背壓機(jī)組調(diào)節(jié)汽閥閥桿斷裂原因分析及防范對(duì)策

劉建軍

（寶鋼集團(tuán)八鋼有限公司能源中心熱力分廠，新疆 烏魯木齊 830022）

0 引言

調(diào)節(jié)汽輪機(jī)的功率，主要通過改變進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽流量來實(shí)現(xiàn)，完成這個(gè)任務(wù)的機(jī)構(gòu)稱為配汽機(jī)構(gòu)，它由調(diào)節(jié)汽閥和帶動(dòng)它的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩部分組成。為保證汽輪機(jī)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，調(diào)節(jié)汽閥要滿足能自由啟閉不卡澀、不漏汽，流量特性好，不易損壞工作可靠等要求。因此，對(duì)調(diào)節(jié)汽閥斷裂原因進(jìn)行研究，對(duì)提高背壓發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行有很大意義。

1 背壓發(fā)電機(jī)組概況及閥桿斷裂事故重現(xiàn)

八鋼公司熱力廠投運(yùn)有一臺(tái)單缸、中壓、沖動(dòng)式背壓發(fā)電機(jī)組，機(jī)組型號(hào)為B12～3.43/0.981.機(jī)組主運(yùn)行參數(shù)如下：額定主汽壓力為3.43MPa，額定主汽溫度為435℃，排汽壓力為0.981MPa，機(jī)組最大進(jìn)氣量217t/h，背壓壓力調(diào)節(jié)范圍為0.6～1.2MPa 之間。汽輪機(jī)配汽主要有7 只調(diào)節(jié)汽閥調(diào)整。

背壓機(jī)組在正常運(yùn)行過程中突然跳機(jī)，查后臺(tái)綜保裝置顯示“發(fā)變組故障非電量保護(hù)”動(dòng)作跳機(jī)，當(dāng)時(shí)機(jī)組電負(fù)荷為9MW，進(jìn)汽量190t/h，調(diào)節(jié)汽門閥位95%。對(duì)機(jī)組跳機(jī)前運(yùn)行參數(shù)、設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)除該機(jī)組南側(cè)調(diào)節(jié)汽閥閥桿斷裂外，其余狀態(tài)均正常。

現(xiàn)場(chǎng)拆解調(diào)節(jié)汽閥組件，發(fā)現(xiàn)機(jī)組北側(cè)閥桿在汽缸進(jìn)汽室內(nèi)部發(fā)生了斷裂（閥桿斷面見圖1、圖2）。確定了機(jī)組跳機(jī)本因?yàn)楦哒{(diào)門閥芯整體下落關(guān)閉，機(jī)組進(jìn)汽中斷造成非電量保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)，閥桿更換后開機(jī)正常。

圖1

圖2

2 調(diào)節(jié)汽閥閥桿斷裂常規(guī)檢查

2.1 通過對(duì)對(duì)斷裂部位的檢查，發(fā)現(xiàn)南側(cè)閥桿斷口為閥桿與上部連接塊絲扣連接處的最后一扣，北側(cè)閥桿斷口為閥桿與進(jìn)汽室內(nèi)閥梁絲扣連接處的第一扣。兩處斷裂的部位均為閥桿的截面突變部位，該部位在結(jié)構(gòu)上屬于應(yīng)力集中的位置，相對(duì)于其它部位更容易發(fā)生斷裂。

2.2 觀察南側(cè)閥桿斷口斷面，發(fā)現(xiàn)在斷面上有一半為舊斷口，一半為新斷口，舊斷口面上有明顯的相互擠壓、摩擦痕跡。而觀察北側(cè)閥桿斷口，因斷裂處處于進(jìn)汽室，受高溫蒸汽作用已不能判斷此斷面是否有舊的斷裂痕跡，但通過斷口沒有材料相互擠壓的摩擦痕跡來看，可確定為一次性斷裂。

2.3 使用手持式光譜儀對(duì)兩根斷裂閥桿進(jìn)行化學(xué)元素檢測(cè)，具有合金成分。聯(lián)系廠家確認(rèn)此閥桿使用材質(zhì)為35CrMo，符合GB8732-2004《汽輪機(jī)葉片用鋼》標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 調(diào)節(jié)汽閥閥桿斷裂原因分析

閥桿斷裂的原因是多方面的，通過常規(guī)檢查排除了閥桿材質(zhì)和性能原因，主要結(jié)合調(diào)節(jié)閥的運(yùn)行情況、閥桿加工、應(yīng)力集中等情況進(jìn)行分析。

