核電廠汽輪機再熱主汽門故障分析及處理

葉 凱 周靄琳

（中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽314300）

0 引言

國內某核電廠汽輪機閥門包含：4個主汽門、4個調門、4個再熱主汽門和4個再熱調門。汽輪機閥門的主要作用是在正常速度/負荷控制條件下控制進入汽機的蒸汽流量，進而達到控制汽機功率的目的，并在汽機甩負荷時快速截斷蒸汽流量，以防止汽輪發電機超速，在電站運行中起到非常重要的作用[1-3]。主汽門位于主蒸汽管道上，用于快速截斷進入汽輪機的蒸汽流量，防止汽輪機超速；調門位于主汽門之后，其作用是控制進汽量以調節汽機功率，以及在甩負荷時快速截斷蒸汽流量；在每個低壓缸進汽管上布置了一個由再熱主汽門和再熱調門組成的聯合汽門，簡稱中聯門，為防止汽輪機超速提供了第二道防線。

中聯門是硬密封蝶閥，再熱主汽門為開關型隔離閥，為常開閥。再熱調門有調節型和非調節型兩種：調節型（C/D）裝有液動伺服閥，通過控制蒸汽流量以調節功率；非調節型（A/B）裝有電磁閥，為開關型隔離閥，二者可以獨立地進行全行程動作。

為保證汽輪機閥門始終具有安全的調節性能，每個月會進行閥門全行程試驗[4]。再熱主汽門和再熱調門共用一個閥體，試驗時會一起進行：即按下試驗按鈕后，依次關閉再熱調門、再熱主汽門；松開試驗按鈕后，依次打開再熱主汽門、再熱調門，整個過程開關正常、無卡澀且時間滿足要求，則試驗合格。

1 缺陷描述

2018年2月1日，核電廠2#機組在執行中聯門試驗時，按下試驗按鈕后再熱調門C正常關閉，再熱主汽門C關閉到80%開度后無法繼續關閉；松開試驗按鈕后，再熱主汽門C開到97%開度，再熱調門C正常開啟。隨后進行第二次試驗，在按下試驗按鈕后再熱調門C正常關閉，再熱主汽門C關閉到80%開度后無法繼續關閉；松開試驗按鈕后，再熱主汽門C開到95%開度，再熱調門C正常開啟。再熱主汽門C試驗失敗后，機械人員在驅動執行機構添加潤滑油后再試驗四次，試驗結果如表1所示。在整個試驗過程中，再熱調門C動作正常，再熱主汽門C關閉過程中分別卡在80%、75%、74%、74%開度位置，開啟過程中卡在94%開度位置。多次試驗失敗后，機組進入技術規格書限制8小時。

為驗證再熱主汽門C安全功能可靠，儀控人員在DEH工程師站強制再熱主汽門C快關信號，閥門從90%開度關閉到10%開度時間為0.2 s，快關時間滿足安全防護要求（驗收準則為≤0.33 s）。證明再熱主汽門C安全性能可靠，因此機組退出技術規格書限制。

表1 中聯門全行程試驗記錄

2 原因分析

2.1 儀控部分原因

再熱主汽門C油動機上配有三個儀控設備：快關電磁閥、試驗電磁閥、遮斷閥。（1）若快關電磁閥故障，表現形式為無法快關，即關閉時間無法滿足安全防護要求，不會出現卡關或卡開；（2）試驗電磁閥閥芯損傷或有油泥異物都會造成電磁閥閥芯卡澀，故障出現后更換了再熱主汽門C執行機構上的試驗電磁閥后再次試驗，閥門仍無法正常全開或全關；（3）遮斷閥若故障，閥門無法打開，與現場表現形式不同。因此，排除儀控因素引起再熱主汽門C卡澀的可能。

2.2 機械部分原因

機械因素從外觀目視檢查無法定性原因，因此，OT209大修時對再熱主汽門C進行解體檢查，逐一排除可疑因素。

2.2.1 執行機構故障

再熱主汽門開閥由油動機驅動，關閥由彈簧驅動。油動機活塞環若密封不嚴會導致內漏，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閥門。

缺陷后的強制快關說明彈簧性能符合要求。且大修時對執行機構解體檢修，確認各活塞組件、密封件完好，彈簧部件剛度及機械性能完好，因此排除執行機構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

填料阻力過大將導致閥門動作不靈活。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、摩擦系數小，在此類油動機驅動的閥門上填料阻力可忽略不計，因此排除。

