核電廠汽輪機(jī)再熱主汽門故障分析及處理

葉 凱 周靄琳

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

0 引言

國內(nèi)某核電廠汽輪機(jī)閥門包含：4個(gè)主汽門、4個(gè)調(diào)門、4個(gè)再熱主汽門和4個(gè)再熱調(diào)門。汽輪機(jī)閥門的主要作用是在正常速度/負(fù)荷控制條件下控制進(jìn)入汽機(jī)的蒸汽流量，進(jìn)而達(dá)到控制汽機(jī)功率的目的，并在汽機(jī)甩負(fù)荷時(shí)快速截?cái)嗾羝髁?，以防止汽輪發(fā)電機(jī)超速，在電站運(yùn)行中起到非常重要的作用[1-3]。主汽門位于主蒸汽管道上，用于快速截?cái)噙M(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量，防止汽輪機(jī)超速；調(diào)門位于主汽門之后，其作用是控制進(jìn)汽量以調(diào)節(jié)汽機(jī)功率，以及在甩負(fù)荷時(shí)快速截?cái)嗾羝髁?；在每個(gè)低壓缸進(jìn)汽管上布置了一個(gè)由再熱主汽門和再熱調(diào)門組成的聯(lián)合汽門，簡稱中聯(lián)門，為防止汽輪機(jī)超速提供了第二道防線。

中聯(lián)門是硬密封蝶閥，再熱主汽門為開關(guān)型隔離閥，為常開閥。再熱調(diào)門有調(diào)節(jié)型和非調(diào)節(jié)型兩種：調(diào)節(jié)型（C/D）裝有液動(dòng)伺服閥，通過控制蒸汽流量以調(diào)節(jié)功率；非調(diào)節(jié)型（A/B）裝有電磁閥，為開關(guān)型隔離閥，二者可以獨(dú)立地進(jìn)行全行程動(dòng)作。

為保證汽輪機(jī)閥門始終具有安全的調(diào)節(jié)性能，每個(gè)月會(huì)進(jìn)行閥門全行程試驗(yàn)[4]。再熱主汽門和再熱調(diào)門共用一個(gè)閥體，試驗(yàn)時(shí)會(huì)一起進(jìn)行：即按下試驗(yàn)按鈕后，依次關(guān)閉再熱調(diào)門、再熱主汽門；松開試驗(yàn)按鈕后，依次打開再熱主汽門、再熱調(diào)門，整個(gè)過程開關(guān)正常、無卡澀且時(shí)間滿足要求，則試驗(yàn)合格。

1 缺陷描述

2018年2月1日，核電廠2#機(jī)組在執(zhí)行中聯(lián)門試驗(yàn)時(shí)，按下試驗(yàn)按鈕后再熱調(diào)門C正常關(guān)閉，再熱主汽門C關(guān)閉到80%開度后無法繼續(xù)關(guān)閉；松開試驗(yàn)按鈕后，再熱主汽門C開到97%開度，再熱調(diào)門C正常開啟。隨后進(jìn)行第二次試驗(yàn)，在按下試驗(yàn)按鈕后再熱調(diào)門C正常關(guān)閉，再熱主汽門C關(guān)閉到80%開度后無法繼續(xù)關(guān)閉；松開試驗(yàn)按鈕后，再熱主汽門C開到95%開度，再熱調(diào)門C正常開啟。再熱主汽門C試驗(yàn)失敗后，機(jī)械人員在驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)添加潤滑油后再試驗(yàn)四次，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，再熱調(diào)門C動(dòng)作正常，再熱主汽門C關(guān)閉過程中分別卡在80%、75%、74%、74%開度位置，開啟過程中卡在94%開度位置。多次試驗(yàn)失敗后，機(jī)組進(jìn)入技術(shù)規(guī)格書限制8小時(shí)。

為驗(yàn)證再熱主汽門C安全功能可靠，儀控人員在DEH工程師站強(qiáng)制再熱主汽門C快關(guān)信號(hào)，閥門從90%開度關(guān)閉到10%開度時(shí)間為0.2 s，快關(guān)時(shí)間滿足安全防護(hù)要求（驗(yàn)收準(zhǔn)則為≤0.33 s）。證明再熱主汽門C安全性能可靠，因此機(jī)組退出技術(shù)規(guī)格書限制。

