥桿和套筒存在大量的氧化皮，同時(shí)活塞盤與油缸之間的空腔內(nèi)部存在金屬雜質(zhì)和油泥等雜物，活塞盤外部存在大量的銹蝕，增加速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)活塞盤與閥桿的動(dòng)作阻力，使得速關(guān)閥動(dòng)作異常出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，具體情況如下：

（1）速關(guān)閥油缸殼體與活塞盤配合面的位置存在大量油泥和鐵銹等雜質(zhì)，混在油缸內(nèi)部調(diào)節(jié)油中，靠近活塞盤與油缸殼體的徑向密封面處，易導(dǎo)致增加速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)活塞盤動(dòng)作的摩擦阻力，也就是增加閥桿動(dòng)作的摩擦阻力；活塞盤外圓處存在嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，也會(huì)影響速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)活塞盤和閥桿的動(dòng)作阻力。

（2）活塞盤與油缸殼體的空腔內(nèi)存在螺釘?shù)冉饘匐s質(zhì)，閥桿動(dòng)作時(shí)會(huì)增大活塞盤的動(dòng)作阻力，影響速關(guān)閥的正常關(guān)閉。

（3）速關(guān)閥解體后，檢查油缸缸筒內(nèi)部的速關(guān)彈簧，測(cè)量彈簧的自由長(zhǎng)度與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較，無(wú)異常，然后對(duì)彈簧進(jìn)行一定量的壓縮測(cè)量其剛度，無(wú)異常，說(shuō)明彈簧正常。

（4）拆解速關(guān)閥的閥體，發(fā)現(xiàn)速關(guān)閥的閥桿表面產(chǎn)生大量的氧化皮，縮小了與套筒的徑向間隙，同時(shí)還存在一定的銹蝕現(xiàn)象，在閥桿上局部存在光亮的劃痕，說(shuō)明閥桿與套筒存在較大的摩擦，增加了閥桿動(dòng)作的阻力。

拆解速關(guān)閥的閥桿與套筒，發(fā)現(xiàn)套筒內(nèi)部存在大量的氧化皮，使得套筒內(nèi)徑減小，縮小了套筒與閥桿的徑向間隙。

速關(guān)閥閥桿解體后，測(cè)量閥桿的彎曲度，發(fā)現(xiàn)閥桿的光亮劃痕處的彎曲度最大達(dá)到0.09 mm，超出設(shè)計(jì)值0.05 mm 的要求，閥桿彎曲后導(dǎo)致關(guān)閉時(shí)與套筒產(chǎn)生較大的摩擦阻力。

5 處理措施

通過(guò)對(duì)速關(guān)閥閥桿與套筒的解體，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，速關(guān)閥關(guān)閉卡澀的主要原因在于套筒與閥桿配合表面存在大量的氧化皮，使得徑向間隙減小，增大了閥桿動(dòng)作的摩擦阻力；同時(shí)閥桿存在一定的彎曲度，加劇了閥桿動(dòng)作的摩擦阻力，使得閥桿關(guān)閉時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的卡澀問(wèn)題；因閥桿與活塞盤為剛性連接，在速關(guān)閥關(guān)閉時(shí)，兩者同時(shí)一起動(dòng)作，對(duì)于較差的油質(zhì)、油缸殼體內(nèi)部和活塞盤的銹蝕、金屬雜質(zhì)等問(wèn)題，對(duì)閥桿卡澀問(wèn)題起輔助作用，利用檢修機(jī)會(huì)對(duì)速關(guān)閥解體后出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行處理，采取以下具體措施：

（1）清理油缸殼體內(nèi)部的油質(zhì)和金屬雜質(zhì)，對(duì)油缸殼體和活塞盤的銹蝕位置進(jìn)行打磨，去除金屬鐵銹，確?；钊P動(dòng)作時(shí)與油缸殼體內(nèi)壁無(wú)機(jī)械摩擦力。

（2）速關(guān)閥的閥桿表面進(jìn)行打磨處理，通過(guò)砂紙?zhí)幚黹y桿表面的氧化皮，直至閥桿表面出現(xiàn)金屬光澤，同時(shí)對(duì)套筒內(nèi)壁也進(jìn)行氧化皮打磨處理，并測(cè)量閥桿與套筒的徑向間隙，直至滿足設(shè)計(jì)要求；對(duì)于閥桿的彎曲度超標(biāo)問(wèn)題，因檢修時(shí)間較短，無(wú)法在有限的時(shí)間內(nèi)加工制造新的閥桿，鑒于彎曲度超標(biāo)幅度有限，暫定仍然使用原閥桿，但可以通過(guò)速關(guān)閥靜態(tài)調(diào)整試驗(yàn)檢測(cè)閥桿彎曲對(duì)卡澀問(wèn)題的影響程度。

將速關(guān)閥閥桿與套筒處理后， 復(fù)裝速關(guān)閥，并進(jìn)行靜態(tài)調(diào)整試驗(yàn)，將速關(guān)閥與試驗(yàn)臺(tái)以及調(diào)速控制裝置進(jìn)行管道連接，通過(guò)啟動(dòng)裝置來(lái)控制速關(guān)油和啟動(dòng)油的油壓，進(jìn)行速關(guān)閥開啟和關(guān)閉試驗(yàn)，檢驗(yàn)速關(guān)閥的動(dòng)作情況，經(jīng)過(guò)檢修處理后，速關(guān)閥開啟和關(guān)閉動(dòng)作均正常，雖然閥桿彎曲度超標(biāo)未影響閥桿卡澀問(wèn)題，但后續(xù)再找機(jī)會(huì)更換該閥桿。

6 預(yù)防措施

(1)加強(qiáng)機(jī)組蒸汽品質(zhì)的監(jiān)測(cè)，提高蒸汽品質(zhì)，防止產(chǎn)生速關(guān)閥內(nèi)部部件積鹽結(jié)垢出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。

(2)機(jī)組每次大修時(shí)應(yīng)打開速關(guān)閥閥套與閥桿清理氧化皮，并對(duì)閥桿的彎曲度進(jìn)行檢測(cè)。

(3)速關(guān)閥應(yīng)每周進(jìn)行閥桿活動(dòng)試驗(yàn)，檢測(cè)閥桿活動(dòng)是否靈活自如，若存在活動(dòng)不暢或者卡澀現(xiàn)象，應(yīng)立即進(jìn)行停機(jī)檢修處理。

(4)定期檢查汽輪機(jī)軸封的漏汽情況，如發(fā)現(xiàn)漏汽應(yīng)采取適當(dāng)措施，防止蒸汽進(jìn)入軸承箱中，避免油中進(jìn)水；同時(shí)每月應(yīng)加強(qiáng)對(duì)調(diào)速油進(jìn)行顆粒度與水分監(jiān)測(cè)，配置有脫水濾油功能的加強(qiáng)濾油，以去除油中水分和較大的顆粒，防止速關(guān)閥活塞盤與油缸內(nèi)壁出現(xiàn)堵塞銹蝕問(wèn)題。