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1 設(shè)備簡介

某汽輪機(jī)組是上海汽輪機(jī)生產(chǎn)的600MW亞臨界、單軸、四缸、四排汽、中間再熱、凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組型號(hào)為N600－16.7/538/538，在正常運(yùn)行中多臺(tái)次出現(xiàn)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿脫落，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來了極大的威脅，據(jù)了解，國內(nèi)其它電廠同類型機(jī)組也多次出現(xiàn)類似問題。汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂是電廠汽輪機(jī)嚴(yán)重故障之一，這個(gè)問題曾經(jīng)困擾電廠多年,隨著閥門結(jié)構(gòu)、材料與工藝的改進(jìn)，小型汽輪機(jī)上這類事故已很少出現(xiàn)，但近年來國產(chǎn)300MW、600MW汽輪機(jī)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿脫落的現(xiàn)象卻時(shí)有發(fā)生,威脅著汽輪機(jī)組的安全運(yùn)行。

2 故障描述

該機(jī)組負(fù)荷為550MW、處于順序閥方式下運(yùn)行，#2高壓調(diào)節(jié)閥（GV2）突然發(fā)生較大幅度擺動(dòng)（31%到70%），汽輪機(jī)#2軸振動(dòng)增加，2Y向振動(dòng)最高到149um，運(yùn)行人員隨即將汽輪機(jī)切到單閥方式運(yùn)行，并減負(fù)荷到450MW左右，在單閥方式下，GV2不再晃動(dòng)，機(jī)組運(yùn)行正常。此過程發(fā)生時(shí)，負(fù)荷變化情況如圖1所示。在此后的幾天內(nèi)，當(dāng)負(fù)荷在540MW附近時(shí)，順序閥方式下，GV2均會(huì)發(fā)生較大幅度晃動(dòng)。

圖1 GV2晃動(dòng)時(shí)負(fù)荷變化情況

檢查發(fā)現(xiàn)，該機(jī)組DCS采用脈沖的方式對DEH進(jìn)行遠(yuǎn)方負(fù)荷控制，GV2晃動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)設(shè)定是DEH每接到一個(gè)DCS來的脈沖指令，負(fù)荷變化6MW，相對于DEH本身的負(fù)荷指令變化為1%。GV2晃動(dòng)事件發(fā)生后，將每一個(gè)脈沖對應(yīng)的負(fù)荷變化由6MW修改后3MW，在540MW負(fù)荷左右時(shí)，GV2晃動(dòng)幅度減小，但仍有晃動(dòng)現(xiàn)象時(shí)常出現(xiàn)。對順序閥方式下的配汽曲線進(jìn)行調(diào)整，效果不明顯。為安全起見，該機(jī)組切到單閥方式運(yùn)行。

仔細(xì)分析故障過程數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在減負(fù)荷過程中，GV2開度從35%減小到31%時(shí)，機(jī)組負(fù)荷會(huì)突減約30MW，相當(dāng)于5%額定負(fù)荷，而DEH中實(shí)際設(shè)置這一區(qū)段的理論負(fù)荷約為1%額定負(fù)荷，這是很不正常的。檢查之前運(yùn)行數(shù)據(jù)，在GV2開度從35%降到30%時(shí)，機(jī)組負(fù)荷才從566MW降到555MW，初步判斷造成這GV2晃動(dòng)的原因是GV2流量特性嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)情況，隨后進(jìn)行了對比檢查試驗(yàn)：選取故障前歷史數(shù)據(jù)，機(jī)組負(fù)荷449MW，主蒸汽壓力15.5MPa，四個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥開度分另為92%、17%、0、92%；故障時(shí)數(shù)據(jù)為：機(jī)組負(fù)荷453MW，主蒸汽壓力15.6MPa，四個(gè)高壓調(diào)節(jié)閥開度分另為100%、30%、0、100%。

由此可見，在負(fù)荷與主蒸汽壓力差別不大的情況下，兩個(gè)時(shí)間的GV2開度差別較大，再結(jié)合前述試驗(yàn)現(xiàn)象，重點(diǎn)懷疑GV2閥芯或閥桿已經(jīng)部分脫落。經(jīng)過現(xiàn)場仔細(xì)檢查確認(rèn)，GV2閥芯與油動(dòng)機(jī)聯(lián)接部位，閥桿與油動(dòng)機(jī)已經(jīng)發(fā)生相對位移，如圖2所示。隨后，在將GV2關(guān)閉過程中，機(jī)組負(fù)荷沒明顯變化，但只能將其關(guān)到13%左右開度，無法再向下關(guān)。此時(shí)確認(rèn)GV2閥桿與油動(dòng)機(jī)聯(lián)接處銷子斷裂。

