超臨界機組汽輪機高調(diào)閥浮起的原因分析與處理

曹 儂

（上海電氣電站集團工程公司，上海 201199）

0 引言

N660－24.2／566／566 型超臨界660 MW 中間再熱凝汽式汽輪機中，主汽進汽閥采用的是當前國內(nèi)外超臨界機組大多采用的主汽一體閥，即主汽閥和高調(diào)閥合并而成的一體閥。為避免高調(diào)閥閥座浮起，目前對閥座主要在3 個方面進行了改進：1）閥座材料由10325PJ 或12 CrMo 改為X10CrMoVNb9-1［1-2］；2）閥座高度由79.5 mm 增加到109.5 mm［3-4］；3）閥座與閥殼間的過盈量由0.11 mm 增加到0.23 mm［5］，一部分增加到0.28 mm［6］甚至0.30 mm［7］。但是，目前對高調(diào)閥的松動、浮起甚至閥桿斷裂［8-9］等問題還有認識的盲點。以某工程高調(diào)閥故障問題為例進行故障的原因分析及處理，提出調(diào)試、安裝、運行、維修等方面的要求，為今后此類故障的處理提供參考。

1 高調(diào)閥故障現(xiàn)象

工程首臺機組為3 號機組，在2013 年8 月底開始投入商業(yè)運行，2017 年5 月中旬首次發(fā)現(xiàn)高調(diào)閥調(diào)節(jié)異常情況。這種情況陸續(xù)在其他機組出現(xiàn)。高調(diào)閥調(diào)節(jié)異常情況如下。

啟動階段。在汽輪機沖轉(zhuǎn)的閥切換過程中，常見的高調(diào)閥故障有高調(diào)閥開度在15%以上的拒動，或者出現(xiàn)汽量時大時小，引起汽機轉(zhuǎn)速失控，最終至閥切換不成功的情況。需要說明的是，上述拒動與帶負荷高調(diào)閥拒動不同，后者可通過改變進汽方式來解決［10］。

運行階段。在近高調(diào)閥處聽到金屬的撞擊聲［11］，提示可能出現(xiàn)閥座浮起。而閥座浮起可能導致閥座下面的閥殼突起，會阻礙汽流的通道。在相同負荷下，閥前壓力會升高，高調(diào)閥也隨之開度增大。若高調(diào)閥處于全開狀態(tài)，則說明該高調(diào)閥閥座已經(jīng)浮起并損壞。

停機階段。高調(diào)閥關(guān)閉時仍有10%以上的開度，內(nèi)漏嚴重，汽機惰走時間較前延長。閥殼外的銷子末端磨損、變短、松動或脫落。

解體階段。高調(diào)閥閥殼朝內(nèi)表面?zhèn)壤L，閥座外表面變形，閥座收縮變形并向中心突出，口徑變小。閥座與閥殼間隙變大。閥蝶球面變形有突起。

2 汽輪機高調(diào)閥結(jié)構(gòu)和材料

2.1 汽輪機高調(diào)閥結(jié)構(gòu)

汽輪機在汽機平臺上有2 個主汽一體閥，分兩側(cè)水平布置。單個主汽一體閥由1 個主汽閥（圖中左側(cè)）和2 個高調(diào)閥（圖中右側(cè)）組成，如圖1 所示。

圖1 汽輪機主汽一體閥結(jié)構(gòu)

圖1 中左側(cè)主汽閥，蒸汽自下而上進入，當主汽閥閥桿水平向左運動時，主汽閥打開，蒸汽從左側(cè)的主汽閥進入右側(cè)高調(diào)閥腔室。2 個高調(diào)閥豎直平行布置，高調(diào)閥閥桿上下運動來控制進入汽機噴嘴室的流量，從而達到最終控制機組負荷的目的。

高調(diào)閥結(jié)構(gòu)如圖2 所示，自下而上依次主要由閥殼、閥座、閥蝶、閥桿、閥桿套、油動機活塞連桿、彈簧等組成。

閥座與閥殼通過過盈配合連接，并通過閥殼外的2 個銷子鎖緊，對閥座和閥殼起到固定和防旋轉(zhuǎn)的作用。閥桿底部與閥蝶呈螺紋連接，如圖3 所示，D6為閥座與閥殼的過盈量。

高調(diào)閥閥桿上部與油動機連桿下部通過閥桿套連接，閥桿與油動機連桿間存有固定間隙，可緩沖套筒內(nèi)的閥桿間、閥座與閥蝶間的高強度沖擊。這一間隙在油動機油缸內(nèi)對應(yīng)有一個末端緩沖區(qū)，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖2 汽輪機主汽一體閥內(nèi)高調(diào)閥結(jié)構(gòu)

圖3 閥座與閥殼間的過盈配合量

圖4 油動機油缸內(nèi)的緩沖區(qū)

