汽輪機(jī)高調(diào)閥桿折斷原因分析及對(duì)策

一、概況

　　兩臺(tái)德國(guó)西門子三系列汽輪發(fā)電機(jī)組，型號(hào)EHNK40/56-3，兩級(jí)抽汽凝汽式機(jī)組。額定轉(zhuǎn)速6293r/min，額定功率25MW，入口壓力11.7±0.7MPa，流量207t/h，高抽壓力4.1±0.3MPa，流量112t/h，中抽壓力1.5±0.2MPa，流量38t/h。機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)是通過電子控制電液調(diào)速系統(tǒng)對(duì)高、中、低調(diào)門進(jìn)行調(diào)節(jié)，以控制進(jìn)汽、兩級(jí)抽汽和凝汽量達(dá)到控制負(fù)荷的目的。高壓調(diào)門結(jié)構(gòu)如圖1所示。高壓調(diào)門由兩根閥桿拉動(dòng)進(jìn)汽橫梁提升閥錐，控制新蒸汽從兩側(cè)進(jìn)入。兩臺(tái)機(jī)組自1997年投運(yùn)后，發(fā)生過多次高壓調(diào)門閥桿折斷，其中2號(hào)機(jī)發(fā)生折斷情況較為嚴(yán)重。

二、故障描述

　　高調(diào)閥桿折斷故障每次發(fā)生都很突然，沒有任何預(yù)兆，操作上也無過失，表象為每次閥桿折斷時(shí)機(jī)組負(fù)荷大幅下降，操作工發(fā)覺后，重新提負(fù)荷提不上來，最后才斷定為閥桿折斷。車間對(duì)閥桿折斷原因進(jìn)行過分析，但沒有找到故障根本原因，后來對(duì)發(fā)生閥桿折斷習(xí)以為常，每次發(fā)生折斷后，更換新閥桿又投入運(yùn)行。

　　最近一次閥桿折斷發(fā)生在2009年3月，當(dāng)時(shí)2號(hào)機(jī)組負(fù)荷突然由21MW甩至1.76MW，甩負(fù)荷前刻，蒸汽管網(wǎng)平穩(wěn)正常，無任何波動(dòng)，主操也沒有進(jìn)行任何操作。2號(hào)機(jī)閥桿折斷多發(fā)生在北側(cè)，折斷部位多數(shù)在圖示部位，但也有一次發(fā)生在南側(cè)閥桿頭部，如圖2、圖3、圖4。

三、原因分析

　　從歷次閥桿折斷情況來看，只有2009年的那次故障，2號(hào)機(jī)在發(fā)生故障前的中午檢查到現(xiàn)場(chǎng)高調(diào)有大幅振動(dòng)，負(fù)荷波動(dòng)較大。當(dāng)時(shí)不認(rèn)為是閥桿故障的前兆，待振動(dòng)穩(wěn)定后操作工繼續(xù)提負(fù)荷運(yùn)行，2h后便發(fā)生閥桿折斷故障。其實(shí)每次閥桿折斷并非都沒有預(yù)兆，而是因?yàn)橹锌仉x機(jī)房較遠(yuǎn)，班組人員除每2h一次的巡檢外機(jī)房平時(shí)沒有人，即使現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生高調(diào)激烈振動(dòng)也不會(huì)被監(jiān)測(cè)到。另一方面，高調(diào)發(fā)生異常，2h后便發(fā)生閥桿折斷，說明閥桿折斷故障從發(fā)生異常到折斷時(shí)間很短，所以歷次折斷時(shí)總不容易被發(fā)現(xiàn)。

　　結(jié)合2號(hào)機(jī)最近兩次高調(diào)閥桿折斷的情況，2號(hào)機(jī)問題已比較嚴(yán)重，不能簡(jiǎn)單更換閥桿了事，否則閥桿折斷會(huì)更頻繁。根據(jù)折斷結(jié)果分析，南側(cè)閥桿頭部一次折斷脫落，一次嚴(yán)重磨損，說明進(jìn)汽橫梁南端同閥桿裝配面已松動(dòng)，在汽流作用下，進(jìn)汽橫梁高速顫動(dòng)打擊閥桿頭部臺(tái)階，致使臺(tái)階損傷，前一次閥桿材料較脆，所以在頭部折斷，后一次材料較韌，所以頭部臺(tái)階磨損變矮。北側(cè)閥桿中上部折斷也同南端裝配面直接相關(guān)。

