電站汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥機械故障分析及處理對策

魚鳳萍，郭平英

（1.寧夏電投銀川熱電有限公司，寧夏 銀川 750021；2.陜西電力科學(xué)研究院，陜西 西安 710048）

0 引言

汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥是調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，主要作用是使汽輪機組適應(yīng)電負荷和熱負荷變化的要求，通過控制閥門開度變化，改變進入汽輪機的蒸汽量[1-3]。

電站汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥工作溫度一般超過500℃，且經(jīng)常處于跟蹤調(diào)節(jié)狀態(tài)，工作狀態(tài)既有緩慢變化的運動狀態(tài)，又有危急保安情況下的沖擊狀態(tài)。從高壓調(diào)節(jié)閥工作介質(zhì)的流動工況來看，屬于亞聲速流動。壓力波的擾動以聲波速度傳播，既可以向上游傳播進入主蒸汽管，也可以向下游傳播進入高壓汽缸。高壓調(diào)節(jié)閥閥桿、閥碟、閥座和蒸汽室材料一般為CrMoV或CrMo鋼，超臨界汽輪機組有些使用經(jīng)過氮化處理的鎳鉻鐵耐熱鋼[4-5]。

一旦調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障，除了影響汽輪發(fā)電機組正常的加減負荷外，情況嚴重的會使機組帶著安全隱患監(jiān)視運行或被迫停運。本文主要論述高壓調(diào)節(jié)閥的機械故障分析和處理對策，涉及的油壓控制系統(tǒng)故障可參考其他文獻和資料[6-7]。

1 閥碟脫落故障

現(xiàn)代汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥一般配置4個或6個調(diào)節(jié)閥，某一個閥碟脫落，主要是該調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂或閥桿連接螺絲滑絲等原因造成。連接閥碟的閥桿與壓縮彈簧可簡化為一個單自由度質(zhì)量-彈簧振動系統(tǒng)。閥桿在快速提升和閥門快速關(guān)閉時的慣性力產(chǎn)生動應(yīng)力，按直桿縱向撞擊原理，應(yīng)力波在閥桿中傳播和反射，在某一瞬間使應(yīng)力達到最大值。當(dāng)應(yīng)力超過材料的強度極限，會使閥桿在強度薄弱處產(chǎn)生斷裂。此外閥桿長期處在超過蠕變溫度的高溫工況，以及閥桿長時間振動，會使其連接螺絲失效，造成閥碟帶閥桿從操控裝置脫落。

當(dāng)閥碟落在閥座上，接近于該閥的關(guān)閉狀態(tài)，因為預(yù)啟閥的存在，有少量主蒸汽通過且進汽不穩(wěn)定。當(dāng)汽輪發(fā)電機組正常帶負荷出現(xiàn)此故障時，往往表現(xiàn)為該調(diào)節(jié)閥后壓力突然下降至接近調(diào)節(jié)級后壓力，機組負荷突降，高中壓轉(zhuǎn)子軸振出現(xiàn)波動或振蕩。圖1為某超臨界600MW汽輪機1號調(diào)節(jié)閥閥碟脫落前后1號軸振X向（藍色）、Y向（紅色）趨勢圖。閥碟脫落時X向軸振有一個明顯的突升，對應(yīng)上部藍色的軸振曲線的明顯尖脈沖。當(dāng)時機組負荷突降50MW，1號調(diào)節(jié)閥壓力突降到8MPa，初步判斷為閥芯脫落故障。將閥序由1324改為4321后1號軸振變化趨勢參見圖2，紅色、藍色曲線與圖1代表意義相同，維持運行一段時間后進行了檢查處理。解體檢查閥桿未斷裂，屬于連接螺絲滑絲引起。

某300MW汽輪機組正常帶大負荷運行時，負荷、調(diào)節(jié)級壓力、閥位指令出現(xiàn)大幅波動，波動趨勢一致。主汽壓也伴隨有小幅波動，波動趨勢與其相反，上述參數(shù)的波動周期均約1分鐘。隨后檢查發(fā)現(xiàn)是2號調(diào)節(jié)閥閥桿連接螺絲滑絲，閥與操控裝置連接脫開，而2號調(diào)節(jié)閥正常工況應(yīng)處于全開狀態(tài)。