2.2 汽輪機高調(diào)閥材料

傳統(tǒng)閥座材料為10325PJ/12CrMo 的珠光體合金鋼，而該工程用10CrMoVNi9-1 的馬氏體合金鋼代替原先的材料，因為后者可塑性更小且有較小的蠕變變形。而閥殼材料一般都是Cr，Mo，V 合金鋼（或10315AP）［12］，且已被廣泛應(yīng)用，因此不需要更改。工程使用的高調(diào)閥材料特性如表1 所示。

表1 汽輪機組高調(diào)閥的材料特性

3 汽輪機高調(diào)閥設(shè)計

制造商在出廠前已按照安裝工藝要求將閥座與閥殼組裝完成，所以兩者間的過盈量、閥座高度和材料已經(jīng)固定。該工程采用閥座與閥殼的過盈量為0.19～0.23 mm，閥座高度為109.5 mm。高調(diào)閥的其他組件則在現(xiàn)場由安裝單位根據(jù)圖紙要求復(fù)裝。

3.1 閥座內(nèi)外溫度梯度

閥座與閥殼接觸緊密，因此在穩(wěn)態(tài)條件下閥座溫度接近閥殼界面溫度。由于蒸汽的節(jié)流作用，閥座受蒸汽影響較閥殼大，這會使得閥座的表面自內(nèi)而外和自上而下都存在溫度梯度。閥座上的溫度梯度會在圓周方向產(chǎn)生較大的軸向和徑向熱應(yīng)力。

這種熱應(yīng)力是閥座內(nèi)外壁溫差的函數(shù)。主汽溫度變化梯度越大，閥座與閥殼間的熱應(yīng)力變化也越大。在高溫高壓下，這種熱應(yīng)力會隨著時間的延長使得材料失去強度，破壞蠕變性能，從而導致閥座和閥殼內(nèi)表面塑性變形，并消耗掉其間的過盈量［13］。如果溫差持續(xù)超限，將導致閥座與閥殼間出現(xiàn)間隙而松動。另外，在蒸汽的沖擊和閥蝶接觸性撞擊下，一旦閥座浮起，閥蝶與閥座的撞擊也會加劇它們各自的變形和損害，如圖5 所示。

圖5 現(xiàn)場高調(diào)閥解體后閥座、閥蝶損壞

3.2 閥座高度

若閥座高度太小，會導致閥座與閥殼的接合面小。若其間的過盈量也偏小，則會使閥座松動而浮起。實踐表明：以往使用的閥座高度為79.5 mm，其閥座與閥殼間的結(jié)合面不夠，需要增加30 mm 使得閥座高度為109.5 mm，以確保使用的適宜性和安全 性［3-4］。

3.3 閥座與閥殼的過盈量

根據(jù)制造廠對蒸汽溫升／溫降速率的要求：運行最大溫升／溫降為120 ℃／h。在這種情況下，認為D6應(yīng)為0.19～0.23 mm，若D6過大，閥座的內(nèi)應(yīng)力也較大，雖然閥座與閥殼間不會松動，但是閥座受到高溫高壓的蒸汽沖擊會增大內(nèi)應(yīng)力，可能出現(xiàn)裂紋甚至破碎。

4 汽輪機高調(diào)閥安裝要求

如前文所述，工程所用高調(diào)閥閥座的高度為109.5 mm，過盈量D6為0.19～0.23 mm，閥座與閥殼的材料如表1 所示，這些是確保閥座不松動、不浮起的基本條件。

若閥桿與閥桿套間隙偏大會引起閥桿振動，甚至斷裂。若該間隙偏小則對閥座和閥桿的沖擊磨損增大，導致變形。

安裝時，為保證閥桿的自由間隙，要求先將閥門關(guān)閉，讓油動機連桿自然下垂與閥桿對接，一般油動機連桿和高調(diào)閥閥桿間存有間隙約4 mm。然后將油動機連桿上提6 mm，即油缸活塞從底部上移6 mm，這樣油動機連桿下端與閥桿上端的閥桿自由間隙為10 mm。

此時，可由工廠或廠家提供的墊片厚度調(diào)整至10 mm，并插入此間隙中，再固定油動機連桿、套筒和閥桿，以此作為閥門關(guān)閉后的最后位置。圖6 為閥座自由間隙中填塞的墊片位置。

圖6 閥座自由間隙墊片位置

5 汽輪機高調(diào)閥調(diào)試與運行要求

高調(diào)閥的控制方式為：油動機注油開，彈簧下壓關(guān)，并且通過注油油量來控制高調(diào)閥的開度。

5.1 汽輪機的相關(guān)試驗操作要求

汽輪機高調(diào)閥關(guān)閉時間的測定。調(diào)試期間，要進行高調(diào)閥關(guān)閉時間測定試驗，以確定閥門關(guān)閉時間是否符合廠家要求。否則，會引起汽機超速而出現(xiàn)事故。由于末端緩沖區(qū)的存在，在高調(diào)閥關(guān)閉時，現(xiàn)場應(yīng)該聽到的是油擠壓聲而不是金屬撞擊聲。聽聲音也是判斷高調(diào)閥的閥桿自由間隙調(diào)整是否到位的方式之一。

