汽輪機(jī)臥式主汽門泄漏與處理

重慶松藻電力有限公司 游利國 焦明飛 胡千彬

0 前言

150MW超高壓機(jī)組為一次中間再熱、單軸、雙缸、兩排汽凝汽式汽輪機(jī)組，該機(jī)組引進(jìn)美國西屋技術(shù)。該類型機(jī)組自投產(chǎn)以來，自動(dòng)主汽門存在不同程度漏汽情況，機(jī)組啟動(dòng)過程中，主汽壓力升高到0.5Mpa時(shí)冷水冷汽漏入汽輪機(jī)，經(jīng)常出現(xiàn)汽機(jī)盤車脫扣情況。機(jī)組在熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，冷水冷汽進(jìn)入汽輪機(jī)引起汽輪機(jī)調(diào)節(jié)級(jí)溫度急劇下降，金屬收縮不均引起變形；同時(shí)冷水冷汽漏入到汽缸，造成汽機(jī)盤車脫扣，造成汽機(jī)轉(zhuǎn)子偏心超標(biāo)，引起機(jī)組動(dòng)靜摩擦，汽機(jī)啟動(dòng)困難，情況嚴(yán)重者將引起汽機(jī)大軸永久彎曲，造成汽輪機(jī)組毀滅性災(zāi)難。

針對(duì)主汽門泄漏故障，分析研究了主汽門各部件受力情況，找出主汽門關(guān)閉不嚴(yán)密的真正原因，提出解決機(jī)組主汽門泄漏方法，并在機(jī)組檢修中得以實(shí)踐。對(duì)解決同類臥式布置汽機(jī)主汽門的泄漏故障具有重要的參考價(jià)值。

1 主汽門關(guān)閉理念分析

1.1 主汽門關(guān)閉時(shí)各部件受力分析

該150MW超高壓機(jī)組自動(dòng)主汽門為臥式布置，其總體可分為主汽門本體和操作機(jī)構(gòu)兩部分，其中本體包括:主閥碟、預(yù)啟閥、主閥桿、襯套、彈簧導(dǎo)桿等。主汽門內(nèi)部見上圖所示。

由文獻(xiàn)[3]可知汽機(jī)主汽門關(guān)閉時(shí)，主汽門彈簧力為52444.2牛頓，此力全部作用在主汽門彈簧導(dǎo)桿與主閥桿襯套接觸面上。主汽門預(yù)啟閥及主閥碟受推力為6.3±0.75×47.1=261.4～332.1牛頓（預(yù)啟閥彈簧裝配壓縮量為6.3±0.75mm）。主汽門閥碟與調(diào)速汽門摩擦系統(tǒng)按0.2～0.3計(jì)算，則摩擦力為:172.91～259.37牛頓(由資料[5]可知，主汽門及預(yù)啟閥組件總重為88.22kg),由此可見汽輪機(jī)主汽門在理想狀態(tài)下，主汽門預(yù)啟閥彈簧推力大于主汽門閥碟組件摩擦力，但沒有富于量，該彈簧力作用力下很難實(shí)現(xiàn)關(guān)閉嚴(yán)密。西屋公司人員在設(shè)計(jì)該汽門時(shí)，不可能沒有考慮到此力沒有富于量，筆者認(rèn)為該公司設(shè)計(jì)時(shí)主要是利用蒸汽壓力密封。

1.2 主汽門設(shè)計(jì)理念

本主汽門設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)本閥門關(guān)閉時(shí)采用了三處密封，即:一是主汽門關(guān)閉時(shí)依靠主汽門關(guān)閉彈簧將彈簧導(dǎo)桿壓下，彈簧導(dǎo)桿端部直接與主閥桿襯套接觸，實(shí)現(xiàn)主汽門關(guān)閉時(shí)門桿漏汽減少到最低。二是主汽門關(guān)閉時(shí)，預(yù)啟閥依靠汽輪機(jī)主汽門預(yù)啟彈簧力和蒸汽壓力將主汽門預(yù)啟閥推到關(guān)閉位置后帶動(dòng)主閥碟到關(guān)閉位置，然后依靠蒸汽壓差產(chǎn)生密封。即汽機(jī)打閘后要求主汽門預(yù)啟閥與主汽門主閥碟接觸關(guān)閉、主汽門閥碟與閥門座實(shí)現(xiàn)接觸關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)主汽門預(yù)啟閥、主閥碟關(guān)閉嚴(yán)密；同時(shí)彈簧導(dǎo)桿端部與主閥桿襯套完全密封，減少汽機(jī)門桿漏汽量。主汽門關(guān)閉實(shí)現(xiàn)三個(gè)接觸面完全密封。

