電站汽輪機高壓調節閥機械故障分析及處理對策

魚鳳萍，郭平英

（1.寧夏電投銀川熱電有限公司，寧夏 銀川 750021；2.陜西電力科學研究院，陜西 西安 710048）

0 引言

汽輪機高壓調節閥是調節保安系統的關鍵部件，主要作用是使汽輪機組適應電負荷和熱負荷變化的要求，通過控制閥門開度變化，改變進入汽輪機的蒸汽量[1-3]。

電站汽輪機高壓調節閥工作溫度一般超過500℃，且經常處于跟蹤調節狀態，工作狀態既有緩慢變化的運動狀態，又有危急保安情況下的沖擊狀態。從高壓調節閥工作介質的流動工況來看，屬于亞聲速流動。壓力波的擾動以聲波速度傳播，既可以向上游傳播進入主蒸汽管，也可以向下游傳播進入高壓汽缸。高壓調節閥閥桿、閥碟、閥座和蒸汽室材料一般為CrMoV或CrMo鋼，超臨界汽輪機組有些使用經過氮化處理的鎳鉻鐵耐熱鋼[4-5]。

一旦調節閥出現故障，除了影響汽輪發電機組正常的加減負荷外，情況嚴重的會使機組帶著安全隱患監視運行或被迫停運。本文主要論述高壓調節閥的機械故障分析和處理對策，涉及的油壓控制系統故障可參考其他文獻和資料[6-7]。

1 閥碟脫落故障

現代汽輪機高壓調節閥一般配置4個或6個調節閥，某一個閥碟脫落，主要是該調節閥閥桿斷裂或閥桿連接螺絲滑絲等原因造成。連接閥碟的閥桿與壓縮彈簧可簡化為一個單自由度質量-彈簧振動系統。閥桿在快速提升和閥門快速關閉時的慣性力產生動應力，按直桿縱向撞擊原理，應力波在閥桿中傳播和反射，在某一瞬間使應力達到最大值。當應力超過材料的強度極限，會使閥桿在強度薄弱處產生斷裂。此外閥桿長期處在超過蠕變溫度的高溫工況，以及閥桿長時間振動，會使其連接螺絲失效，造成閥碟帶閥桿從操控裝置脫落。

當閥碟落在閥座上，接近于該閥的關閉狀態，因為預啟閥的存在，有少量主蒸汽通過且進汽不穩定。當汽輪發電機組正常帶負荷出現此故障時，往往表現為該調節閥后壓力突然下降至接近調節級后壓力，機組負荷突降，高中壓轉子軸振出現波動或振蕩。圖1為某超臨界600MW汽輪機1號調節閥閥碟脫落前后1號軸振X向（藍色）、Y向（紅色）趨勢圖。閥碟脫落時X向軸振有一個明顯的突升，對應上部藍色的軸振曲線的明顯尖脈沖。當時機組負荷突降50MW，1號調節閥壓力突降到8MPa，初步判斷為閥芯脫落故障。將閥序由1324改為4321后1號軸振變化趨勢參見圖2，紅色、藍色曲線與圖1代表意義相同，維持運行一段時間后進行了檢查處理。解體檢查閥桿未斷裂，屬于連接螺絲滑絲引起。

某300MW汽輪機組正常帶大負荷運行時，負荷、調節級壓力、閥位指令出現大幅波動，波動趨勢一致。主汽壓也伴隨有小幅波動，波動趨勢與其相反，上述參數的波動周期均約1分鐘。隨后檢查發現是2號調節閥閥桿連接螺絲滑絲，閥與操控裝置連接脫開，而2號調節閥正常工況應處于全開狀態。

關于調節閥碟脫落，一旦確認該故障后，汽輪機在線監測參數如振動、瓦溫、軸向位移等在可控范圍以內，可重新設定閥序，暫時維持機組運行，隨后安排檢查處理。重新設定閥序的條件，主要考慮高、中壓轉子的穩定性即1號、2號軸振的變化。對于故障前正常的汽輪機組，振動變化一般小于30μm。某超臨界600MW汽輪機組進行的高壓調節閥序切換振動試驗，1號軸振隨閥序切換變化參見圖3，2號軸振的對應工況變化參見圖4。由圖2—圖4可知，對于有足夠穩定性裕度的高中壓轉子－軸承系統，順序閥切換試驗不會引起軸系失穩。只有當支撐高中壓轉子的軸瓦穩定裕度不足和主蒸汽參數自身波動才有可能出現切換時高壓轉子的汽流自激振動。圖5為某亞臨界600MW汽輪機在閥序為1342時，接近滿負荷下由于突然出現27.5Hz的汽流自激振動，導致2瓦Y向軸振失穩保護跳閘過程的頻譜圖，將閥序改為1324后高中壓轉子振動穩定。

