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600MW汽轮机高压调节阀阀杆脱落原因分析

发布时间:2019-02-22 浏览量:166

设备简介

某汽轮机组是上海汽轮机生产的600MW亚临界、单轴、四缸、四排汽、中间再热、凝汽式汽轮机,机组型号为N600-16.7/538/538,在正常运行中多台次出现汽轮机调节阀阀杆脱落,给机组的安全运行带来了极大的威胁,据了解,国内其它电厂同类型机组也多次出现类似问题。汽轮机调节阀阀杆断裂是电厂汽轮机严重故障之一,这个问题曾经困扰电厂多年,随着阀门结构、材料与工艺的改进,小型汽轮机上这类事故已很少出现,但近年来国产300MW、600MW汽轮机汽轮机调节阀阀杆脱落的现象却时有发生,威胁着汽轮机组的安全运行。


故障描述

该机组负荷为550MW、处于顺序阀方式下运行,#2高压调节阀(GV2)突然发生较大幅度摆动(31%到70%),汽轮机#2轴振动增加,2Y向振动最高到149um,运行人员随即将汽轮机切到单阀方式运行,并减负荷到450MW左右,在单阀方式下,GV2不再晃动,机组运行正常。此过程发生时,负荷变化情况如图1所示。在此后的几天内,当负荷在540MW附近时,顺序阀方式下,GV2均会发生较大幅度晃动。

图1 GV2晃动时负荷变化情况

检查发现,该机组DCS采用脉冲的方式对DEH进行远方负荷控制,GV2晃动时,系统设定是DEH每接到一个DCS来的脉冲指令,负荷变化6MW,相对于DEH本身的负荷指令变化为1%。GV2晃动事件发生后,将每一个脉冲对应的负荷变化由6MW修改后3MW,在540MW负荷左右时,GV2晃动幅度减小,但仍有晃动现象时常出现。对顺序阀方式下的配汽曲线进行调整,效果不明显。为安全起见,该机组切到单阀方式运行。

仔细分析故障过程数据发现,在减负荷过程中,GV2开度从35%减小到31%时,机组负荷会突减约30MW,相当于5%额定负荷,而DEH中实际设置这一区段的理论负荷约为1%额定负荷,这是很不正常的。检查之前运行数据,在GV2开度从35%降到30%时,机组负荷才从566MW降到555MW,初步判断造成这GV2晃动的原因是GV2流量特性严重偏离设计情况,随后进行了对比检查试验:选取故障前历史数据,机组负荷449MW,主蒸汽压力15.5MPa,四个高压调节阀开度分另为92%、17%、0、92%;故障时数据为:机组负荷453MW,主蒸汽压力15.6MPa,四个高压调节阀开度分另为100%、30%、0、100%。

由此可见,在负荷与主蒸汽压力差别不大的情况下,两个时间的GV2开度差别较大,再结合前述试验现象,重点怀疑GV2阀芯或阀杆已经部分脱落。经过现场仔细检查确认,GV2阀芯与油动机联接部位,阀杆与油动机已经发生相对位移,如图2所示。随后,在将GV2关闭过程中,机组负荷没明显变化,但只能将其关到13%左右开度,无法再向下关。此时确认GV2阀杆与油动机联接处销子断裂。

图2 GV2阀杆与油动机发生相对位移

故障分析

一般的阀杆断裂多发生在阀杆头部,而汽轮机调节阀阀杆脱落发生在阀杆与阀杆套的接合处。与阀杆断裂不同的是,汽轮机调节阀阀杆脱落不是瞬间完成的,往往需要长达半月之久的时间来完成松动、扭曲与脱落这一过程。阀杆松动初期,这个现象往往很难发现,在松动后期,机组负荷变化时,阀门开度常会出现晃动现象,尤其是在降负荷阶段;当阀杆相对阀杆套发生扭动时,一般情况下起固定作用的销钉已经断裂,可观察到断裂的销钉突出在销孔以外的现象;阀杆彻底脱落时的现象较为明显,一般会表现出汽轮机高压端转子振动与轴承金属温度突变、汽门大幅度晃动、机组协调失稳、出力不足等现象,在阀门全开的情况下,可以看到阀杆与阀杆套之间存在明显相对位移。

图3表明为该机组汽门阀杆与油动机接合处的结构。阀杆与阀杆套通过螺纹连接,连接后配装销钉(φ12×120),销孔配合间隙为0~0.01mm,阀杆与阀杆套定位处配合间隙为0.05~0.15mm,阀杆顶部与阀杆套之间有螺纹连接。

图3 阀杆与阀杆套装配图    

对该汽轮机检修时发现,阀杆和阀杆套螺纹齿尖磨损程度已超过一半,阀杆与连接套之间的圆柱销钉已断裂,阀杆轴头与阀杆套底孔之间有锈迹。分析认为,过大向上或向下的拉力作用造成连接螺纹及销子损坏是阀杆脱落的直接原因,而圆柱销钉材质不合格、安装工艺不合理也是重要的影响因素,具体表现在以下四个方面。