表1 中聯(lián)門全行程試驗(yàn)記錄

2 原因分析

2.1 儀控部分原因

再熱主汽門C油動(dòng)機(jī)上配有三個(gè)儀控設(shè)備：快關(guān)電磁閥、試驗(yàn)電磁閥、遮斷閥。（1）若快關(guān)電磁閥故障，表現(xiàn)形式為無法快關(guān)，即關(guān)閉時(shí)間無法滿足安全防護(hù)要求，不會(huì)出現(xiàn)卡關(guān)或卡開；（2）試驗(yàn)電磁閥閥芯損傷或有油泥異物都會(huì)造成電磁閥閥芯卡澀，故障出現(xiàn)后更換了再熱主汽門C執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的試驗(yàn)電磁閥后再次試驗(yàn)，閥門仍無法正常全開或全關(guān)；（3）遮斷閥若故障，閥門無法打開，與現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)形式不同。因此，排除儀控因素引起再熱主汽門C卡澀的可能。

2.2 機(jī)械部分原因

機(jī)械因素從外觀目視檢查無法定性原因，因此，OT209大修時(shí)對(duì)再熱主汽門C進(jìn)行解體檢查，逐一排除可疑因素。

2.2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障

再熱主汽門開閥由油動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，關(guān)閥由彈簧驅(qū)動(dòng)。油動(dòng)機(jī)活塞環(huán)若密封不嚴(yán)會(huì)導(dǎo)致內(nèi)漏，造成出力不足無法全開閥門；若彈簧損壞，彈簧力不足以克服摩擦力而無法全關(guān)閥門。

缺陷后的強(qiáng)制快關(guān)說明彈簧性能符合要求。且大修時(shí)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)解體檢修，確認(rèn)各活塞組件、密封件完好，彈簧部件剛度及機(jī)械性能完好，因此排除執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障引起再熱主汽門C卡澀的可能。

2.2.2 閥門本體故障

（1）填料阻力增大

填料阻力過大將導(dǎo)致閥門動(dòng)作不靈活。再熱主汽門C的填料為石墨編織填料，石墨具有良好的潤滑作用、摩擦系數(shù)小，在此類油動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的閥門上填料阻力可忽略不計(jì)，因此排除。

（2）閥軸與閥體摩擦

如果閥軸與閥體之間發(fā)生摩擦，將導(dǎo)致閥軸轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大、閥門啟閉阻力增大、發(fā)生咬傷后會(huì)導(dǎo)致閥門開關(guān)不到位。解體后對(duì)閥軸與閥體進(jìn)行檢查，閥軸并無損傷，未發(fā)現(xiàn)二者之間明顯的摩擦痕跡，因排除閥軸與閥體摩擦導(dǎo)致再熱主汽門C的卡澀。

（3）閥板與閥體摩擦

蝶形閥板在軸向兩側(cè)與閥體接觸的部位若發(fā)生摩擦，將導(dǎo)致閥軸轉(zhuǎn)動(dòng)阻力增大、閥門關(guān)閉力矩增大，最終導(dǎo)致閥門關(guān)閉不到位。對(duì)再熱主汽門進(jìn)行解體檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的摩擦痕跡，銅鍥經(jīng)手錘輕輕敲擊，能夠輕易塞入閥板與閥體內(nèi)壁之間，無較大阻力，因此排除閥板與閥體摩擦導(dǎo)致再熱主汽門C的卡澀。

（4）軸承卡澀

軸承損壞或有異物都會(huì)導(dǎo)致軸承卡澀。

1）軸承損壞導(dǎo)致卡澀。該軸承為圓柱滾動(dòng)軸承，如果滾子碎裂、損壞將導(dǎo)致軸承轉(zhuǎn)動(dòng)受限，閥門無法開閉。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，該閥門可以快關(guān)，與此癥狀不相符。大修時(shí)對(duì)閥門解體檢查發(fā)現(xiàn)軸承部件無缺損，因此排除軸承損壞導(dǎo)致再熱主汽門C的卡澀。

2）異物導(dǎo)致軸承卡澀。滾動(dòng)軸承的異物，將導(dǎo)致軸承動(dòng)作不靈活。解體檢查發(fā)現(xiàn)再熱主汽門C軸承滾子間夾雜黑色油脂碳化物，手動(dòng)無法盤動(dòng)；加油嘴處有黃色乳化油變質(zhì)、硬化現(xiàn)象，油路堵塞嚴(yán)重；軸承室兩側(cè)密封用的O形圈變硬，解體時(shí)全部斷裂，推斷正是這些異物導(dǎo)致再熱主汽門C卡澀。