有一種較為特殊的情況，需要注意區分判斷高中壓轉子軸振顯示值的真實性。對于采用電渦流傳感器監測高中壓轉子相對軸振的汽輪機組，當閥碟脫落或調節閥快關時，儀表顯示的高中壓轉子軸振有可能瞬間超過保護值。主要原因一是振動保護值偏低；二是1號、2號軸瓦采用了抗擾動能力不如可傾瓦的橢圓瓦或其他型式的軸瓦。如某330MW汽輪機在修改閥門重疊度函數曲線時，1號調節閥突然關閉，“軸承振動大”保護動作信號發出（當轉速大于2900轉，軸承振動大保護跳閘整定值為130um），汽機跳閘。故障跳機過程高壓轉子振動趨勢見圖6。檢查發現制造廠提供的1號調節閥重疊度函數有誤，導致1號調節閥重疊度參數修改中發生1號調節閥快速關閉。對這種情況分析認為，當汽輪機調節閥快速關啟時，使高壓轉子發生徑向快速位移，在線監測系統誤把這種徑向快速位移變化按振動信號進行處理。當轉軸與電渦流傳感器緩慢相對運動時不影響振動顯示，而當相對運動瞬間變化大時，影響振動顯示，出現振動峰值。現場實測表明，出現此類故障時，使用可傾瓦軸承的汽輪機高中壓轉子，其軸心位置變化較小。這類問題的解決，只需要將振動保護延時3～5秒或適當提高保護定值即可。

2 調節閥座松動故障

汽輪機調節閥閥座松動問題在現場并不少見，分析其主要原因有兩種：一是閥座材料與蒸汽室材料匹配不合理，閥座材料的膨脹系數大于蒸汽室材料的膨脹系數，熱應力使閥座產生塑性變形，在隨后的汽輪機啟停機過程，閥座與蒸汽室的配合間隙增大而松動。某600MW級超臨界汽輪機發生3號、4號調節閥松動后，采取了將閥座材料由12Cr2Mo更換為X10CrMoNb9，閥座加長3mm，配合緊力控制在0.29mm的辦法進行了處理。二是閥座與蒸汽室裝配緊力不足和固定銷不可靠。

現場判斷閥座松動，一是調節閥振動和高中壓轉子振動異常；二是就地聽音異常；三是觀察調節閥開度變化。

調節閥座松動后易于和閥碟撞擊，伴隨著較大的振動波動和調節閥處有一陣陣不規則的撞擊聲，以及調節級后壓力出現明顯波動。高中壓轉子振動除工頻振動成分外，還會出現一階臨界轉速頻率和高次諧波成分。

特別要注意，當出現閥座松動故障后，必將使調節閥不能嚴密關閉。一旦主汽閥也不嚴，就會出現汽輪機超速的風險。因此，電廠應盡早采取措施進行處理。

3 調節閥卡澀故障

出現調節閥卡澀故障時，卡在60%～70%行程處的概率較大，也有出現卡在滿行程的情況。如曾有一臺135MW汽輪機4號調節閥卡在滿行程處，調查發現該機組經常在主蒸汽參數偏低的情況下滿負荷運行，未堅持定期的調節閥活動性試驗。

調節閥卡澀，排除操縱機構卡澀原因外，主要原因一是閥桿和閥套卡澀；二是閥座導向鍵磨損。

造成閥桿和閥套卡澀，是由于閥桿和閥套的動靜間隙局部不均勻甚至消失。而動靜間隙的消失，有可能是閥桿彎曲度超標，或者是閥桿表面結垢和高溫氧化嚴重。閥桿彎曲度超標，既有可能是制造、運行維護質量問題，也有可能是閥桿熱穩定性不好，即在高溫下閥桿殘余應力釋放，自身發生較大的彎曲熱變形，這一點往往易于被忽視。

閥桿的高溫氧化問題，既有材料自身的抗氧化性能方面的原因，尤其對于超臨界汽輪機組，也有電廠日常蒸汽品質監督不到位方面的原因。

當某一調節閥卡澀時，若短時間無停機處理機會，且在機組軸系振動、各瓦瓦溫、脹差、軸位移等參數都正常的情況下，可采用現場振打的辦法進行處理。振打前應將該調節閥閥位指令強制在略小于卡澀行程，然后振打直至該閥恢復活動正常。

需要注意的是，當出現某一調節閥卡澀故障后，必將使該調節閥處于常開狀態。一旦主汽閥也不嚴，就會出現汽輪機超速的風險。因此，電廠應嚴格按照運行規程規定處理，達到停機規定的應及時停機。

4 結語

（1）總結了電站汽輪機高壓調節閥機械故障的特征、診斷分析和處理實踐，涉及閥碟脫落、閥座松動、閥卡澀等方面的故障分析和處理，有助于運行維護人員及時準確地判斷故障和制定應對措施，以保護汽輪機組的安全運行。

（2）汽輪機高壓調節閥是汽輪機調節保安系統的關鍵部件，應從閥碟型式、材料選擇、制造質量、運行維護、檢修工藝、定期活動試驗等方面嚴格把關，以保證調節閥可靠安全地工作。

（3）高壓調節閥卡澀故障，有可能造成汽輪機超速的風險。因此，電廠應嚴格按照運行規程規定處理，達到停機規定的應及時停機。