核電汽輪機(jī)主汽閥關(guān)閉異常分析與處理

趙冬冬，白小艷

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興　314300）

核電汽輪機(jī)主汽閥關(guān)閉異常分析與處理

趙冬冬，白小艷

（中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 嘉興314300）

針對(duì)某核電廠4號(hào)機(jī)組汽輪機(jī)調(diào)試過(guò)程中主汽閥關(guān)閉異常的現(xiàn)象，從主汽閥閥門自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及先導(dǎo)閥門動(dòng)作幾方面進(jìn)行分析，闡述了各種因素對(duì)閥門動(dòng)作影響的機(jī)理，結(jié)合閥門解體檢查及動(dòng)作試驗(yàn)結(jié)果，確定是閥門加工制造預(yù)留的熱膨脹間隙不足及油控跳閘閥動(dòng)作邏輯錯(cuò)誤2方面因素疊加導(dǎo)致閥內(nèi)部件卡澀，最后制定了針對(duì)性的處理方案，解決了該問(wèn)題。

主汽閥關(guān)閉異常；油控跳閘閥；動(dòng)作邏輯；閥內(nèi)部件卡澀

0　引言

某核電廠汽輪機(jī)采用哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司生產(chǎn)的HN650-6.41型單軸、四缸六排汽機(jī)組，高壓缸進(jìn)汽由2組主汽調(diào)節(jié)聯(lián)合閥控制，閥門安裝于高壓缸調(diào)端兩側(cè)。

1　主汽閥功能、結(jié)構(gòu)及其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

1.1主汽閥功能

主汽閥是核島蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)的最后一道隔離閥，位于主蒸汽隔離閥下游，汽輪機(jī)入口處（見圖1），其作用是作為主調(diào)節(jié)閥的備用保險(xiǎn)。當(dāng)機(jī)組跳閘時(shí)，一旦主調(diào)節(jié)閥無(wú)法關(guān)閉或密封不嚴(yán)，則主汽閥關(guān)閉以保障汽輪機(jī)安全，防止超速，其關(guān)閉時(shí)間要求小于0.25 s。事實(shí)上，該型機(jī)組主調(diào)節(jié)閥密封性較差，關(guān)閉時(shí)無(wú)法保證將汽機(jī)轉(zhuǎn)速控制在安全范圍內(nèi)，所以主汽閥能否正常關(guān)閉到位對(duì)機(jī)組安全尤為重要。

圖1　主汽閥位置示意

1.2主汽閥結(jié)構(gòu)

主汽閥結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用旋啟式蝶板閥，蝶板閥通過(guò)鍵固定在閥軸上，軸通過(guò)連桿與油動(dòng)機(jī)連接，當(dāng)油動(dòng)機(jī)活塞動(dòng)作時(shí)，驅(qū)動(dòng)閥軸90°旋轉(zhuǎn)。閥軸上裝有碗型密封，用于正常運(yùn)行時(shí)密封向驅(qū)動(dòng)端泄漏的蒸汽。閥門非驅(qū)動(dòng)端依靠端蓋密封，軸端部為高壓汽腔，通向油控跳閘閥。

圖2　主汽閥結(jié)構(gòu)示意

機(jī)組掛閘前，油控跳閘閥處于開啟狀態(tài)，主汽閥非驅(qū)動(dòng)端高壓汽腔還未形成，碗型密封處于松弛狀態(tài)，蒸汽通過(guò)軸間隙從驅(qū)動(dòng)端漏出。機(jī)組掛閘時(shí)，主汽閥首先開啟，當(dāng)其開至全開狀態(tài)時(shí)油控跳閘閥關(guān)閉，高壓汽腔建立，將閥軸推向驅(qū)動(dòng)端，碗型密封壓緊，蒸汽停止泄漏。機(jī)組打閘時(shí)，油控跳閘閥先動(dòng)作，泄掉汽腔壓力，使碗型密封恢復(fù)松弛，繼而關(guān)閉主汽閥。

