1設(shè)備簡(jiǎn)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(lái)了極大的威脅，據(jù)了解，國(guó)內(nèi)其它電廠同類(lèi)型機(jī)組也多次出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)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(wèn)題曾經(jīng)困擾電廠多年，隨著閥門(mén)結(jié)構(gòu)、材料與工藝的改進(jìn)，小型汽輪機(jī)上這類(lèi)事故已很少出現(xiàn)，但近年來(lái)國(guó)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(guò)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(duì)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(lái)的脈沖指令，負(fù)荷變化6MW，相對(duì)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(duì)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(duì)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(jiàn)，該機(jī)組切到單閥方式運(yùn)行。
仔細(xì)分析故障過(guò)程數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在減負(fù)荷過(guò)程中，GV2開(kāi)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(kāi)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(duì)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(kāi)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(kāi)度分另為100%、30%、0、100%。
由此可見(jiàn)，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(kāi)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)位移，如圖2所示。隨后，在將GV2關(guān)閉過(guò)程中，機(jī)組負(fù)荷沒(méi)明顯變化，但只能將其關(guān)到13%左右開(kāi)度，無(wú)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(xiāo)子斷裂。
圖2 GV2閥桿與油動(dòng)機(jī)發(fā)生相對(duì)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(zhǎng)達(dá)半月之久的時(shí)間來(lái)完成松動(dòng)、扭曲與脫落這一過(guò)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(mén)開(kāi)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(duì)閥桿套發(fā)生扭動(dòng)時(shí)，一般情況下起固定作用的銷(xiāo)釘已經(jīng)斷裂，可觀察到斷裂的銷(xiāo)釘突出在銷(xiāo)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(mén)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(mén)全開(kāi)的情況下，可以看到閥桿與閥桿套之間存在明顯相對(duì)位移。
圖3表明為該機(jī)組汽門(mén)閥桿與油動(dòng)機(jī)接合處的結(jié)構(gòu)。閥桿與閥桿套通過(guò)螺紋連接，連接后配裝銷(xiāo)釘（φ12×120），銷(xiāo)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(duì)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(guò)一半，閥桿與連接套之間的圓柱銷(xiāo)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(guò)大向上或向下的拉力作用造成連接螺紋及銷(xiāo)子損壞是閥桿脫落的直接原因，而圓柱銷(xiāo)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(mén)閥桿套底孔
為保證汽輪機(jī)打閘停機(jī)時(shí)能各汽門(mén)能夠快速關(guān)閉，油動(dòng)機(jī)彈簧的作用力需通過(guò)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(xiāo)釘。但對(duì)閥桿脫落的汽門(mén)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(mén)關(guān)閉時(shí)彈簧巨大的沖擊力直接作用在連接螺紋和銷(xiāo)釘上，造成連接螺紋和銷(xiāo)子的損壞。
（2）連接螺紋配合間隙過(guò)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(guò)小，螺紋受力時(shí)極易損壞，如圖5所示。
（4）圓柱銷(xiāo)材質(zhì)與設(shè)計(jì)不符
閥桿與閥桿套的定位圓柱銷(xiāo)材質(zhì)應(yīng)為**22，即2Cr12NiMo1W1V，而對(duì)斷裂的銷(xiāo)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(xiāo)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(xiāo)孔大于閥桿上的銷(xiāo)孔，圓柱銷(xiāo)釘與閥桿套的間隙過(guò)大。該類(lèi)型汽輪機(jī)汽門(mén)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(xiāo)釘承受交變應(yīng)力的作用，長(zhǎng)時(shí)間后發(fā)生銷(xiāo)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、600MW汽輪機(jī)高壓調(diào)節(jié)閥閥桿脫落處理方法
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(mén)開(kāi)度、軸承金屬溫度與轉(zhuǎn)子振動(dòng)等數(shù)據(jù)的檢查與對(duì)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(duì)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(duì)位移，有助于對(duì)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(kāi)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(wú)誤，連接螺紋應(yīng)光潔無(wú)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(xiāo)孔與閥桿套銷(xiāo)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(xiāo)孔基本不錯(cuò)口的情況下，重新鉸孔并配裝銷(xiāo)子，保證閥桿套、閥桿的銷(xiāo)孔與圓柱銷(xiāo)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(xiāo)孔錯(cuò)口無(wú)法調(diào)整到位的情況下，可以在與原銷(xiāo)孔90o方向重新打孔并配裝銷(xiāo)釘。該機(jī)組長(zhǎng)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(lèi)型國(guó)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(jiàn)，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(wèn)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(mén)檢修時(shí)，應(yīng)對(duì)上述各個(gè)問(wèn)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(mén)連接方式，以徹底避免產(chǎn)生螺紋損壞造成閥桿脫落。
來(lái)源：汽機(jī)監(jiān)督