關(guān)于調(diào)節(jié)閥碟脫落，一旦確認該故障后，汽輪機在線監(jiān)測參數(shù)如振動、瓦溫、軸向位移等在可控范圍以內(nèi)，可重新設(shè)定閥序，暫時維持機組運行，隨后安排檢查處理。重新設(shè)定閥序的條件，主要考慮高、中壓轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定性即1號、2號軸振的變化。對于故障前正常的汽輪機組，振動變化一般小于30μm。某超臨界600MW汽輪機組進行的高壓調(diào)節(jié)閥序切換振動試驗，1號軸振隨閥序切換變化參見圖3，2號軸振的對應(yīng)工況變化參見圖4。由圖2—圖4可知，對于有足夠穩(wěn)定性裕度的高中壓轉(zhuǎn)子－軸承系統(tǒng)，順序閥切換試驗不會引起軸系失穩(wěn)。只有當(dāng)支撐高中壓轉(zhuǎn)子的軸瓦穩(wěn)定裕度不足和主蒸汽參數(shù)自身波動才有可能出現(xiàn)切換時高壓轉(zhuǎn)子的汽流自激振動。圖5為某亞臨界600MW汽輪機在閥序為1342時，接近滿負荷下由于突然出現(xiàn)27.5Hz的汽流自激振動，導(dǎo)致2瓦Y向軸振失穩(wěn)保護跳閘過程的頻譜圖，將閥序改為1324后高中壓轉(zhuǎn)子振動穩(wěn)定。

有一種較為特殊的情況，需要注意區(qū)分判斷高中壓轉(zhuǎn)子軸振顯示值的真實性。對于采用電渦流傳感器監(jiān)測高中壓轉(zhuǎn)子相對軸振的汽輪機組，當(dāng)閥碟脫落或調(diào)節(jié)閥快關(guān)時，儀表顯示的高中壓轉(zhuǎn)子軸振有可能瞬間超過保護值。主要原因一是振動保護值偏低；二是1號、2號軸瓦采用了抗擾動能力不如可傾瓦的橢圓瓦或其他型式的軸瓦。如某330MW汽輪機在修改閥門重疊度函數(shù)曲線時，1號調(diào)節(jié)閥突然關(guān)閉，“軸承振動大”保護動作信號發(fā)出（當(dāng)轉(zhuǎn)速大于2900轉(zhuǎn)，軸承振動大保護跳閘整定值為130um），汽機跳閘。故障跳機過程高壓轉(zhuǎn)子振動趨勢見圖6。檢查發(fā)現(xiàn)制造廠提供的1號調(diào)節(jié)閥重疊度函數(shù)有誤，導(dǎo)致1號調(diào)節(jié)閥重疊度參數(shù)修改中發(fā)生1號調(diào)節(jié)閥快速關(guān)閉。對這種情況分析認為，當(dāng)汽輪機調(diào)節(jié)閥快速關(guān)啟時，使高壓轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向快速位移，在線監(jiān)測系統(tǒng)誤把這種徑向快速位移變化按振動信號進行處理。當(dāng)轉(zhuǎn)軸與電渦流傳感器緩慢相對運動時不影響振動顯示，而當(dāng)相對運動瞬間變化大時，影響振動顯示，出現(xiàn)振動峰值?，F(xiàn)場實測表明，出現(xiàn)此類故障時，使用可傾瓦軸承的汽輪機高中壓轉(zhuǎn)子，其軸心位置變化較小。這類問題的解決，只需要將振動保護延時3～5秒或適當(dāng)提高保護定值即可。

2 調(diào)節(jié)閥座松動故障

汽輪機調(diào)節(jié)閥閥座松動問題在現(xiàn)場并不少見，分析其主要原因有兩種：一是閥座材料與蒸汽室材料匹配不合理，閥座材料的膨脹系數(shù)大于蒸汽室材料的膨脹系數(shù)，熱應(yīng)力使閥座產(chǎn)生塑性變形，在隨后的汽輪機啟停機過程，閥座與蒸汽室的配合間隙增大而松動。某600MW級超臨界汽輪機發(fā)生3號、4號調(diào)節(jié)閥松動后，采取了將閥座材料由12Cr2Mo更換為X10CrMoNb9，閥座加長3mm，配合緊力控制在0.29mm的辦法進行了處理。二是閥座與蒸汽室裝配緊力不足和固定銷不可靠。