1.3主汽閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

主汽閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理如圖3所示，高壓油進(jìn)入后分為4路，分別用于驅(qū)動(dòng)油控跳閘閥、形成AST保安油、關(guān)閉卸荷閥以及進(jìn)入油缸驅(qū)動(dòng)主汽閥。機(jī)組掛閘前，AST油壓未形成，卸荷閥處于開啟狀態(tài)，高壓油通過(guò)卸荷閥下腔與回油連通，主汽閥和油控跳閘閥的驅(qū)動(dòng)油壓無(wú)法建立，主汽閥處于關(guān)閉狀態(tài)，油控跳閘閥處于開啟狀態(tài)。機(jī)組掛閘后，AST油壓建立，與高壓進(jìn)油油壓相等，使卸荷閥關(guān)閉，切斷油動(dòng)機(jī)回油，高壓油建立，驅(qū)動(dòng)主汽閥打開和油控跳閘閥關(guān)閉。機(jī)組打閘時(shí)，AST油壓首先卸壓，卸荷閥上腔油壓卸掉后，卸荷閥打開，將高壓進(jìn)油、主汽閥和油控跳閘閥驅(qū)動(dòng)油與回油連通，卸掉驅(qū)動(dòng)油壓，主汽閥關(guān)閉，油控跳閘閥打開；此時(shí)，約1 MPa壓力的回油進(jìn)入油控跳閘閥和主汽閥油動(dòng)機(jī)油缸上腔，加快油缸動(dòng)作。

圖3　主汽閥驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理

2　主汽閥關(guān)閉異常的現(xiàn)象

4號(hào)機(jī)組調(diào)試期間，在執(zhí)行50 %停機(jī)停堆試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)汽輪機(jī)2號(hào)主汽閥沒有關(guān)閉到位，剩余約10 %行程。主汽閥在50 %功率前的所有試驗(yàn)及機(jī)組打閘過(guò)程中的動(dòng)作都正常；在50 %功率后的試驗(yàn)出現(xiàn)了上述問(wèn)題，其中前90 %行程正常關(guān)閉，后10 %行程無(wú)法正常關(guān)閉，只有當(dāng)主蒸汽隔離閥關(guān)閉，主蒸汽母管壓力下降后主汽閥才完全關(guān)閉。之后又做了幾次驗(yàn)證試驗(yàn)，在有蒸汽的情況下，2號(hào)主汽閥都無(wú)法正常關(guān)閉；在冷態(tài)下做試驗(yàn)，2臺(tái)主汽閥都能夠正常關(guān)閉。在此期間，對(duì)AST-OPC閥組液壓塊及主汽閥油動(dòng)機(jī)的逆止閥和節(jié)流孔板進(jìn)行了清洗，但問(wèn)題仍沒有得到解決。

3　主汽閥關(guān)閉異常的原因分析

經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為主汽閥無(wú)法正常關(guān)閉的原因可能有以下幾點(diǎn)。

3.1油動(dòng)機(jī)關(guān)閉緩沖裝置油孔堵塞

主汽閥油動(dòng)機(jī)緩沖裝置如圖4所示。機(jī)組打閘時(shí)，活塞下腔室EH油（抗燃油）通過(guò)有壓回油管泄油（見圖4中粗箭頭），至活塞行程末端時(shí)，活塞下的圓柱將回油口堵死；剩下的EH油從緩沖裝置泄油（見圖4中細(xì)箭頭），此處泄油較慢，對(duì)活塞起到保護(hù)作用。至閥門全關(guān)，油動(dòng)機(jī)活塞還剩余6.5 mm空行程。如果有雜物一直停留在緩沖裝置泄油管內(nèi)，則在打閘泄油時(shí)就有可能將緩沖裝置的孔堵住，導(dǎo)致油無(wú)法排出或排出很慢，進(jìn)而導(dǎo)致閥門在最后一段行程無(wú)法正常關(guān)閉。

圖4　主汽閥油動(dòng)機(jī)緩沖裝置

在無(wú)塵車間內(nèi)對(duì)油動(dòng)機(jī)進(jìn)行解體檢查，未發(fā)現(xiàn)有異物存在，油道清潔，緩沖裝置開度正常。用酒精對(duì)各部件、油流道進(jìn)行清洗，并對(duì)活塞空行程進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。排除了油動(dòng)機(jī)關(guān)閉緩沖裝置堵塞的可能。

3.2油控跳閘閥排汽管線不暢通

打閘瞬間，油控跳閘閥打開，將主汽閥軸端高壓蒸汽排至凝汽器，若該管線堵塞導(dǎo)致排汽不暢，則主汽閥軸端汽壓無(wú)法泄壓，閥軸與碗型密封仍處于壓緊狀態(tài)，閥門關(guān)閉阻力增大。但此時(shí)主調(diào)節(jié)閥已關(guān)閉，主汽閥閥板前后壓力平衡，主汽閥僅靠彈簧力關(guān)閉，會(huì)導(dǎo)致彈簧力無(wú)法克服閥軸圓周方向阻力而無(wú)法關(guān)閉到位。