圖2 GV2閥桿與油動(dòng)機(jī)發(fā)生相對位移

3 故障分析

一般的閥桿斷裂多發(fā)生在閥桿頭部，而汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿脫落發(fā)生在閥桿與閥桿套的接合處。與閥桿斷裂不同的是，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿脫落不是瞬間完成的，往往需要長達(dá)半月之久的時(shí)間來完成松動(dòng)、扭曲與脫落這一過程。閥桿松動(dòng)初期，這個(gè)現(xiàn)象往往很難發(fā)現(xiàn)，在松動(dòng)后期，機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)，閥門開度常會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)現(xiàn)象，尤其是在降負(fù)荷階段；當(dāng)閥桿相對閥桿套發(fā)生扭動(dòng)時(shí)，一般情況下起固定作用的銷釘已經(jīng)斷裂，可觀察到斷裂的銷釘突出在銷孔以外的現(xiàn)象；閥桿徹底脫落時(shí)的現(xiàn)象較為明顯，一般會(huì)表現(xiàn)出汽輪機(jī)高壓端轉(zhuǎn)子振動(dòng)與軸承金屬溫度突變、汽門大幅度晃動(dòng)、機(jī)組協(xié)調(diào)失穩(wěn)、出力不足等現(xiàn)象，在閥門全開的情況下，可以看到閥桿與閥桿套之間存在明顯相對位移。

圖3表明為該機(jī)組汽門閥桿與油動(dòng)機(jī)接合處的結(jié)構(gòu)。閥桿與閥桿套通過螺紋連接，連接后配裝銷釘（φ12×120），銷孔配合間隙為0～0.01mm，閥桿與閥桿套定位處配合間隙為0.05～0.15mm，閥桿頂部與閥桿套之間有螺紋連接。

圖3 閥桿與閥桿套裝配圖    

對該汽輪機(jī)檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)，閥桿和閥桿套螺紋齒尖磨損程度已超過一半，閥桿與連接套之間的圓柱銷釘已斷裂，閥桿軸頭與閥桿套底孔之間有銹跡。分析認(rèn)為，過大向上或向下的拉力作用造成連接螺紋及銷子損壞是閥桿脫落的直接原因，而圓柱銷釘材質(zhì)不合格、安裝工藝不合理也是重要的影響因素，具體表現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

（1）閥桿套底孔加工失誤

圖4 汽門閥桿套底孔

為保證汽輪機(jī)打閘停機(jī)時(shí)能各汽門能夠快速關(guān)閉，油動(dòng)機(jī)彈簧的作用力需通過閥桿端面可靠地傳遞至閥頭。設(shè)備廠家要求，閥桿裝配時(shí)需要著色檢查確認(rèn)閥桿軸頭端面與閥桿套底孔接觸面積不小于80%，然后再裝配固定銷釘。但對閥桿脫落的汽門進(jìn)行解體后發(fā)現(xiàn)閥桿套底孔并非平面而是一個(gè)弧面，如圖4所示，而閥桿軸頭端部為一平面，兩者的接觸為線接觸。最后確認(rèn)，設(shè)備出廠前底孔用鉆頭加工后缺少銑平的工序，造成底孔為鉆頭加工后形成的圓弧面，造成閥桿軸頭與閥桿套底孔不是面接觸。在機(jī)組運(yùn)行中，閥桿套底孔和閥桿軸頭由于線接觸受力而產(chǎn)生變形進(jìn)而產(chǎn)生間隙，閥門關(guān)閉時(shí)彈簧巨大的沖擊力直接作用在連接螺紋和銷釘上，造成連接螺紋和銷子的損壞。

（2） 連接螺紋配合間隙過大

閥桿與閥桿套連接螺紋為M56×2mm，按照GB-T197-2003《普通螺紋公差》標(biāo)準(zhǔn)，螺紋配合間隙應(yīng)為0.12～0.25mm，而實(shí)際安裝時(shí)閥桿和閥桿套配合間隙為0.40～0.70mm，這就使得內(nèi)外螺紋接觸面積過小，螺紋受力時(shí)極易損壞，如圖5所示。

