主汽門閥桿密封引起的真空泄漏案例分析與治理

劉凌 張懋欣 徐釗 張胤

上海上電漕涇發(fā)電有限公司

0 概述

上海漕涇電廠2×1000MW機(jī)組汽輪機(jī)主機(jī)型號(hào)N1000-26.25/600/600，由上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)。汽輪機(jī)為單軸、四缸四排汽凝汽式汽輪機(jī)，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)采用全周進(jìn)汽、CTF滑壓的運(yùn)行方式，凝汽器采用雙背壓，一次海水冷卻，循環(huán)水依次流經(jīng)凝汽器A與凝汽器B，額定設(shè)計(jì)背壓為4.19kPa/5.26kPa。配汽機(jī)構(gòu)設(shè)有2個(gè)高壓主汽門，2個(gè)高壓調(diào)門，2個(gè)中壓主汽門，2個(gè)中壓調(diào)門及1個(gè)補(bǔ)汽門。抽真空系統(tǒng)配置3臺(tái)真空泵（大泵）和2套高效真空維持系統(tǒng)，分別接自凝汽器A和凝汽器B的抽空氣管道，每套系統(tǒng)由一臺(tái)前置泵（羅茨泵）和一臺(tái)水環(huán)式真空泵組成。

2016年11月1號(hào)機(jī)組完成C級(jí)檢修，投運(yùn)后發(fā)現(xiàn)凝汽器A側(cè)真空度比修前偏低約3kPa，真空嚴(yán)密性試驗(yàn)結(jié)果為：A側(cè)1.53kPa/min、B側(cè)0.1kPa/min（合格標(biāo)準(zhǔn)為0.27kPa/min）。試驗(yàn)結(jié)果判斷A側(cè)凝汽器嚴(yán)重漏空氣。A側(cè)凝汽器3臺(tái)真空泵運(yùn)行，真空仍較以往凝汽器真空正常值（-98kPa）低2kPa，對機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響，具體表現(xiàn)在以下幾方面：

（2）廠用電增加。由于凝汽器A真空偏低，所以需要運(yùn)行兩臺(tái)大真空泵加一套高效真空系統(tǒng)來維持系統(tǒng)的正常真空狀態(tài)。兩臺(tái)大真空泵每小時(shí)多耗電約為210kWh。凝汽器B只需運(yùn)行一套高效真空系統(tǒng)（功率僅為一臺(tái)大真空泵的20%）。

（3）安全風(fēng)險(xiǎn)高。由于大真空泵全部用于凝汽器A，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行時(shí)無備用泵，運(yùn)行中任何一臺(tái)真空泵因故障將導(dǎo)致真空降低并使低壓缸排汽溫度上升等，嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

1 真空系統(tǒng)泄漏的排查

對于1號(hào)機(jī)組凝汽器A漏空氣的問題，技術(shù)人員對1號(hào)機(jī)組真空系統(tǒng)、主汽輪機(jī)負(fù)壓狀態(tài)設(shè)備及小汽輪機(jī)B（排汽接入凝汽器A）等相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的分析和現(xiàn)場排查，排查過程中對于機(jī)組難以判斷部位采用了氦質(zhì)譜檢漏儀（圖1）幫助現(xiàn)場捉漏。

圖1 氦質(zhì)譜檢漏儀捉漏方法

氦質(zhì)譜檢漏儀是以氦氣作為示漏氣體，對真空設(shè)備及密封器的微小漏隙進(jìn)行定位、定量和定性檢測的專用檢漏儀器。它具有性能穩(wěn)定、靈敏度高、操作簡便，檢測迅速等特點(diǎn)，是真空檢漏技術(shù)中使用最普遍的檢漏儀器。其測量工作原理是將氦質(zhì)譜檢漏儀接至真空泵氣水分離器排氣口，在疑似漏真空的系統(tǒng)設(shè)備上釋放氦氣，氦質(zhì)譜檢漏儀收集氦離子，通過測量離子流就可知泄漏率。

1.1 常見泄漏點(diǎn)的排查

使用氦質(zhì)譜檢測儀結(jié)合其他常規(guī)方法初步對凝汽器A真空系統(tǒng)排查，具體位置及結(jié)果依次如下：

（1）對低壓缸A汽缸中分面法蘭、防爆門法蘭、法蘭檢查，發(fā)現(xiàn)近軸封的四處上下缸法蘭結(jié)合面均有不同程度滲漏，使用高溫膠塞嵌入縫隙堵漏，未對真空產(chǎn)生實(shí)質(zhì)改善，因此并非主要原因。