現(xiàn)場(chǎng)將油控跳閘閥下游電動(dòng)閥法蘭脫開，利用壓縮對(duì)空氣管道進(jìn)行吹掃，未發(fā)現(xiàn)管道有堵塞現(xiàn)象，排除油控跳閘閥排汽管道不暢通的可能。

3.3閥門的動(dòng)作邏輯不正確

自由狀態(tài)下（無(wú)蒸汽時(shí)）用壓力表接在油動(dòng)機(jī)測(cè)壓口監(jiān)測(cè)，主汽閥開始開啟的壓力為2 MPa，當(dāng)壓力達(dá)到7 MPa時(shí)全開。油控跳閘閥開始關(guān)閉的壓力為2 MPa，當(dāng)壓力達(dá)到4 MPa時(shí)全關(guān)。而在有蒸汽狀態(tài)下正常啟動(dòng)時(shí)，掛閘瞬間，主汽門平衡閥打開，主汽門前后壓力迅速平衡，軸端壓力尚未建立，主汽閥此時(shí)開啟所需要的液壓力基本與自由狀態(tài)下相同，并且隨著閥門的開啟，閥芯所受的蒸汽壓力越來(lái)越小，開啟更加容易，所以可認(rèn)為此時(shí)主汽閥依然在壓力達(dá)到7 MPa時(shí)全開。而油控跳閘閥則正好相反，當(dāng)壓力達(dá)到2 MPa時(shí)，閥門開始關(guān)閉，隨著閥門開度越來(lái)越小，閥芯受到的蒸汽反作用力卻越來(lái)越大，即液壓油需要克服的阻力越來(lái)越大，閥門全關(guān)所需要的油壓為：

式（1）中：4是自由狀態(tài)全關(guān)壓力，即彈簧反力與摩擦力之和，MPa；25是油控跳閘閥閥芯直徑，mm；40是油缸活塞直徑，mm；7.6是主蒸汽壓力，MPa。

根據(jù)上述計(jì)算，油控跳閘閥的關(guān)閉與主汽閥的打開基本是同時(shí)完成的，符合設(shè)計(jì)需求。

而在打閘過(guò)程中，若不考慮油控跳閘閥的摩擦力因素，油壓從14 MPa開始下降，考慮回油作用，油控跳閘閥應(yīng)該在8 MPa時(shí)開始開啟，約5 MPa時(shí)全開。由于打閘時(shí)主汽閥閥軸處于壓緊狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)阻力較大，導(dǎo)致其開始關(guān)閉的油壓必然小于7 MPa。因此，油控跳閘閥先于主汽閥動(dòng)作，將主汽門軸端高壓蒸汽卸壓，使主汽門順利關(guān)閉。這一系列動(dòng)作約在300 ms以內(nèi)完成。但由于閥門設(shè)計(jì)、制造等因素，油控跳閘閥的摩擦力是不可以忽略的，這就導(dǎo)致了在打閘過(guò)程中油控跳閘閥有可能晚于主汽閥動(dòng)作，造成主汽閥卡澀。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量，4號(hào)機(jī)主汽閥開始關(guān)閉的壓力為4.5 MPa，油控跳閘閥開始開啟的壓力為3.6 MPa。因此油控跳閘閥在主汽閥開始關(guān)閉動(dòng)作之后才開啟，這就導(dǎo)致門桿排氣不暢，主汽閥關(guān)閉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，關(guān)閉不到位。

對(duì)比1，2號(hào)機(jī)組（美國(guó)西屋公司設(shè)計(jì)制造）主汽閥和油控跳閘閥動(dòng)作，其油控跳閘閥掛閘全關(guān)的壓力為9.8 MPa，打閘開啟的壓力為8.6 MPa，如表1所示。

表1　主汽閥-油控跳閘閥動(dòng)作數(shù)據(jù)對(duì)比　MPa

由表1可知，1，2號(hào)機(jī)組油控跳閘閥參數(shù)優(yōu)于理論計(jì)算預(yù)期，而3，4號(hào)機(jī)組參數(shù)則背離預(yù)期，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。因此，可以判斷油控跳閘閥參數(shù)不能滿足主汽閥要求，閥門的動(dòng)作邏輯不正確為主汽閥關(guān)閉異常的主要原因之一。

3.4主汽閥內(nèi)部卡澀

在對(duì)主汽閥進(jìn)行解體檢查時(shí)，拆開主汽閥油控跳閘閥端蓋法蘭后發(fā)現(xiàn)，端蓋與閥板搖臂之間、閥軸與端蓋之間均存在摩擦痕跡（見圖5），表明主汽閥部件間確實(shí)存在卡澀。分析認(rèn)為導(dǎo)致卡澀的原因有以下3點(diǎn)。

