1000MW機組汽輪機油動機碟片彈簧破裂原因及預防措施

劉永民，韋淦馨

（廣東惠州平海發(fā)電廠有限公司，廣東 惠州 516363）

1 概述

某電廠1、2號機組系上海汽輪機廠生產(chǎn)的N1000-26.25/600/600型西門子超超臨界1000MW機組，其高、中壓缸共有9個氣門（高主、高調(diào)氣門各2個，中主、中調(diào)氣門各2個，補汽閥1個），分別由安裝于氣門的碟片彈簧式油動機控制。

2 油動機結構

西門子1000MW機組的碟片彈簧式油動機通過EH油系統(tǒng)的高壓油開啟，依靠彈簧力關閉。當高壓油作用在油缸的活塞上，克服彈簧力的作用，將油動機打開。當高壓油卸載后，蝶形彈簧迅速釋放彈力，在0.3秒內(nèi)快速關閉氣門。其特點如下：

2.1 油動機彈簧采用蝶形彈簧（如圖1所示）

蝶形彈簧具有負荷重、所需空間小、組合使用方便、維修換裝容易、經(jīng)濟、安全性高、使用壽命長等優(yōu)點。

西門子1000MW機組油動機蝶形彈簧生產(chǎn)廠為德國Mubea，材質為50CrV4（國內(nèi)牌號50CrVA），采用具有壓縮行程與蝶形彈簧的數(shù)量成倍數(shù)正比特點的反向堆疊法的組合。

圖1 油動機結構圖

2.2 蝶形彈簧有一定的預壓縮量

油動機在全關位置時，彈簧有一定的預壓縮量，提供預壓力，保證汽輪機氣門的嚴密性。

2.3 油動機為直裝式

油動機直接安裝在閥門上，蝶形彈簧腔室位于氣門與油動機中間，可以起隔熱的作用。

3 故障現(xiàn)象

該廠1、2號機組利用大修機會，對油動機進行返廠大修，發(fā)現(xiàn)1號機組2號高調(diào)閥；2號機組1號高調(diào)閥、2號中調(diào)閥油動機蝶形彈簧均存在不同程度的破裂情況，且具有如下共同特點：

(1)在機組正常運行中，油動機振動大，且有明顯異音。

(2)破裂的蝶形彈簧均存在不同程度的銹蝕，且存在明顯油跡。

(3)蝶形彈簧裂紋均為徑向裂紋（如圖2所示）。

圖2 蝶形彈簧破裂圖

(4)破裂的蝶形彈簧發(fā)生在彈簧腔室前部，即與活塞缸相連部位。

(5)裂紋斷口主要程輪胎花樣的疲勞裂紋。

4 原因分析

4.1 蝶形彈簧銹蝕嚴重，疲勞壽命縮短

隨著機組運行時間增長，氣門門桿漏氣隨汽封套磨損而不斷增大，大量的高溫蒸汽進入油動機彈簧腔室。防腐表層損壞的蝶形彈簧在潮濕的空氣中，表面形成一層薄水膜。這層水膜的存在，導致彈簧表面產(chǎn)生電化學腐蝕。但腐蝕的產(chǎn)物是疏松的鐵的氧化物的水合物，其不能隔絕鋼與氧、水的繼續(xù)接觸，因此在潮濕空氣中，腐蝕將不斷地繼續(xù)發(fā)展。如此繼續(xù)發(fā)展，將使蝶形彈簧強度不斷下降，從而導致蝶形彈簧疲勞壽命快速下降，提前出現(xiàn)破裂。

4.2 油動機安裝工藝不良，蝶形彈簧產(chǎn)生多軸疲勞

油動機在安裝過程中，油動機活塞桿與閥桿的同心度一旦超標過大，油動機在工作中，受壓縮的蝶形彈簧產(chǎn)生拉拉、彎扭等附加彎矩。隨運行時間增長，油動機蝶形彈簧易產(chǎn)生多軸疲勞破裂。同時，從現(xiàn)場碟片彈簧斷口呈輪胎花樣分析，是一種擦傷的疲勞裂紋痕跡，疲勞裂紋形成后，裂紋面的兩側有規(guī)律的反復張合，相對于面上的棱角或硬的夾雜物使斷口擦傷。

4.3 蝶形彈簧受EH油腐蝕，疲勞壽命縮短

EH油動機活塞桿密封主要依靠O型圈及密封圈密封。隨著運行時間增長，密封圈的磨損加大，密封性能下降，活塞缸內(nèi)的高壓油將沿著活塞桿滲出，從而進入彈簧腔室。EH油具有強烈的腐蝕性，當彈簧油漆失效，EH油快速腐蝕彈簧，致使彈簧的疲勞壽命迅速下降，引發(fā)彈簧破裂。