2 臥式主汽門關(guān)閉泄漏原因分析

2.1 主汽門閥桿彎曲和閥碟重力對(duì)關(guān)閉影響

由文獻(xiàn)[1]可知，汽機(jī)主汽門閥桿彎曲變形量在閥門全關(guān)時(shí)，彎曲度達(dá)到最小值。汽機(jī)主汽門主閥碟與襯套間隙為0.25～0.33mm，由于重力影響，可推算出主汽門閥碟最大下垂度為0.57mm，由于汽輪機(jī)主汽門關(guān)閉時(shí)，主閥碟與閥座接觸為球面接觸，接觸面大，故而主汽門關(guān)閉時(shí)由于重力和閥桿彎曲對(duì)主汽門關(guān)閉沒有影響。

2.2 三個(gè)密封面的影響

根據(jù)前面分析可知，本汽輪機(jī)主汽門在關(guān)閉時(shí)要實(shí)現(xiàn)三個(gè)面接觸密封，當(dāng)汽輪機(jī)主汽門關(guān)閉后，由于彈簧導(dǎo)桿端部與主閥桿襯套接觸，減少了主汽門關(guān)閉時(shí)門桿漏汽量，但在關(guān)閉時(shí)由于主汽門關(guān)閉壓縮彈簧力全部作用在主閥桿襯套上，壓縮彈簧力對(duì)主汽門主閥碟關(guān)閉不起作用，主汽門預(yù)啟閥和主閥碟關(guān)閉完全依靠預(yù)啟閥彈簧力各蒸汽壓力實(shí)現(xiàn)關(guān)閉密封。機(jī)組在運(yùn)行中，由于主汽門組件都處于高溫高壓環(huán)境中，長期運(yùn)行時(shí)彈簧將發(fā)生蠕變(文獻(xiàn)[4])，同時(shí)主汽門閥桿與襯套都會(huì)產(chǎn)生氧化皮(文獻(xiàn)[2])，彈簧發(fā)生蠕變后，彈簧剛度將下降，氧化皮生成后汽機(jī)主汽門組件各活動(dòng)間隙變小，摩擦力增大。運(yùn)行中的機(jī)組由于蠕變和氧化皮影響，削弱了主汽門預(yù)啟閥彈簧力，進(jìn)一步造成主汽門主閥碟和預(yù)啟閥關(guān)閉不到位，從而出現(xiàn)主汽門漏汽情況。

2.3 主汽門布置方式和加工精度的影響

主汽門采用臥式布置，機(jī)組在廠家出廠時(shí)密封線測(cè)量采用立式安裝檢查，立式安裝檢查時(shí)，汽輪機(jī)主汽門組件由于重力和預(yù)啟閥彈簧力作用，主汽門預(yù)啟閥和主閥很易實(shí)現(xiàn)接觸密封。但到用戶現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，采用臥式安裝，主汽門組件重力對(duì)關(guān)閉不能起到幫助作用，主汽門壓縮彈簧力又不能直接傳遞到預(yù)啟閥及主閥碟上，預(yù)啟閥彈簧在正常情況下在主汽門關(guān)閉同時(shí)就已將主汽門預(yù)啟閥及主閥碟推到了關(guān)閉位置。當(dāng)主汽門關(guān)閉到位后，要實(shí)現(xiàn)彈簧導(dǎo)桿與主閥桿襯套和主閥碟與閥座兩個(gè)密封面同時(shí)到位，加工精度和裝配精度很難同時(shí)保證，從而主閥碟未真正到關(guān)閉位置而處于飄浮狀態(tài)。由本文1.1分析可知，主汽門關(guān)閉主要依靠主汽門閥前蒸汽壓力實(shí)現(xiàn)密封，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)由于主汽門沒有后沒有蒸汽壓力，主汽門主閥碟此時(shí)還處于飄浮狀態(tài)，當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)鍋爐升壓后，蒸汽壓力也不足以將主閥碟推到關(guān)閉位置。蒸汽進(jìn)入汽機(jī)主汽門到調(diào)速汽門腔室，由于本汽機(jī)高壓調(diào)速汽門本身也有一定間隙，蒸汽進(jìn)入汽機(jī)主汽門后，沿著汽機(jī)調(diào)速汽門間隙進(jìn)入汽機(jī)本體，從而出現(xiàn)漏汽。故而很多同類電廠新安裝機(jī)組就出現(xiàn)漏汽情況。

3 主汽門漏汽處理方法

經(jīng)對(duì)主汽門漏汽原因進(jìn)行分析后，解決主汽門泄漏應(yīng)由以下幾個(gè)方面著手:

3.1 減少接觸面

本主汽門關(guān)閉后要實(shí)現(xiàn)三個(gè)接觸面同時(shí)接觸，在主汽門關(guān)閉后關(guān)閉壓縮彈簧沒有對(duì)主汽門預(yù)啟閥及主閥碟產(chǎn)生作用力，故而可以將彈簧導(dǎo)桿端部接觸面打磨，以使主汽門關(guān)閉時(shí)關(guān)閉壓縮彈簧力直接作用在主汽門預(yù)啟閥及主閥碟上，實(shí)現(xiàn)關(guān)閉。

據(jù)調(diào)查，很多同類電廠在安裝后第一次啟動(dòng)時(shí)，就發(fā)現(xiàn)汽機(jī)自動(dòng)主汽門關(guān)閉不嚴(yán)密，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，當(dāng)鍋爐升壓后主汽門后壓力與爐側(cè)壓力相同，但做自動(dòng)主汽門嚴(yán)密性試驗(yàn)時(shí)又能合格。本主汽門采用蒸汽密封，主汽壓力較低時(shí)，主汽門不能關(guān)閉嚴(yán)密，此時(shí)閥前壓力和閥后壓力相同。蒸汽壓力升高到一定程度后，閥門由于采用蒸汽壓力密封，主汽門主閥碟被推向密封接觸面，主汽門閥碟在關(guān)閉時(shí)密封面是球面密封，從而主汽門閥碟進(jìn)汽側(cè)投影面積大于出汽側(cè)面積，主閥碟兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，該壓力差作用在主閥碟上，使主汽門閥碟始終推向出汽側(cè)。電廠在做主汽門嚴(yán)密性試驗(yàn)時(shí)，由于主汽壓力高于額定壓力的50%，以超高壓機(jī)組額定壓力為13.24Mpa為例，主汽門嚴(yán)密性試驗(yàn)壓力為6.6Mpa以上，主閥碟與閥座接觸面寬度約為2～5mm,則可推算出該壓強(qiáng)作用在主汽門主閥碟上產(chǎn)生的壓力大于32970牛頓。說明當(dāng)蒸汽壓力達(dá)到6.6Mpa以上時(shí)，主汽門完全能實(shí)現(xiàn)蒸汽密封。

由上分析可知汽機(jī)主汽門關(guān)閉彈簧力為52444.2牛頓,此壓力直接作用在，相當(dāng)于產(chǎn)生蒸汽壓力為:11.1～27.6Mpa，由此可看出將彈簧導(dǎo)桿端部打磨后，主汽門關(guān)閉壓縮彈簧力能實(shí)現(xiàn)完全關(guān)閉。

3.2 增加主汽門預(yù)啟閥彈簧剛度

增加主汽門預(yù)啟閥彈簧剛度，使主汽門預(yù)啟閥關(guān)閉時(shí)預(yù)啟閥彈簧能克服主汽門關(guān)閉時(shí)的各種摩擦力，使預(yù)啟閥及主閥碟能更好的接觸，消除泄漏。

3.3 改變主汽門閥桿形式

聯(lián)系汽輪機(jī)生產(chǎn)廠家，重新設(shè)計(jì)主汽門閥桿，將主汽門預(yù)啟閥彈簧取消，主汽門閥桿與預(yù)啟閥做成一整體，靠主汽門關(guān)閉壓縮彈簧力直接推動(dòng)主汽門預(yù)啟閥帶動(dòng)主閥碟關(guān)閉。

以上幾種處理方法中，第2種方法還要汽輪機(jī)廠家重新進(jìn)行彈簧剛度計(jì)算，且該閥門為美國的西屋公司設(shè)計(jì)產(chǎn)品，設(shè)計(jì)理論主要是采用蒸汽密封，從理論上能實(shí)現(xiàn)關(guān)閉，也不便于重新設(shè)計(jì)計(jì)算。同時(shí)增加彈簧剛度還是要確保兩個(gè)密封面同時(shí)接觸，加工精度和裝配精度同樣也很難保證，故而很難實(shí)現(xiàn)關(guān)閉嚴(yán)密。第3種方法從解決問題來看，是最能解決問題的一種方法，但對(duì)主汽門門桿及預(yù)啟閥更換生產(chǎn)周期長、費(fèi)用高，在大修時(shí)間內(nèi)很難完成任務(wù)。第1種方法是可利用大修期間對(duì)主汽門彈簧導(dǎo)桿進(jìn)行打磨，檢修工藝簡單，也不需要更換備品備件，故而用戶在檢修現(xiàn)場(chǎng)就能實(shí)現(xiàn)。