（1） 油控跳閘閥動(dòng)作邏輯導(dǎo)致卡澀。該因素已經(jīng)在前面證實(shí)。

（2） 閥內(nèi)部件加工尺寸、軸向預(yù)留膨脹間隙不足。

（3） 閥軸兩端支撐及中間共4個(gè)軸套不同心。

軸向預(yù)留膨脹間隙由閥軸等部件熱膨脹量決定。由于閥軸材質(zhì)為2Cr12NiMo1W1V，其線膨脹系數(shù)取14.5×10-6/K，閥軸向非驅(qū)動(dòng)端膨脹有效長(zhǎng)度為753 mm，冷態(tài)到熱態(tài)溫度變化為273K，計(jì)算可得其熱膨脹量為：ΔL=14.5×10-6×753× 273=2.98 mm?？紤]到其他部件的熱膨脹因素，最終與設(shè)備制造廠討論確定將膨脹間隙預(yù)留為5 mm。

由于無(wú)法直接測(cè)量各部件軸向間隙，現(xiàn)場(chǎng)采用間接測(cè)量方法。拆下非驅(qū)動(dòng)端端蓋，使用銅棒或千斤頂將閥軸推向驅(qū)動(dòng)端，將碗型密封壓緊后復(fù)裝驅(qū)動(dòng)端端蓋，螺栓按要求擰緊，模擬正常運(yùn)行工況。打開主汽閥閥蓋，測(cè)量非驅(qū)動(dòng)端端蓋與閥芯擺臂間隙y，要求不小于5 mm，并測(cè)量圖6中各數(shù)據(jù)。

圖5　閥板搖臂上的磨痕

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，非驅(qū)動(dòng)端端蓋墊片壓縮后的厚度σ=d+a+b-c，閥軸端部與非驅(qū)動(dòng)端閥蓋底部間隙x=L2-L1+σ-b+L3，要求不小于5 mm。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果為：非驅(qū)動(dòng)端端蓋與閥芯擺臂間隙y=3.0 mm，閥軸端部與非驅(qū)動(dòng)端閥蓋底部間隙x=2.6 mm，不滿足膨脹間隙預(yù)留設(shè)計(jì)要求。

針對(duì)可能存在的軸套不同心問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)采用激光儀進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證。如圖7所示，將閥軸抽出，拆除鍵連接的閥芯搖臂和推動(dòng)連桿，回裝其他部件，使得除閥軸外其他部件完整且位置準(zhǔn)確。在閥體一側(cè)固定激光發(fā)射源，并調(diào)整發(fā)射源發(fā)射的激光基本到達(dá)軸孔中心。在第1個(gè)軸套的口部固定二維激光接收器，調(diào)整發(fā)射源光束角度和位置，使激光能夠射到接收器接收窗口。在孔內(nèi)將激光接收器旋轉(zhuǎn)90°，激光接收器窗口仍然能夠接收到激光光束后，固定激光發(fā)射源，否則再調(diào)整發(fā)射源位置。調(diào)整好固定激光發(fā)射源位置后，使用數(shù)據(jù)接受終端控制器讀取2個(gè)角度下的位置參數(shù)。將激光接收器移動(dòng)到下一個(gè)軸套位置，在軸套內(nèi)同一軸向位置，2個(gè)角度位置（旋轉(zhuǎn)角度大于90°），使用數(shù)據(jù)接收終端讀取2個(gè)角度下的參數(shù)位置。重復(fù)以上步驟直到4個(gè)軸套位置的8個(gè)參數(shù)全部讀取完畢。由接收終端軟件對(duì)采集到的4組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析確定4個(gè)軸套的同心度。經(jīng)過(guò)測(cè)量分析，4個(gè)軸套同心度良好，排除其導(dǎo)致閥門卡澀的可能。

圖6　主汽閥軸向尺寸示意

圖7　軸套同心度測(cè)量示意

4　處理措施

4.1對(duì)油控跳閘閥進(jìn)行換型

鑒于1，2號(hào)機(jī)組油控跳閘閥的良好性能，決定將3，4號(hào)機(jī)組閥門更換為與1，2號(hào)機(jī)組相同的LESLIE閥門，豎直安裝。配套使用Φ60×48×6不銹鋼縮頸蒸汽管道及Φ16×3不銹鋼油管道，具體管道布置以現(xiàn)場(chǎng)空間走向?yàn)闇?zhǔn)。