（2）對小汽輪機(jī)B（其排汽接入凝汽器A）的汽缸中分面、防爆門法蘭等檢查未發(fā)現(xiàn)泄漏。

（3）對凝汽器A汽側(cè)人孔門檢查，法蘭涂抹油脂封閉。

按照鉆機(jī)成孔-鋼管放置的施工順序，在第一次注漿漿液初凝后，終凝之前進(jìn)行二次注漿，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定強(qiáng)度以后，進(jìn)行放坡段的開挖與施工，并進(jìn)行面層與施工土釘施工。選用孔徑為150mm的錨管樁，注漿分2次進(jìn)行，填料量不能低于計(jì)算體積的0.75倍，填料粒徑要低于20mm，并要事先清理干凈。第一次注漿材料為水泥漿，水灰比為0.55，注漿壓力控制為0.2～0.5MPa。二次注漿也使用水泥漿，水灰比0.6，注漿壓力1.5～2.0MPa，選用普通硅酸鹽水泥。

（4）對凝汽器A真空破壞門檢查，發(fā)現(xiàn)法蘭有微漏后進(jìn)行緊固，閥前保持水封良好。

（5）對影響凝汽器A真空的相關(guān)閥門、管道進(jìn)行了檢查未發(fā)現(xiàn)明顯泄漏點(diǎn)。

（6）對主汽輪機(jī)軸封汽壓力提高試驗(yàn)、小汽輪機(jī)B低壓軸封冒汽試驗(yàn)檢查，排除軸封汽影響。

（7）對低壓旁路閥后系統(tǒng)、小汽輪機(jī)B至凝汽器排汽管檢查，未發(fā)現(xiàn)泄漏。

（8）對接至凝汽器A汽側(cè)的三臺(tái)疏水立管排汽口、凝補(bǔ)水管、疏水立管減溫水、排汽缸噴水、水幕噴水等系統(tǒng)接口、法蘭等檢查，未發(fā)現(xiàn)泄漏。

（9）將接入本體立管A的軸封加熱器疏水切至旁路，排除軸封汽回收時(shí)漏入空氣的可能。

（10）將汽機(jī)側(cè)外置疏水?dāng)U容器、鍋爐側(cè)大氣擴(kuò)容器疏水至凝汽器的通道分別關(guān)閉相應(yīng)閥門隔絕試驗(yàn)，排除了上述兩方面影響。

（11）停運(yùn)小汽輪機(jī)B后關(guān)閉排汽碟閥，觀察真空無變化，基本排除小汽輪機(jī)排汽部分漏空氣的可能。

（12）對低壓缸和凝汽器汽側(cè)各儀表接出管進(jìn)行了全面檢查，未發(fā)現(xiàn)泄漏。

上述設(shè)備或系統(tǒng)均直接與凝汽器相連或本身運(yùn)行在負(fù)壓狀態(tài)下，因此是真空系統(tǒng)發(fā)生泄漏時(shí)的常規(guī)檢查項(xiàng)目，其中部分系統(tǒng)在機(jī)組檢修后可以在凝汽器灌水查漏時(shí)很容易被發(fā)現(xiàn)。

1.2 特殊泄漏點(diǎn)的排查

凝汽器A側(cè)所接的三組疏水立管，分別為系統(tǒng)立管A和本體立管A、B。其中系統(tǒng)立管A接入的是1號(hào)、2號(hào)高壓加熱器（雙列四臺(tái)）的危急疏水、外置清潔疏水回收至凝汽器的疏水管以及高、中壓主汽門的閥桿漏汽（經(jīng)集管接至立管本體上）。在對系統(tǒng)立管A本體檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)筒體局部表面手感明顯冰涼（溫度約5℃～6℃），并有微量結(jié)霜現(xiàn)象，按照常理，與凝汽器汽側(cè)直接相通的這些負(fù)壓區(qū)，內(nèi)部溫度均不會(huì)低于凝汽器的熱井溫度。通過進(jìn)一步比對和觀察，確認(rèn)明顯冰涼的區(qū)域處于系統(tǒng)立管A朝向凝汽器的一側(cè)，并呈現(xiàn)較規(guī)則的狹長形分布。根據(jù)空氣向低壓區(qū)高速流動(dòng)時(shí)溫度會(huì)隨之下降的原理，推斷分析造成這一現(xiàn)象的原因，可能是空氣在系統(tǒng)立管內(nèi)貼壁高速流動(dòng)引起，可確認(rèn)有空氣漏入系統(tǒng)立管A。對該立管上的管道進(jìn)行了仔細(xì)排查。

（1）將接入的四臺(tái)高加危急疏水、立管減溫水均開啟至一定開度，以保持管道正壓，清潔疏水泵啟動(dòng)向管道注水至正壓。

（2）將1號(hào)和2號(hào)高加危急疏水至系統(tǒng)立管A隔離門關(guān)閉進(jìn)行隔離試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)泄漏。上述操作均未對真空產(chǎn)生影響。