(1)阀杆套底孔加工失误

                                                

图4 汽门阀杆套底孔

为保证汽轮机打闸停机时能各汽门能够快速关闭,油动机弹簧的作用力需通过阀杆端面可靠地传递至阀头。设备厂家要求,阀杆装配时需要着色检查确认阀杆轴头端面与阀杆套底孔接触面积不小于80%,然后再装配固定销钉。但对阀杆脱落的汽门进行解体后发现阀杆套底孔并非平面而是一个弧面,如图4所示,而阀杆轴头端部为一平面,两者的接触为线接触。最后确认,设备出厂前底孔用钻头加工后缺少铣平的工序,造成底孔为钻头加工后形成的圆弧面,造成阀杆轴头与阀杆套底孔不是面接触。在机组运行中,阀杆套底孔和阀杆轴头由于线接触受力而产生变形进而产生间隙,阀门关闭时弹簧巨大的冲击力直接作用在连接螺纹和销钉上,造成连接螺纹和销子的损坏。

(2) 连接螺纹配合间隙过大

阀杆与阀杆套连接螺纹为M56×2mm,按照GB-T197-2003《普通螺纹公差》标准,螺纹配合间隙应为0.12~0.25mm,而实际安装时阀杆和阀杆套配合间隙为0.40~0.70mm,这就使得内外螺纹接触面积过小,螺纹受力时极易损坏,如图5所示。

 

     图5 损坏的阀杆轴头螺纹             

 

图6 断裂的销钉

 

(4) 圆柱销材质与设计不符

阀杆与阀杆套的定位圆柱销材质应为C422,即2Cr12NiMo1W1V,而对断裂的销子(图6)检验发现,其实际材质为45钢,材质与设计不符,造成圆柱销强度不够,易发生损坏。

(5) 安装工艺不当

按要求,阀杆装配时,阀杆与阀杆套之间紧力矩为904N·m,但实际安装时并未采用力矩扳手,就存在安装紧力不足的可能;同时阀杆套上的销孔大于阀杆上的销孔,圆柱销钉与阀杆套的间隙过大。该类型汽轮机汽门阀头为球形,有较好的流量特性,但其阀座喉部的易出现压力脉动,造成阀杆垂直或横向振动,产生汽流激振,在此影响下,阀杆发生转动,加剧阀杆套螺纹磨损,磨损后轴向间隙进一步扩大,在振动的影响下,固定销钉承受交变应力的作用,长时间后发生销钉弯曲甚至金属疲劳断裂。安装时如螺纹上有毛刺等缺陷,也可能造成安装时螺纹的咬死,使得螺纹紧力达到而接触端面未受力,在运行中螺纹也会受力而损坏。

 

处理方法

机组在运行时,及时发现汽轮机调节阀阀杆松脱现象可以将其产生的危害降到最低,加强相关运行数据、尤其是汽门开度、轴承金属温度与转子振动等数据的检查与对比可以发现阀杆松动异常,及时处理,避免事故扩大。另外,阀杆与阀杆套之间的相对位置进行标记,可以帮助观察两者之间是否发生相对位移,有助于对事故的判断。阀杆脱落后,如能够确认它可以正常关闭,可以采取临时固定措施,保持它在一定范围内开关,而不影响机组的正常运行,并择机处理。

汽轮机检修时,安装前要检查确认阀杆和阀杆套配合螺纹间隙符合要求,确保各部件材质无误,连接螺纹应光洁无毛刺等缺陷。在安装时严格按照紧力要求,将阀杆紧固到位,同时进行着色检查,确保阀杆轴头端面与阀杆套底孔接触面积不小于80%。如阀杆销孔与阀杆套销孔错位,则可采取在阀杆端面与阀杆套底孔之间加垫片的方法。在销孔基本不错口的情况下,重新铰孔并配装销子,保证阀杆套、阀杆的销孔与圆柱销的配合间隙为0~0.01mm。在检修中如未更换阀杆套和阀杆,在销孔错口无法调整到位的情况下,可以在与原销孔90o方向重新打孔并配装销钉。该机组长期运行结果表明,经上述处理后,汽轮机调节阀阀杆脱落现象基本消失。

 

结论与建议

高压调节阀阀杆脱落现象在不同类型国产600MW等级汽轮机组上均有发生,在新投产的机组上更为常见,首次脱落一般发生在新机组投产一年半左右,这个问题应引起各方面的重视,加强运行监视与分析,制定好相应事故预案,防止因阀杆脱落导致机组停运甚至烧瓦等恶性事故的发生。汽门检修时,应对上述各个问题进行检查,严格执行安装工艺,保证安装质量,采用更为合理的阀门连接方式,以彻底避免产生螺纹损坏造成阀杆脱落。


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