4.2主汽閥內(nèi)部件機(jī)械加工增大膨脹間隙

考慮到非驅(qū)動(dòng)端閥蓋的承壓功能及其加工難度，確定對(duì)閥軸端部進(jìn)行車削加工，加工量為2.4 mm。對(duì)閥板非驅(qū)動(dòng)端搖臂端面進(jìn)行銑削加工，加工量為2 mm。加工完成后組裝閥門，對(duì)各部位間隙進(jìn)行重新測(cè)量，確保軸系總膨脹間隙不小于5 mm。

5　處理效果

4號(hào)機(jī)組按照上述方案進(jìn)行處理后，再次進(jìn)行熱態(tài)打閘試驗(yàn)，2臺(tái)油控跳閘閥和主汽閥均動(dòng)作正常，未出現(xiàn)無(wú)法關(guān)閉的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)1個(gè)周期的運(yùn)行，解體主汽閥檢查，發(fā)現(xiàn)各部件磨損情況良好，問(wèn)題得到徹底解決。

3號(hào)機(jī)組調(diào)試以及正常運(yùn)行期間并未出現(xiàn)類似問(wèn)題，分析認(rèn)為雖然其使用的也是動(dòng)作邏輯不滿足設(shè)計(jì)要求的油控跳閘閥，但由于其閥內(nèi)部件預(yù)留的熱膨脹間隙足夠大，抵消了油控跳閘閥帶來(lái)的影響。后在大修中對(duì)3號(hào)機(jī)組主汽閥進(jìn)行解體，測(cè)量軸系膨脹間隙超過(guò)6 mm，證實(shí)了以上分析。為確保主汽閥后續(xù)不發(fā)生關(guān)閉異常，并減緩?fù)胄兔芊獾哪p速度，對(duì)3號(hào)機(jī)組油控跳閘閥也進(jìn)行了換型改造。

1 朱慶玉.汽輪機(jī)主汽閥卡澀原因分析及防范措施［J］.熱力發(fā)電，2007，36（1）：99-100.

2 唐建國(guó)，吳泳海.汽輪機(jī)組中壓主汽門關(guān)閉不嚴(yán)的原因及處理［J］.電力安全技術(shù)，2007，9（10）：33-34.

國(guó)網(wǎng)北京市電力公司全面加強(qiáng)秋檢期間安全管理

2016-09-06，國(guó)網(wǎng)北京市電力公司所屬各單位按照公司統(tǒng)一部署，全面加強(qiáng)秋檢安全管理工作。隨著秋季檢修工作的全面展開該公司部署多項(xiàng)安全措施，全力確保秋檢期間人身、電網(wǎng)和設(shè)備安全。秋檢期間，國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電網(wǎng)建設(shè)、生產(chǎn)改造、設(shè)備檢修維護(hù)等工作進(jìn)入高峰，施工、檢修作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多，參與人員多，安全管控面臨較大壓力。

針對(duì)此階段的工作特點(diǎn)，國(guó)網(wǎng)北京市電力公司強(qiáng)化電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)防控，統(tǒng)籌安排檢修計(jì)劃，嚴(yán)格停電計(jì)劃剛性執(zhí)行，避免設(shè)備重復(fù)停電，嚴(yán)控停電任務(wù)延時(shí)送電；加強(qiáng)與氣象部門的信息溝通，針對(duì)秋季大風(fēng)、降雨等惡劣天氣，動(dòng)態(tài)調(diào)整停電計(jì)劃。該公司同時(shí)強(qiáng)化設(shè)備運(yùn)維管控，要求嚴(yán)格執(zhí)行檢修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化流程，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，做到“應(yīng)修必修、修必修好”；進(jìn)一步加大反外力管控力度，在重要設(shè)備、重點(diǎn)區(qū)域加裝視頻監(jiān)控設(shè)備，增強(qiáng)保桿護(hù)線人員配置，確保外力破壞故障有效降低。并且秋檢前，該公司已完成了各單位關(guān)鍵崗位人員安全規(guī)程普考工作。目前，所屬各單位根據(jù)考試結(jié)果有針對(duì)性地加強(qiáng)培訓(xùn)，要求不合格人員待崗培訓(xùn)。

（來(lái)源：國(guó)家電網(wǎng)公司網(wǎng)站 2016-09-07）

2016-04-22。

趙冬冬（1984-），男，工程師，主要從事核電廠汽輪機(jī)及輔助系統(tǒng)維修與技術(shù)管理工作，email：zhaodd@cnnp.com.cn。

白小艷（1984-），女，助理工程師，主要從事電廠維修經(jīng)驗(yàn)反饋管理工作。