（2）閥軸與閥體摩擦

如果閥軸與閥體之間發生摩擦，將導致閥軸轉動阻力增大、閥門啟閉阻力增大、發生咬傷后會導致閥門開關不到位。解體后對閥軸與閥體進行檢查，閥軸并無損傷，未發現二者之間明顯的摩擦痕跡，因排除閥軸與閥體摩擦導致再熱主汽門C的卡澀。

（3）閥板與閥體摩擦

蝶形閥板在軸向兩側與閥體接觸的部位若發生摩擦，將導致閥軸轉動阻力增大、閥門關閉力矩增大，最終導致閥門關閉不到位。對再熱主汽門進行解體檢查，未發現明顯的摩擦痕跡，銅鍥經手錘輕輕敲擊，能夠輕易塞入閥板與閥體內壁之間，無較大阻力，因此排除閥板與閥體摩擦導致再熱主汽門C的卡澀。

（4）軸承卡澀

軸承損壞或有異物都會導致軸承卡澀。

1）軸承損壞導致卡澀。該軸承為圓柱滾動軸承，如果滾子碎裂、損壞將導致軸承轉動受限，閥門無法開閉。根據試驗現象，該閥門可以快關，與此癥狀不相符。大修時對閥門解體檢查發現軸承部件無缺損，因此排除軸承損壞導致再熱主汽門C的卡澀。

2）異物導致軸承卡澀。滾動軸承的異物，將導致軸承動作不靈活。解體檢查發現再熱主汽門C軸承滾子間夾雜黑色油脂碳化物，手動無法盤動；加油嘴處有黃色乳化油變質、硬化現象，油路堵塞嚴重；軸承室兩側密封用的O形圈變硬，解體時全部斷裂，推斷正是這些異物導致再熱主汽門C卡澀。

解體其他幾個汽門（再熱調門C、再熱主汽門D、再熱調門D）發現：打開軸承室后有黑色水跡流出，軸承室內碳化物積累較再熱主汽門C少。結合以往啟停機期間常有中聯門兩端軸承室往外滲水現象，推測在啟停機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的碳化物沖走、沒有堆積，故再熱調門C、再熱主汽門D、再熱調門D沒有因過多的碳化物、金屬銹蝕物等異物導致卡澀的問題。

3 失效機理分析

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

查詢維修規程及日常預維工單，所使用的O形圈為廠家推薦的丁腈橡膠（NBR），該材料在120℃情況下可以連續使用，150℃情況下短期使用，該O形圈材質不合適；所添加的潤滑脂是皂基多用途工業潤滑脂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。

失效機理：由于潤滑脂的型號不正確，不適用于再熱主汽門C軸承室工況（150～175℃），高溫使潤滑脂碳化板結，碳化物夾雜在滾子之間，使軸承由滾動摩擦轉化為滑動摩擦；長期運行后，碳化物積累過多嚴重阻礙軸承滾動。另外，由于O形圈材料不合適，長期運行后O形圈老化失效，導致過多蒸汽從填料處泄漏至軸承室，不僅加速潤滑脂碳化，而且油水混合物會腐蝕軸承室內部件；這些銹蝕物與碳化物堵塞軸承運動間隙，最終引發軸承卡澀導致閥門動作異常。

表2 軸承溫度計算

4 改進措施

檢查維修規程從0版（2005年發布）開始即存在該問題，預防性維修工單自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。故維修文件存在錯誤，導致維修過程中使用了錯誤的潤滑脂，產成了碳化物，造成軸承卡澀，并最終導致再熱主汽門動作不正常，故此因素為根本原因。廠家手冊推薦軸承潤滑脂使用道康寧MOLYKOTE 41（-18～290℃），滿足中聯門溫度下長期穩定運行。氟橡膠耐溫性高（0～200℃）且穩定性好，因此糾正性措施為修改維修規程和預維工單中潤滑脂和O形圈材料。

5 結論

針對此次再熱主汽門C卡澀缺陷，進行全面排查，準確定位出根本原因是軸承潤滑脂選型不對，高溫使潤滑脂碳化形成異物，造成軸承卡澀；促成因素是軸承室O形圈選型不當，快速老化、密封失效，蒸汽進入軸承室加速潤滑脂變質。后續根據此次缺陷原因，修改了預維工單和維修規程，處理了設備缺陷，消除了設備隱患。為機組安全穩定運行提供保障，對其他機組具有參考意義。