高調(diào)閥松動試驗。在做高調(diào)閥松動試驗時，要確保閥門的指令、反饋和現(xiàn)場的閥位一致，并做好原始記錄。若高調(diào)閥的調(diào)節(jié)或關(guān)閉有異常，即閥門浮起或機械松動，會使汽機轉(zhuǎn)速、功率和調(diào)頻等響應(yīng)性能下降。此時，就可比對原始記錄，一般高調(diào)閥浮起時，閥桿會比正常情況上升5 mm 以上。

5.2 汽輪機在運行時的操作控制

根據(jù)廠家設(shè)計，在同側(cè)主汽一體閥內(nèi)，2 個高調(diào)閥的側(cè)面分別有1 個外壁金屬溫度熱電偶和1 個內(nèi)壁金屬溫度熱電偶用以測量閥殼內(nèi)、外壁金屬溫度，如圖7 中X 點所示。2 個測溫點分別布置在2 個調(diào)閥上，左側(cè)X1為外壁金屬溫度，右側(cè)X2為內(nèi)壁金屬溫度。

圖7 高調(diào)閥上的金屬壁溫測點X 位置

在穩(wěn)定負荷運行下，閥殼和閥座的溫差較小，但在快速變負荷時，兩點的溫差很大?！?60 MW 超臨界機組使用操作手冊》 提供了高調(diào)閥汽室內(nèi)表面金屬溫度Ts與閥座內(nèi)壁溫度T2、外壁溫度T1間的關(guān)系，如式（1）所示，以此規(guī)定啟動中閥切換的條件，即Ts大于主汽壓下的飽和溫度，此時，用Ts作為最低主汽門前溫度。

高調(diào)閥閥座內(nèi)壁溫度T2在200 ℃時，溫差可容許120 ℃；T2=300 ℃時，容許溫差108 ℃；T2=400 ℃，容許溫差96 ℃；T2=500 ℃，容許溫差83 ℃。

該工程6 臺超臨界機組的高調(diào)閥屢次發(fā)生閥座浮起問題，而同類機組的B 電廠自2013 年底2 臺機組都投入商業(yè)運行，至2019 年從未出現(xiàn)高調(diào)閥異?，F(xiàn)象。表2 為該工程5 號機與B 電廠同類型的4 號機在啟停階段閥座內(nèi)外壁溫對比記錄。

該工程5 號機停機惰走狀態(tài)，外壁溫度為502 ℃，內(nèi)壁溫度為364.68 ℃，最大溫差達到137.68 ℃，超過容許溫差54 ℃。5 號機啟動后，有2 次溫差較大：內(nèi)壁T2分別為336 ℃和417 ℃，外壁T1分別為221.98 ℃和300.75 ℃，溫差均超過了容許溫差。在4 天內(nèi)，5 號機在啟、停階段的溫差均超過容許溫差上限。

通過實際調(diào)查并檢查B 電廠4 號機的跳機、啟機以及檢修記錄，查到內(nèi)外壁溫差記錄最大值為68.81 ℃，發(fā)生在轉(zhuǎn)速為2 350 r／min 處。由此可見，控制閥座內(nèi)外壁的溫差是避免閥座松動、浮起的一個重要手段。

5.3 汽輪機運行要求

閥座的損壞隨著應(yīng)力疲勞、溫度、時間、腐蝕、磨損的繼續(xù)而持續(xù)惡化。這種惡化也隨著運行參數(shù)的瞬間巨變而更加劇烈。

啟動階段。沖轉(zhuǎn)前，要確保主汽閥前主汽溫度高于高調(diào)閥汽室內(nèi)壓力的飽和溫度20 ℃以上，以避免蒸汽帶水造成閥座金屬溫度突降。沖轉(zhuǎn)中要嚴密監(jiān)視閥座金屬內(nèi)外壁溫度，溫差不可過限?？刂浦髌麥厣?、溫降速率小于2 ℃／min（冷態(tài)）。任何情況下都不得減少規(guī)定的中速暖機時間，一旦發(fā)現(xiàn)溫升降率過大，要延長暖機時間。

帶負荷階段。嚴格控制負荷升、降率小于1.5%／min，同時監(jiān)視閥座金屬內(nèi)外壁溫差在要求范圍以內(nèi)。

停機階段。監(jiān)視閥座壁溫差，按規(guī)程要求不早停役軸封供汽和盤車。嚴禁檢修前過早拆除主汽閥/高調(diào)閥本體的保溫。因此，不建議在停機中使用快冷方式。

