1 設(shè)備簡介

某汽輪機組是上海汽輪機生產(chǎn)的600MW亞臨界、單軸、四缸、四排汽、中間再熱、凝汽式汽輪機，機組型號為N600－16.7/538/538，在正常運行中多臺次出現(xiàn)汽輪機調(diào)節(jié)閥閥桿脫落，給機組的安全運行帶來了極大的威脅，據(jù)了解，國內(nèi)其它電廠同類型機組也多次出現(xiàn)類似問題。汽輪機調(diào)節(jié)閥閥桿斷裂是電廠汽輪機嚴重故障之一，這個問題曾經(jīng)困擾電廠多年,隨著閥門結(jié)構(gòu)、材料與工藝的改進，小型汽輪機上這類事故已很少出現(xiàn)，但近年來國產(chǎn)300MW、600MW汽輪機汽輪機調(diào)節(jié)閥閥桿脫落的現(xiàn)象卻時有發(fā)生,威脅著汽輪機組的安全運行。

2 故障描述

該機組負荷為550MW、處于順序閥方式下運行，#2高壓調(diào)節(jié)閥（GV2）突然發(fā)生較大幅度擺動（31%到70%），汽輪機#2軸振動增加，2Y向振動最高到149um，運行人員隨即將汽輪機切到單閥方式運行，并減負荷到450MW左右，在單閥方式下，GV2不再晃動，機組運行正常。此過程發(fā)生時，負荷變化情況如圖1所示。在此后的幾天內(nèi)，當(dāng)負荷在540MW附近時，順序閥方式下，GV2均會發(fā)生較大幅度晃動。

圖1 GV2晃動時負荷變化情況

檢查發(fā)現(xiàn)，該機組DCS采用脈沖的方式對DEH進行遠方負荷控制，GV2晃動時，系統(tǒng)設(shè)定是DEH每接到一個DCS來的脈沖指令，負荷變化6MW，相對于DEH本身的負荷指令變化為1%。GV2晃動事件發(fā)生后，將每一個脈沖對應(yīng)的負荷變化由6MW修改后3MW，在540MW負荷左右時，GV2晃動幅度減小，但仍有晃動現(xiàn)象時常出現(xiàn)。對順序閥方式下的配汽曲線進行調(diào)整，效果不明顯。為安全起見，該機組切到單閥方式運行。

仔細分析故障過程數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在減負荷過程中，GV2開度從35%減小到31%時，機組負荷會突減約30MW，相當(dāng)于5%額定負荷，而DEH中實際設(shè)置這一區(qū)段的理論負荷約為1%額定負荷，這是很不正常的。檢查之前運行數(shù)據(jù)，在GV2開度從35%降到30%時，機組負荷才從566MW降到555MW，初步判斷造成這GV2晃動的原因是GV2流量特性嚴重偏離設(shè)計情況，隨后進行了對比檢查試驗：選取故障前歷史數(shù)據(jù)，機組負荷449MW，主蒸汽壓力15.5MPa，四個高壓調(diào)節(jié)閥開度分另為92%、17%、0、92%；故障時數(shù)據(jù)為：機組負荷453MW，主蒸汽壓力15.6MPa，四個高壓調(diào)節(jié)閥開度分另為100%、30%、0、100%。

由此可見，在負荷與主蒸汽壓力差別不大的情況下，兩個時間的GV2開度差別較大，再結(jié)合前述試驗現(xiàn)象，重點懷疑GV2閥芯或閥桿已經(jīng)部分脫落。經(jīng)過現(xiàn)場仔細檢查確認，GV2閥芯與油動機聯(lián)接部位，閥桿與油動機已經(jīng)發(fā)生相對位移，如圖2所示。隨后，在將GV2關(guān)閉過程中，機組負荷沒明顯變化，但只能將其關(guān)到13%左右開度，無法再向下關(guān)。此時確認GV2閥桿與油動機聯(lián)接處銷子斷裂。

圖2 GV2閥桿與油動機發(fā)生相對位移

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，汽輪機調(diào)節(jié)閥閥桿脫落不是瞬間完成的，往往需要長達半月之久的時間來完成松動、扭曲與脫落這一過程。閥桿松動初期，這個現(xiàn)象往往很難發(fā)現(xiàn)，在松動后期，機組負荷變化時，閥門開度常會出現(xiàn)晃動現(xiàn)象，尤其是在降負荷階段；當(dāng)閥桿相對閥桿套發(fā)生扭動時，一般情況下起固定作用的銷釘已經(jīng)斷裂，可觀察到斷裂的銷釘突出在銷孔以外的現(xiàn)象；閥桿徹底脫落時的現(xiàn)象較為明顯，一般會表現(xiàn)出汽輪機高壓端轉(zhuǎn)子振動與軸承金屬溫度突變、汽門大幅度晃動、機組協(xié)調(diào)失穩(wěn)、出力不足等現(xiàn)象，在閥門全開的情況下，可以看到閥桿與閥桿套之間存在明顯相對位移。

圖3表明為該機組汽門閥桿與油動機接合處的結(jié)構(gòu)。閥桿與閥桿套通過螺紋連接，連接后配裝銷釘（φ12×120），銷孔配合間隙為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    