3.1 應(yīng)力集中

高壓調(diào)節(jié)汽門閥桿根部螺紋處的直徑與閥桿相同，螺紋根部加工尖角較嚴(yán)重，此變截面處形成了較大的應(yīng)力集中部位，這是閥桿從這一部位斷裂的直接原因。從該機(jī)組南北斷面情況來看，因背壓機(jī)組運(yùn)行工況變化頻繁，長(zhǎng)期在交變應(yīng)力情況下運(yùn)行，南側(cè)閥桿率先出現(xiàn)裂紋，當(dāng)完全斷裂后，北側(cè)的閥桿因承受不住高調(diào)門閥梁加上7 個(gè)閥芯大約在200～250kg 的總質(zhì)量，而突然折斷。最終導(dǎo)致整組閥芯下落，機(jī)組跳機(jī)。

3.2 閥桿共振

因受新疆冬、夏兩季熱用戶變化大的情況影響，背壓機(jī)組在供暖期結(jié)束后就進(jìn)入到低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，高壓調(diào)節(jié)汽門一直在較大的節(jié)流狀態(tài)下工作。汽流進(jìn)入高壓調(diào)節(jié)汽門時(shí)在閥體內(nèi)產(chǎn)生擾動(dòng)，汽流通過汽閥受阻后形成漩渦。當(dāng)汽流的脈動(dòng)壓力頻率和閥桿的固有頻率一致時(shí)，將產(chǎn)生共振。共振發(fā)生時(shí)閥碟會(huì)有強(qiáng)烈的橫向和縱向振動(dòng)，造成了閥桿的竄動(dòng)、偏斜或旋轉(zhuǎn)。該閥桿斷裂前機(jī)組保持低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)六個(gè)月之久，極易造成閥桿的長(zhǎng)期低頻振動(dòng)，使閥桿端部螺紋這一應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞紋源，從而在不斷擴(kuò)展中最終閥桿斷裂。

3.3 氮化處理

制造廠家在閥桿表面熱處理時(shí)，一般采用通過氮化處理的方式將閥桿的耐磨性能和整體抗疲勞性能提高。但是閥桿經(jīng)過氮化處理后，脆性較大，而且氮化處理是整個(gè)閥桿表面進(jìn)行的，沒有考慮到閥桿絲扣處因變徑及螺紋尖角造成的應(yīng)力集中，因此機(jī)組低負(fù)荷下閥桿發(fā)生振動(dòng)時(shí)，此處易發(fā)生斷裂。

4 防范對(duì)策

4.1 在不調(diào)整調(diào)節(jié)汽門重疊度的情況下，采取手段增加熱用戶負(fù)荷。八鋼公司新上低溫余熱發(fā)電項(xiàng)目，使該機(jī)組負(fù)荷能力從3MW 提升到8MW 左右，改變了機(jī)組處于低負(fù)荷運(yùn)行的狀態(tài)。

4.2 與制造廠家聯(lián)系，適當(dāng)增大閥桿根部螺扣部位的直徑，盡量避免避免閥桿各變徑部位及螺紋根部出現(xiàn)尖角，并盡量降低各部位表面粗糙度，改善整個(gè)閥桿的應(yīng)力集中情況。

4.3 從生產(chǎn)操作上提高運(yùn)行控制要求，對(duì)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)調(diào)整細(xì)化，減小機(jī)組負(fù)荷增減幅度。在機(jī)組年修時(shí)對(duì)汽輪機(jī)閥桿等零部件的截面突變部位重點(diǎn)檢查，做好提前量工作。

5 結(jié)束語

高壓調(diào)節(jié)汽門閥桿斷裂，輕則影響機(jī)組發(fā)電和供熱，增加機(jī)組檢修費(fèi)用和工作量，重則若因高壓調(diào)節(jié)汽門關(guān)閉不嚴(yán)，則會(huì)發(fā)生汽輪機(jī)超速飛車危險(xiǎn)。因而必須引起生產(chǎn)足夠的重視，在設(shè)置上要緊密結(jié)合機(jī)組特性，系統(tǒng)全面地考慮各種可能因素，同時(shí)要加強(qiáng)機(jī)組各環(huán)節(jié)的維護(hù)，以確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免此類事故的發(fā)生。

［1］專著：遼寧省電力工業(yè)局,編.汽輪機(jī)運(yùn)行[M].北京:中國電力出版社,2003.10.

［2］GB8732-2004 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):汽輪機(jī)葉片用鋼[S].