解體其他幾個(gè)汽門（再熱調(diào)門C、再熱主汽門D、再熱調(diào)門D）發(fā)現(xiàn)：打開軸承室后有黑色水跡流出，軸承室內(nèi)碳化物積累較再熱主汽門C少。結(jié)合以往啟停機(jī)期間常有中聯(lián)門兩端軸承室往外滲水現(xiàn)象，推測(cè)在啟停機(jī)期間有蒸汽通過盤根泄漏至軸承室，這些汽水混合物將軸承室內(nèi)的碳化物沖走、沒有堆積，故再熱調(diào)門C、再熱主汽門D、再熱調(diào)門D沒有因過多的碳化物、金屬銹蝕物等異物導(dǎo)致卡澀的問題。

3 失效機(jī)理分析

針對(duì)油脂碳化及O形圈斷裂問題，用紅外測(cè)溫儀測(cè)量了在運(yùn)行機(jī)組相同位置再熱主汽門C的軸承室內(nèi)端面、油嘴、軸承壓蓋處的溫度，通過熱傳導(dǎo)公式計(jì)算出軸承附近溫度，即潤滑油和O形圈的工作溫度，如表2所示。由于實(shí)際運(yùn)行中蒸汽會(huì)通過閥桿、填料函與填料間細(xì)小間隙泄露至軸承，因此軸承實(shí)際溫度會(huì)更高一些。

查詢維修規(guī)程及日常預(yù)維工單，所使用的O形圈為廠家推薦的丁腈橡膠（NBR），該材料在120℃情況下可以連續(xù)使用，150℃情況下短期使用，該O形圈材質(zhì)不合適；所添加的潤滑脂是皂基多用途工業(yè)潤滑脂Shell Alvania RL2（適用于-30～100℃），而廠家推薦使用是道康寧MOLYKOTE 41（適用于-18～290℃）。因此，現(xiàn)使用潤滑脂和O形圈均不適用于再熱主汽門C軸承室溫度。

失效機(jī)理：由于潤滑脂的型號(hào)不正確，不適用于再熱主汽門C軸承室工況（150～175℃），高溫使?jié)櫥蓟褰Y(jié)，碳化物夾雜在滾子之間，使軸承由滾動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)摩擦；長期運(yùn)行后，碳化物積累過多嚴(yán)重阻礙軸承滾動(dòng)。另外，由于O形圈材料不合適，長期運(yùn)行后O形圈老化失效，導(dǎo)致過多蒸汽從填料處泄漏至軸承室，不僅加速潤滑脂碳化，而且油水混合物會(huì)腐蝕軸承室內(nèi)部件；這些銹蝕物與碳化物堵塞軸承運(yùn)動(dòng)間隙，最終引發(fā)軸承卡澀導(dǎo)致閥門動(dòng)作異常。

表2 軸承溫度計(jì)算

4 改進(jìn)措施

檢查維修規(guī)程從0版（2005年發(fā)布）開始即存在該問題，預(yù)防性維修工單自2004年開始使用Shell Alvania RL2。潤滑脂為何從道康寧MOLYKOTE 41改為Shell Alvania RL2已無從查起。故維修文件存在錯(cuò)誤，導(dǎo)致維修過程中使用了錯(cuò)誤的潤滑脂，產(chǎn)成了碳化物，造成軸承卡澀，并最終導(dǎo)致再熱主汽門動(dòng)作不正常，故此因素為根本原因。廠家手冊(cè)推薦軸承潤滑脂使用道康寧MOLYKOTE 41（-18～290℃），滿足中聯(lián)門溫度下長期穩(wěn)定運(yùn)行。氟橡膠耐溫性高（0～200℃）且穩(wěn)定性好，因此糾正性措施為修改維修規(guī)程和預(yù)維工單中潤滑脂和O形圈材料。

5 結(jié)論

針對(duì)此次再熱主汽門C卡澀缺陷，進(jìn)行全面排查，準(zhǔn)確定位出根本原因是軸承潤滑脂選型不對(duì)，高溫使?jié)櫥蓟纬僧愇铮斐奢S承卡澀；促成因素是軸承室O形圈選型不當(dāng)，快速老化、密封失效，蒸汽進(jìn)入軸承室加速潤滑脂變質(zhì)。后續(xù)根據(jù)此次缺陷原因，修改了預(yù)維工單和維修規(guī)程，處理了設(shè)備缺陷，消除了設(shè)備隱患。為機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，對(duì)其他機(jī)組具有參考意義。