　　若南側(cè)閥桿和進(jìn)汽橫梁裝配松動(dòng)，北側(cè)裝配緊密，進(jìn)汽橫梁在高速汽流沖擊下，南端上下顫動(dòng)，不斷打擊上下裝配面，故南端閥桿頭部近兩次都損傷，恰和分析一致。北端由于裝配緊密，如同一體，則進(jìn)汽橫梁上下顫動(dòng)直接表現(xiàn)為北側(cè)閥桿在填料函根部處的左右顫動(dòng)，最終致使閥桿在填料函根部處疲勞斷裂。

　　對(duì)于1號(hào)、2號(hào)機(jī)投運(yùn)以來均發(fā)生過多起北側(cè)閥桿折斷，可從其結(jié)構(gòu)上去研究。參照前示圖1，進(jìn)汽橫梁提升后，五個(gè)閥錐依次從南向北按2-4-1-5-3順序開啟，從而保障機(jī)組負(fù)荷的線性關(guān)系。這樣，不管進(jìn)汽橫梁提升到哪一位置，都沒有兩側(cè)閥錐同時(shí)開啟一樣大的情況，因此必然造成兩側(cè)進(jìn)汽不均勻，進(jìn)汽大的一側(cè)，汽流必然越過橫梁分流至另一側(cè)的進(jìn)汽孔，從而使橫梁受到?jīng)_擊交變應(yīng)力作用，這些應(yīng)力通過橫梁作用于閥桿，最終造成閥桿疲勞斷裂。從歷次折斷斷口來看，斷口平齊，明顯是疲勞斷裂。

　　另一方面，從閥錐打開順序分析，南側(cè)的進(jìn)汽，任何時(shí)候都比北側(cè)大，故南側(cè)閥桿在汽流沖擊下容易發(fā)生松動(dòng)磨損(圖4)，而北側(cè)閥桿每次都是疲勞折斷。由此可見，高壓調(diào)門結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)不合理因素，是造成閥桿折斷的根本原因。只要這一原因存在，總是表現(xiàn)為南側(cè)閥桿裝配面容易磨損、松動(dòng)或頭部脫落，而北側(cè)閥桿總是在填料函根部處疲勞折斷。2009年3月底，西門子北京總部派人員到現(xiàn)場(chǎng)了解情況，確認(rèn)了該機(jī)型調(diào)門設(shè)計(jì)存在先天不足。

四、預(yù)防及改進(jìn)措施

　　1.建議改進(jìn)橫梁閥錐結(jié)構(gòu)橫梁提升后，兩側(cè)進(jìn)汽閥錐依次打開，最后才是中間閥錐打開，那么進(jìn)汽汽流就均勻從橫梁兩側(cè)進(jìn)入，避免單側(cè)沖擊造成閥桿交變應(yīng)力疲勞而斷裂。但這一措施要經(jīng)過嚴(yán)格設(shè)計(jì)，否則負(fù)荷難以控制。

　　2.注意兩側(cè)相關(guān)性檢查發(fā)生北側(cè)閥桿折斷后，要檢查南側(cè)閥桿裝配面是否已磨損，若已磨損則說明進(jìn)汽橫梁南端裝配面已損壞，必須修復(fù)后才能重新更換閥桿，否則閥桿壽命將越來越短，造成不必要的損失。

五、驗(yàn)證和效果

　　2009年5月，2號(hào)機(jī)組解體大修，閥桿、進(jìn)汽橫梁均得以抽出檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，進(jìn)汽橫梁南端裝配面已點(diǎn)蝕變矮，南側(cè)閥桿已松動(dòng)，閥桿頭部損傷已變矮。北側(cè)閥桿雖未折斷，但也持續(xù)不了多久，見圖5、圖6所示，這和上面的推斷完全吻合。

　　本次大修，裝配面得到修復(fù)并更換閥桿，現(xiàn)已正常運(yùn)行，效果良好，高調(diào)閥桿沒有出現(xiàn)問題。但出于慎重，閥錐結(jié)構(gòu)本次未做任何改動(dòng)，高調(diào)閥桿折斷根本原因依然存在，但是，經(jīng)過論證和驗(yàn)證，高調(diào)閥桿折斷原因得到確認(rèn)，即使再發(fā)生類似故障，也可有的放矢地修復(fù)，而不是簡(jiǎn)單更換閥桿了事。