現(xiàn)場判斷閥座松動，一是調(diào)節(jié)閥振動和高中壓轉(zhuǎn)子振動異常；二是就地聽音異常；三是觀察調(diào)節(jié)閥開度變化。

調(diào)節(jié)閥座松動后易于和閥碟撞擊，伴隨著較大的振動波動和調(diào)節(jié)閥處有一陣陣不規(guī)則的撞擊聲，以及調(diào)節(jié)級后壓力出現(xiàn)明顯波動。高中壓轉(zhuǎn)子振動除工頻振動成分外，還會出現(xiàn)一階臨界轉(zhuǎn)速頻率和高次諧波成分。

特別要注意，當(dāng)出現(xiàn)閥座松動故障后，必將使調(diào)節(jié)閥不能嚴密關(guān)閉。一旦主汽閥也不嚴，就會出現(xiàn)汽輪機超速的風(fēng)險。因此，電廠應(yīng)盡早采取措施進行處理。

3 調(diào)節(jié)閥卡澀故障

出現(xiàn)調(diào)節(jié)閥卡澀故障時，卡在60%～70%行程處的概率較大，也有出現(xiàn)卡在滿行程的情況。如曾有一臺135MW汽輪機4號調(diào)節(jié)閥卡在滿行程處，調(diào)查發(fā)現(xiàn)該機組經(jīng)常在主蒸汽參數(shù)偏低的情況下滿負荷運行，未堅持定期的調(diào)節(jié)閥活動性試驗。

調(diào)節(jié)閥卡澀，排除操縱機構(gòu)卡澀原因外，主要原因一是閥桿和閥套卡澀；二是閥座導(dǎo)向鍵磨損。

造成閥桿和閥套卡澀，是由于閥桿和閥套的動靜間隙局部不均勻甚至消失。而動靜間隙的消失，有可能是閥桿彎曲度超標(biāo)，或者是閥桿表面結(jié)垢和高溫氧化嚴重。閥桿彎曲度超標(biāo)，既有可能是制造、運行維護質(zhì)量問題，也有可能是閥桿熱穩(wěn)定性不好，即在高溫下閥桿殘余應(yīng)力釋放，自身發(fā)生較大的彎曲熱變形，這一點往往易于被忽視。

閥桿的高溫氧化問題，既有材料自身的抗氧化性能方面的原因，尤其對于超臨界汽輪機組，也有電廠日常蒸汽品質(zhì)監(jiān)督不到位方面的原因。

當(dāng)某一調(diào)節(jié)閥卡澀時，若短時間無停機處理機會，且在機組軸系振動、各瓦瓦溫、脹差、軸位移等參數(shù)都正常的情況下，可采用現(xiàn)場振打的辦法進行處理。振打前應(yīng)將該調(diào)節(jié)閥閥位指令強制在略小于卡澀行程，然后振打直至該閥恢復(fù)活動正常。

需要注意的是，當(dāng)出現(xiàn)某一調(diào)節(jié)閥卡澀故障后，必將使該調(diào)節(jié)閥處于常開狀態(tài)。一旦主汽閥也不嚴，就會出現(xiàn)汽輪機超速的風(fēng)險。因此，電廠應(yīng)嚴格按照運行規(guī)程規(guī)定處理，達到停機規(guī)定的應(yīng)及時停機。

4 結(jié)語

（1）總結(jié)了電站汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥機械故障的特征、診斷分析和處理實踐，涉及閥碟脫落、閥座松動、閥卡澀等方面的故障分析和處理，有助于運行維護人員及時準確地判斷故障和制定應(yīng)對措施，以保護汽輪機組的安全運行。

（2）汽輪機高壓調(diào)節(jié)閥是汽輪機調(diào)節(jié)保安系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，應(yīng)從閥碟型式、材料選擇、制造質(zhì)量、運行維護、檢修工藝、定期活動試驗等方面嚴格把關(guān)，以保證調(diào)節(jié)閥可靠安全地工作。

（3）高壓調(diào)節(jié)閥卡澀故障，有可能造成汽輪機超速的風(fēng)險。因此，電廠應(yīng)嚴格按照運行規(guī)程規(guī)定處理，達到停機規(guī)定的應(yīng)及時停機。