實踐證明，在啟動階段的閥切換、剛并網(wǎng)時及停機降負荷至零的階段，閥座的內(nèi)外壁溫差是最大的。因此，按規(guī)程控制汽溫的升溫、降溫速率是運行中避免閥座松動的關(guān)鍵因素。當然，減少非計劃停機的次數(shù)也是一個控制因素。

表2 工程5 號機與B 電廠4 號機啟停階段壁溫對比

6 汽輪機高調(diào)閥維修要求和注意事項

閥座和閥殼的安裝工藝和焊接工藝要求均較高，如果在現(xiàn)場完成修復(fù)工作，需要施工人員具有較高的技術(shù)和修復(fù)水平并按設(shè)計要求達到施工精度。

6.1 高調(diào)閥浮起后的修復(fù)要求

高調(diào)閥解體，需要首先將主汽閥解體。考慮到維修人員需要在閥內(nèi)工作，應(yīng)對主汽閥進口管和高調(diào)閥出口管道進行封堵，一般用海綿外包布把管道塞緊，既便于清理后去除，又能承擔鏜孔、焊接、研磨等工序中產(chǎn)生的雜物。

舊閥座取出。對高調(diào)閥的閥座底部進行封堵后，先取出閥殼外的銷子，再用專用工具植入閥座下方并貼住閥座，最后用木棒或銅棒敲擊閥座外緣使其歸中。此時可上提工具拉桿（或用千斤頂與輔助工具組合）將閥座從閥殼內(nèi)取出。

新閥座加工。新閥座外徑 （考慮了過盈量，如0.19～0.23 mm）的同心度和橢圓度的精度≤0.02 mm，閥殼內(nèi)表面的加工精度也≤0.02 mm。需確認新閥座的高度為109.5 mm，精度要求同上。最后，清理研磨后的雜物。

新閥座回裝。在汽機平臺近高調(diào)閥的平整地上，將新閥座置于液氮內(nèi)冷縮40～50 min，同時對閥殼外側(cè)對應(yīng)閥座區(qū)域用氧乙炔槍由4 個人同時從4 個方向（見圖8）加熱至200 ℃左右，使閥座安裝孔膨脹變大。再盡快將冷縮后的閥座回裝，并檢查閥座與閥殼嚴絲合縫并對中合格，用工裝壓板壓緊至閥座恢復(fù)常溫，防止閥座恢復(fù)時膨脹浮起。

新閥座施焊與研磨、清理。對閥座與閥殼的上端配合外緣進行全周施焊，最后對閥殼外的2 個定位銷進行定位并點焊以防止松動。為了保證維修后閥門的嚴密性，對閥座密封面現(xiàn)場重新進行研磨。研磨合格后，清理高調(diào)閥內(nèi)外雜物，最后重新組裝高調(diào)閥和主汽閥各部件，至此，維修結(jié)束。

圖8 閥座示意圖

6.2 維修處理和注意事項

高調(diào)閥閥殼上的銷子有兩個作用：一是定位，二是防旋轉(zhuǎn)。建議加大銷子的直徑，可選擇直徑為18～22 mm 的銷子來抵御金屬蠕變疲勞，并延長其使用壽命。

閥座的維護要保證閥座高度、過盈配合量的要求值和加工精度?；匮b高調(diào)閥要保證閥桿、套筒的徑向間隙符合圖紙要求，特別是閥桿軸向自由間隙應(yīng)大于6 mm，并填充工廠配置的墊片。

7 經(jīng)濟效益分析

高調(diào)閥閥座的松動、浮起，會產(chǎn)生機組負荷不穩(wěn)定和失控，最終導致機組停機。660 MW 超臨界機組的一次重新啟動，《660 MW 超臨界電廠鍋爐使用說明書》提到冷態(tài)啟動到滿負荷至少7 h，按此計算會導致發(fā)電量損失462 萬kWh。此時，還沒計算停機后到處理完成的時間段所造成的發(fā)電量損失。因此，避免高調(diào)閥閥座的浮起停機，可避免非計劃停機檢修給電廠帶來的巨大經(jīng)濟損失［14］。

8 結(jié)語

解決高調(diào)閥閥座浮起問題，不僅要從設(shè)計、制造方面查找原因，確保材料、閥座高度和過盈量等達到標準，還要從閥門未發(fā)生松動、浮起前的控制因素入手，比如對安裝高調(diào)閥閥桿自由間隙進行調(diào)整、對高調(diào)閥關(guān)閉時間進行測定、對機組啟停及變負荷運行時的閥座金屬溫差進行控制等，可以有效避免機組因高調(diào)閥的閥座浮起而引起的非停問題。