對該汽輪機檢修時發(fā)現(xiàn)，閥桿和閥桿套螺紋齒尖磨損程度已超過一半，閥桿與連接套之間的圓柱銷釘已斷裂，閥桿軸頭與閥桿套底孔之間有銹跡。分析認為，過大向上或向下的拉力作用造成連接螺紋及銷子損壞是閥桿脫落的直接原因，而圓柱銷釘材質(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)在以下四個方面。

（1）閥桿套底孔加工失誤

圖4 汽門閥桿套底孔

為保證汽輪機打閘停機時能各汽門能夠快速關(guān)閉，油動機彈簧的作用力需通過閥桿端面可靠地傳遞至閥頭。設(shè)備廠家要求，閥桿裝配時需要著色檢查確認閥桿軸頭端面與閥桿套底孔接觸面積不小于80%，然后再裝配固定銷釘。但對閥桿脫落的汽門進行解體后發(fā)現(xiàn)閥桿套底孔并非平面而是一個弧面，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，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。在機組運行中，閥桿套底孔和閥桿軸頭由于線接觸受力而產(chǎn)生變形進而產(chǎn)生間隙，閥門關(guān)閉時彈簧巨大的沖擊力直接作用在連接螺紋和銷釘上，造成連接螺紋和銷子的損壞。

（2） 連接螺紋配合間隙過大

閥桿與閥桿套連接螺紋為M56×2mm，按照GB-T197-2003《普通螺紋公差》標準，螺紋配合間隙應(yīng)為0.12～0.25mm，而實際安裝時閥桿和閥桿套配合間隙為0.40～0.70mm，這就使得內(nèi)外螺紋接觸面積過小，螺紋受力時極易損壞，如圖5所示。

     圖5 損壞的閥桿軸頭螺紋             

圖6 斷裂的銷釘

（4） 圓柱銷材質(zhì)與設(shè)計不符

閥桿與閥桿套的定位圓柱銷材質(zhì)應(yīng)為C422，即2Cr12NiMo1W1V，而對斷裂的銷子（圖6）檢驗發(fā)現(xiàn)，其實際材質(zhì)為45鋼，材質(zhì)與設(shè)計不符，造成圓柱銷強度不夠，易發(fā)生損壞。

（5） 安裝工藝不當(dāng)

按要求，閥桿裝配時,閥桿與閥桿套之間緊力矩為904N·m，但實際安裝時并未采用力矩扳手，就存在安裝緊力不足的可能；同時閥桿套上的銷孔大于閥桿上的銷孔，圓柱銷釘與閥桿套的間隙過大。該類型汽輪機汽門閥頭為球形，有較好的流量特性，但其閥座喉部的易出現(xiàn)壓力脈動，造成閥桿垂直或橫向振動，產(chǎn)生汽流激振，在此影響下，閥桿發(fā)生轉(zhuǎn)動，加劇閥桿套螺紋磨損，磨損后軸向間隙進一步擴大，在振動的影響下，固定銷釘承受交變應(yīng)力的作用，長時間后發(fā)生銷釘彎曲甚至金屬疲勞斷裂。安裝時如螺紋上有毛刺等缺陷，也可能造成安裝時螺紋的咬死，使得螺紋緊力達到而接觸端面未受力，在運行中螺紋也會受力而損壞。

4 處理方法

機組在運行時，及時發(fā)現(xiàn)汽輪機調(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，加強相關(guān)運行數(shù)據(jù)、尤其是汽門開度、軸承金屬溫度與轉(zhuǎn)子振動等數(shù)據(jù)的檢查與對比可以發(fā)現(xiàn)閥桿松動異常，及時處理，避免事故擴大。另外，閥桿與閥桿套之間的相對位置進行標記，可以幫助觀察兩者之間是否發(fā)生相對位移，有助于對事故的判斷。閥桿脫落后，如能夠確認它可以正常關(guān)閉，可以采取臨時固定措施，保持它在一定范圍內(nèi)開關(guān)，而不影響機組的正常運行，并擇機處理。

汽輪機檢修時，安裝前要檢查確認閥桿和閥桿套配合螺紋間隙符合要求，確保各部件材質(zhì)無誤，連接螺紋應(yīng)光潔無毛刺等缺陷。在安裝時嚴格按照緊力要求，將閥桿緊固到位，同時進行著色檢查，確保閥桿軸頭端面與閥桿套底孔接觸面積不小于80%。如閥桿銷孔與閥桿套銷孔錯位，則可采取在閥桿端面與閥桿套底孔之間加墊片的方法。在銷孔基本不錯口的情況下，重新鉸孔并配裝銷子，保證閥桿套、閥桿的銷孔與圓柱銷的配合間隙為0～0.01mm。在檢修中如未更換閥桿套和閥桿，在銷孔錯口無法調(diào)整到位的情況下，可以在與原銷孔90o方向重新打孔并配裝銷釘。該機組長期運行結(jié)果表明，經(jīng)上述處理后，汽輪機調(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)象在不同類型國產(chǎn)600MW等級汽輪機組上均有發(fā)生，在新投產(chǎn)的機組上更為常見，首次脫落一般發(fā)生在新機組投產(chǎn)一年半左右，這個問題應(yīng)引起各方面的重視，加強運行監(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)致機組停運甚至燒瓦等惡性事故的發(fā)生。汽門檢修時，應(yīng)對上述各個問題進行檢查，嚴格執(zhí)行安裝工藝，保證安裝質(zhì)量，采用更為合理的閥門連接方式，以徹底避免產(chǎn)生螺紋損壞造成閥桿脫落。