     圖5 損壞的閥桿軸頭螺紋             

圖6 斷裂的銷釘

（4） 圓柱銷材質(zhì)與設(shè)計(jì)不符

閥桿與閥桿套的定位圓柱銷材質(zhì)應(yīng)為C422，即2Cr12NiMo1W1V，而對斷裂的銷子（圖6）檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)際材質(zhì)為45鋼，材質(zhì)與設(shè)計(jì)不符，造成圓柱銷強(qiáng)度不夠，易發(fā)生損壞。

（5） 安裝工藝不當(dāng)

按要求，閥桿裝配時(shí),閥桿與閥桿套之間緊力矩為904N·m，但實(shí)際安裝時(shí)并未采用力矩扳手，就存在安裝緊力不足的可能；同時(shí)閥桿套上的銷孔大于閥桿上的銷孔，圓柱銷釘與閥桿套的間隙過大。該類型汽輪機(jī)汽門閥頭為球形，有較好的流量特性，但其閥座喉部的易出現(xiàn)壓力脈動(dòng)，造成閥桿垂直或橫向振動(dòng)，產(chǎn)生汽流激振，在此影響下，閥桿發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，加劇閥桿套螺紋磨損，磨損后軸向間隙進(jìn)一步擴(kuò)大，在振動(dòng)的影響下，固定銷釘承受交變應(yīng)力的作用，長時(shí)間后發(fā)生銷釘彎曲甚至金屬疲勞斷裂。安裝時(shí)如螺紋上有毛刺等缺陷，也可能造成安裝時(shí)螺紋的咬死，使得螺紋緊力達(dá)到而接觸端面未受力，在運(yùn)行中螺紋也會(huì)受力而損壞。

4 處理方法

機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿松脫現(xiàn)象可以將其產(chǎn)生的危害降到最低，加強(qiáng)相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)、尤其是汽門開度、軸承金屬溫度與轉(zhuǎn)子振動(dòng)等數(shù)據(jù)的檢查與對比可以發(fā)現(xiàn)閥桿松動(dòng)異常，及時(shí)處理，避免事故擴(kuò)大。另外，閥桿與閥桿套之間的相對位置進(jìn)行標(biāo)記，可以幫助觀察兩者之間是否發(fā)生相對位移，有助于對事故的判斷。閥桿脫落后，如能夠確認(rèn)它可以正常關(guān)閉，可以采取臨時(shí)固定措施，保持它在一定范圍內(nèi)開關(guān)，而不影響機(jī)組的正常運(yùn)行，并擇機(jī)處理。

汽輪機(jī)檢修時(shí)，安裝前要檢查確認(rèn)閥桿和閥桿套配合螺紋間隙符合要求，確保各部件材質(zhì)無誤，連接螺紋應(yīng)光潔無毛刺等缺陷。在安裝時(shí)嚴(yán)格按照緊力要求，將閥桿緊固到位，同時(shí)進(jìn)行著色檢查，確保閥桿軸頭端面與閥桿套底孔接觸面積不小于80%。如閥桿銷孔與閥桿套銷孔錯(cuò)位，則可采取在閥桿端面與閥桿套底孔之間加墊片的方法。在銷孔基本不錯(cuò)口的情況下，重新鉸孔并配裝銷子，保證閥桿套、閥桿的銷孔與圓柱銷的配合間隙為0～0.01mm。在檢修中如未更換閥桿套和閥桿，在銷孔錯(cuò)口無法調(diào)整到位的情況下，可以在與原銷孔90o方向重新打孔并配裝銷釘。該機(jī)組長期運(yùn)行結(jié)果表明，經(jīng)上述處理后，汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥桿脫落現(xiàn)象基本消失。

5 結(jié)論與建議

高壓調(diào)節(jié)閥閥桿脫落現(xiàn)象在不同類型國產(chǎn)600MW等級(jí)汽輪機(jī)組上均有發(fā)生，在新投產(chǎn)的機(jī)組上更為常見，首次脫落一般發(fā)生在新機(jī)組投產(chǎn)一年半左右，這個(gè)問題應(yīng)引起各方面的重視，加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視與分析，制定好相應(yīng)事故預(yù)案，防止因閥桿脫落導(dǎo)致機(jī)組停運(yùn)甚至燒瓦等惡性事故的發(fā)生。汽門檢修時(shí)，應(yīng)對上述各個(gè)問題進(jìn)行檢查，嚴(yán)格執(zhí)行安裝工藝，保證安裝質(zhì)量，采用更為合理的閥門連接方式，以徹底避免產(chǎn)生螺紋損壞造成閥桿脫落。