4 汽輪機(jī)主汽門泄漏處理在電廠中的實(shí)踐

重慶松藻電力有限公司主汽門系臥式布置汽輪機(jī)，兩側(cè)主汽門漏汽較為嚴(yán)重，機(jī)組啟動(dòng)中存在嚴(yán)重的安全隱患，利用2011年機(jī)組大修對(duì)兩側(cè)主汽門漏汽進(jìn)行了檢修，檢修方法主要對(duì)主汽門彈簧導(dǎo)桿進(jìn)行了打磨，打磨量約為2.0mm。通過紅丹著色檢查主汽門彈簧導(dǎo)桿與主閥桿襯套接觸情況，消除彈簧導(dǎo)桿與主閥桿襯套接觸面，使主汽門關(guān)閉彈簧力直接作用在汽輪機(jī)預(yù)啟閥與主閥碟上。經(jīng)過檢修處理后，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，鍋爐壓力升高后兩側(cè)主汽門閥后壓力沒有隨著鍋爐側(cè)壓力升高而增加，閥后壓力使終為0，機(jī)組啟動(dòng)前閥門內(nèi)壁金屬溫度不隨主汽管道溫度升高而升高。說明機(jī)經(jīng)過以上檢修處理后兩側(cè)閥門漏汽缺陷得以消除。

5 結(jié)束語

主汽門漏汽嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行，在檢修中要及時(shí)消除。通過實(shí)踐證明，該類型主汽門漏汽主要是由于彈簧導(dǎo)桿端部與主閥桿襯套接觸時(shí)，主汽門關(guān)閉壓縮彈簧力不能直接作用在汽輪機(jī)預(yù)啟閥及主閥碟上。經(jīng)過對(duì)打磨彈簧導(dǎo)桿后，主汽門關(guān)閉彈簧力相當(dāng)于預(yù)啟閥彈簧力的157倍，即相當(dāng)于主汽門關(guān)閉時(shí)就直接作用了11.1～27.6Mpa的蒸汽壓力，故而主汽門壓縮彈簧力能實(shí)現(xiàn)預(yù)啟閥及主閥碟關(guān)閉嚴(yán)密。處理主汽門泄漏時(shí)提出以下幾點(diǎn)建議:

5.1 彈簧導(dǎo)桿打磨量

由于主汽門閥桿與預(yù)啟閥彈簧裝配間隙為1.5mm，為確保主汽門關(guān)閉時(shí)閥桿能直接將預(yù)啟閥推到關(guān)閉位置，建議將彈簧導(dǎo)桿與主閥桿襯套間隙打磨量大于1.5mm。為防止主汽門關(guān)閉時(shí)門桿漏汽量過大，打磨量不大于2.0mm，建議打磨量為1.6～2.0mm。但最終還是要通過紅丹著色檢查彈簧導(dǎo)桿與閥桿襯套接觸面情況，以確保彈簧導(dǎo)桿端部不與閥桿襯套接觸。

5.2 閥桿與彈簧導(dǎo)桿連接銷保護(hù)

彈簧導(dǎo)桿打磨后，主汽門關(guān)閉壓縮彈簧力全部作用在彈簧導(dǎo)桿與閥桿連接銷上，該銷直徑為10mm，不能承擔(dān)過大剪切力，故彈簧導(dǎo)桿打磨后應(yīng)在閥桿端部加墊片，并通過紅丹著色檢查閥桿與彈簧導(dǎo)桿裝配接合面，確保閥桿端部與彈簧導(dǎo)桿接觸，減少彈簧導(dǎo)桿與閥桿連接銷作用力，防止運(yùn)行中剪斷該銷而引起事故。

5.3 汽機(jī)主汽門油動(dòng)機(jī)緩沖行程

主汽門彈簧導(dǎo)桿打磨后，主汽門閥桿行程將會(huì)變化，為防止主汽門油動(dòng)機(jī)緩沖行程過小，引起主汽門關(guān)閉時(shí)損壞油動(dòng)機(jī)和確保主汽門關(guān)閉到位，應(yīng)對(duì)主汽門緩沖行程重新進(jìn)行調(diào)整，確保緩沖行程符合圖紙要求。

[1] 戴義平,張俊杰,李磊.等臥式布置主汽門關(guān)閉特性研究.汽輪機(jī)技術(shù)2009,51(4):241-244.

[2] 梁學(xué)斌,何文,王樹偉.高溫氧化皮的問題探討和防治.華北電力技術(shù)2007,增2:128-168.

[3] 游利國,汽機(jī)運(yùn)行中主汽門突然關(guān)閉原因分析及處理措施.電廠電站設(shè)備2011,1:26-30.

[4] 宋琳生,電廠金屬材料.中國電力出版社.2002.4.

[5] 主汽門圖紙,180.30.41-1/1.上海汽輪機(jī)廠.