在排除上述因素后，考慮高、中壓主汽門的閥桿漏汽管經(jīng)集管接入系統(tǒng)立管A，查漏擴(kuò)大至主汽輪機(jī)高、中壓主汽門的門桿密封部位，采用氦質(zhì)譜儀對左、右高壓主汽門檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)有明顯漏空氣現(xiàn)象。拆開兩側(cè)高壓主汽門龍門架罩殼發(fā)現(xiàn)高壓主汽門A、B閥桿密封填料處整個(gè)圓周方向均有泄漏。

2 針對性處理措施

經(jīng)計(jì)算，高壓主汽門的閥桿密封填料漏空氣截面積約為198.1mm2，相當(dāng)于內(nèi)徑D16mm的管道泄漏的空氣量。對高壓主汽門龍門架填料處圈填入1mm的銅絲并用汽缸涂料密封，大幅減小了空氣的泄漏量。

完成上述堵漏處理后，1號(hào)機(jī)真空嚴(yán)密性試驗(yàn)結(jié)果為：A側(cè)0.12kPa/min、B側(cè)0.08kPa/min，均達(dá)到優(yōu)秀水平。凝汽器A側(cè)運(yùn)行一組高效真空泵即能維持正常真空。

考慮到在檢修中更換密封，將原密封材料更換為帶鎳絲的柔性石墨密封，保證密封材料具有良好的壓縮性和膨脹性，徹底消除真空泄漏的問題。

2號(hào)機(jī)凝汽器A同樣存在真空嚴(yán)密性差的問題，真空嚴(yán)密性試驗(yàn)僅能勉強(qiáng)達(dá)到0.27kPa/min，未達(dá)到合格標(biāo)準(zhǔn)。對2號(hào)機(jī)高壓主汽門進(jìn)行了與1號(hào)機(jī)相同方法查漏，發(fā)現(xiàn)兩側(cè)高壓主汽門存在同樣漏微量空氣的現(xiàn)象。在采取了與1號(hào)機(jī)相同的處理方式后，凝汽器A真空嚴(yán)密性均達(dá)到優(yōu)秀水平。

3 真空泄漏原因分析

因主汽門內(nèi)密封過于嚴(yán)實(shí)緊密，主汽門的閥桿漏微量蒸汽甚至不漏，而導(dǎo)致閥門的門桿外密封腔室經(jīng)閥桿漏汽管道與系統(tǒng)立管A相連，均處于相同的真空狀態(tài)，由制造廠提供的主汽門結(jié)構(gòu)圖（圖2）可見，漏空氣處為圖中圈內(nèi)部分，空氣經(jīng)過大端蓋密封件處被吸入閥體腔室，經(jīng)門桿漏氣管道進(jìn)入系統(tǒng)立管A。

制造廠提供的安裝作業(yè)書推薦，主汽門大端蓋盤根的安裝間隙為1.0～1.39mm，實(shí)際測量間隙為0.6mm，小于圖紙所示的安裝間隙，理論上對防止真空泄漏更有利。因此，導(dǎo)致該處真空泄漏主要原因是由于內(nèi)部的原方形定型密封件壓縮量較小，在安裝中未達(dá)到預(yù)期的膨脹量，導(dǎo)致密封圈沒有完全起到密封作用。

圖2 主汽門大端蓋盤根處結(jié)構(gòu)圖

4 小結(jié)

從真空捉漏的角度，本次真空系統(tǒng)泄漏的位置屬于非常規(guī)位置。常規(guī)的捉漏往往側(cè)重于低壓系統(tǒng)，即：（1）凝汽器抽真空系統(tǒng)；（2）機(jī)組后幾級(jí)低壓加熱器系統(tǒng)；（3）機(jī)組軸封系統(tǒng)；（4）小汽輪機(jī)排汽系統(tǒng)；（5）小汽輪機(jī)軸封系統(tǒng)；（6）疏水立管、擴(kuò)容器等系統(tǒng)。在捉漏過程中，我們時(shí)常忽略高壓系統(tǒng)。主汽門閥桿漏氣通過系統(tǒng)立管引入疏水?dāng)U容器，從而進(jìn)入真空系統(tǒng)。而主汽門腔室與外界空氣的密封差會(huì)導(dǎo)致外界空氣進(jìn)入主汽門腔室，從而通過閥桿漏汽系統(tǒng)進(jìn)入真空系統(tǒng)，導(dǎo)致凝汽器真空降低。閥桿漏汽系統(tǒng)屬于在真空捉漏中非常容易被忽略的一個(gè)系統(tǒng)。

從主汽門檢修的角度看，該超超臨界機(jī)組的高壓主汽門腔室與外界空氣的密封是通過三道密封來完成的。密封件的質(zhì)量決定了密封性能的好壞。在安裝過程中，不僅需要考慮密封件與腔室的間隙，還需考慮密封件的膨脹性能。若密封件無法達(dá)到預(yù)期的膨脹量，就無法達(dá)到預(yù)期的密封效果。本次檢修將原密封材料更換為帶鎳絲的柔性石墨，保證密封件具有良好的壓縮性和膨脹性，徹底消除了真空泄漏的問題。