4.4 蝶形彈簧疲勞斷裂

高調(diào)閥屬于調(diào)節(jié)閥，隨不同負荷處于不同開度，故高調(diào)閥油動機開度一直處于變化中，其蝶形彈簧長期在交變、沖擊和突變的載荷作用下工作，故蝶形彈簧容易產(chǎn)生疲勞斷裂。

4.5 蝶形彈簧含有夾雜物。

蝶形彈簧鋼對潔凈度要求極其嚴格，其性能與鋼中的非金屬夾雜物的特性與含量緊密相關。一旦在生產(chǎn)過程中控制不嚴，彈簧內(nèi)的夾雜物將使其使用強度和疲勞壽命嚴重下降。

綜上分析，油動機蝶形彈簧破裂的主要原因為氣門門桿漏氣大、EH油動機活塞桿滲油、現(xiàn)場安裝工藝不良等多種因素共同作用，致使油動機蝶形彈簧疲勞壽命縮短，最終導致彈簧破裂。

5 處理及預防措施

5.1 缺陷處理

鑒于油動機為汽輪機調(diào)速系統(tǒng)的重要部件，直接關系汽輪機轉速和負荷的控制，而且蝶形彈簧在機組甩負荷時，直接關系到汽輪機超速問題，故利用大修機會，對油動機蝶形彈簧進行如下處理：

(1)更換所有破裂的蝶形彈簧。

(2)對所有蝶形彈簧進行全部著色檢查，排除存在的隱性裂紋。

(3)對蝶形彈簧防腐層破損處進行修復。

(4)嚴格執(zhí)行西門子制定產(chǎn)品設計和性能試驗測試規(guī)范。油動機主要性能指標（耐壓試驗、彈簧力F1、彈簧力F2、摩擦力F、開關時間、快關延時時間、快關時間等）達到設計要求后，方能驗收出廠。

5.2 預防措施

為防止油動機蝶形彈簧破裂情況再次發(fā)生，有效延長其使用壽命，可從如下幾方面進行預防：

(1)加強對氣門門桿漏氣的監(jiān)測。對日常巡檢，每天對氣門門桿漏氣監(jiān)測1次。同時可對門桿漏氣進行優(yōu)化，將門桿漏氣引入軸加風機入口或者凝汽器，從而有效防止蒸汽進入彈簧腔室。

(2)建立油動機監(jiān)測臺賬。在機組啟停或正常運行時，對油動機運行狀態(tài)進行監(jiān)測，檢查油動機活塞桿是否存在漏油、彈簧腔室是否存在滴水或滴油等異常，錄入監(jiān)測臺賬。

(3)減少氣門活動性試驗。因為在機組閥門活動性試驗時，在油動機彈簧關閉時產(chǎn)生非常大撞擊力，使得蝶形彈簧容易產(chǎn)生裂紋。

(4)合理選擇油動機檢修單位。目前油動機檢修單位水平良莠不齊，故在選擇檢修單位時，應對其業(yè)績、口碑等進行深入了解，該檢修單位是否具有一套完善的油動機裝配、廠內(nèi)產(chǎn)品測試、驗收測試、油動機－閥門聯(lián)調(diào)測試及質量保證體系。在檢修過程中能否完全執(zhí)行西門子制定的產(chǎn)品設計和性能試驗測試規(guī)范。

(5)提高現(xiàn)場油動機安裝工藝。在安裝油動機時，確保油動機端聯(lián)軸器與氣門端聯(lián)軸器平行度≤0.03mm，保證油動機活塞桿與氣門門桿中心差≤0.03mm，從而有效減少蝶形彈簧產(chǎn)生多軸疲勞。

(6)做好蝶形彈簧備件。由于蝶形彈簧生產(chǎn)商為德國Mubea，其產(chǎn)品質量有一定保證，但備件采購周期長，故為能夠快速滿足檢修要求，可采購一定數(shù)量的蝶形彈簧作為緊急備件。

6 結語

隨著西門子超超臨界1000MW機組油動機運行年限的增多，其蝶形彈簧破裂問題會逐漸增加，這一問題應引起重視。如果能及時有效的對異常現(xiàn)象進行認真細致的檢查、分析，并制定有效的處理及預防措施，可有效防止不安全事件的發(fā)生，以確保機組長周期安全穩(wěn)定運行。