火電廠電動給水泵出水門頻繁故障原因分析

陳 鵬

江蘇華電揚州發(fā)電有限公司運行部

0 引言

某熱電聯(lián)產(chǎn)火電廠供熱機組為300 MW亞臨界機組，配備三臺50%容量的電動給水泵，機組正常運行時兩臺泵運行，一臺泵備用。基于供熱調(diào)峰機組，為適應負荷變化，降低廠用電率，電動給水泵啟停較頻繁，高負荷時兩臺給水泵運行，低負荷時僅需一臺給水泵運行即可滿足負荷需要。

因該機組投產(chǎn)時間較長，電動出水門使用頻繁，內(nèi)漏較嚴重，同時電動執(zhí)行器老化，需要通過技改進行更換。為此，電廠更換了三臺電動給水泵出水門，并配套了相應的電動執(zhí)行器。技改工作結(jié)束投運后，三臺電動出水門頻繁出現(xiàn)卡澀、閥桿銅螺母磨損、閥桿拉壞等現(xiàn)象，經(jīng)更換閥桿銅螺母、閥桿等配件，現(xiàn)象仍未消除。

1 原因分析

給水泵出水門結(jié)構(gòu)見圖1[1]。

圖1 電動明桿楔式單閘板閥

電動執(zhí)行器產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩帶動銅螺母轉(zhuǎn)動，銅螺母通過轉(zhuǎn)動將轉(zhuǎn)矩傳遞給閥桿，使閥桿上下運動，閥桿帶動閥芯，完成閥門的開啟、關閉操作。

通常情況下造成閥門卡澀、銅螺母磨損、閥桿拉壞等現(xiàn)象的主要原因有：銅螺母與閥桿的質(zhì)量存在問題，閥門的工作環(huán)境與設計不符，超出閥門材質(zhì)要求、閥門所受扭矩超出許用范圍、現(xiàn)場人為操作過力矩。

1.1 銅螺母與閥桿的質(zhì)量存在問題

因三臺給水泵均出現(xiàn)銅螺母磨損，閥桿拉壞等現(xiàn)象，檢修人員在消缺過程中已更換了損壞的銅螺母與閥桿，但機組運行一段時間后，銅螺母再次發(fā)生了磨損，說明電動執(zhí)行器與閥桿傳遞的力矩大或閥桿偏心，由此可排除銅螺母與閥桿材質(zhì)存在問題的可能性。

1.2 閥門的工作環(huán)境與設計不符，超出閥門材質(zhì)要求

該閥門的工作介質(zhì)為給水，正常給水溫度最高為160 ℃左右，最高給水壓力為18 MPa。閥門的選用材質(zhì)為WB36，設計溫度為425 ℃，遠遠高于介質(zhì)溫度，同時閥體也未出現(xiàn)裂紋、變形等現(xiàn)象，由此可排除閥門材質(zhì)的問題。

1.3 閥門所受扭矩超出許用范圍

1)電動執(zhí)行器輸出力矩的選取原則[2]

根據(jù)閥門相關規(guī)定，操作力矩是選擇閥門電動驅(qū)動裝置最主要的參數(shù)，電動裝置的輸出力矩應大于閥門操作過程中所需要的最大力矩。按閥門與電動執(zhí)行器匹配的一般原則，電動執(zhí)行器輸出力矩應為閥門最大操作力矩的1.2～1.5倍。

該機組新安裝的閥門扭矩銘牌需求為1 800 N?m，按匹配原則，所需電動執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)矩應為：1800×（1.2～1.5）＝2 160～2 700 N?m。

而為之配備的電動執(zhí)行器標稱轉(zhuǎn)矩順時針與逆時針均為4 800 N?m，顯然超出匹配原則范圍。

2)閥門配備的電動執(zhí)行器內(nèi)部有一個轉(zhuǎn)矩輸出控制裝置，按電動執(zhí)行器銘牌說明，其最小控制轉(zhuǎn)矩為1 600 N?m，最大為4 800 N?m，可以根據(jù)閥門的力矩需求，通過人工預先設定將輸出轉(zhuǎn)矩在1 600 ～4 800 N?m之間進行調(diào)整[3]。

轉(zhuǎn)矩控制機構(gòu)（圖2）的原理如下：

圖2 轉(zhuǎn)矩控制機械原理圖

該機構(gòu)由曲拐、碰塊、凸輪、分度盤、支板和微動開關組成。當輸出受到一定的阻轉(zhuǎn)矩后，蝸桿除旋轉(zhuǎn)外，還產(chǎn)生軸向位移，帶動曲拐旋轉(zhuǎn)，同時使碰塊產(chǎn)生角位移，從而壓迫凸輪，使支板上抬，當輸出軸上的轉(zhuǎn)矩增大到預定值時，則支板上抬直至微動開關動作，切斷電源，電機停轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)對電動裝置輸出轉(zhuǎn)矩的控制。

由此可見，轉(zhuǎn)矩控制是一個機械裝置，當輸出轉(zhuǎn)矩達到設定值后，支板上抬壓迫微動開關動作，斷開動力電源。即：在未斷開電源前，電動執(zhí)行器的最大輸出轉(zhuǎn)矩會達到它的設定轉(zhuǎn)矩，根據(jù)設定的范圍，最大輸出轉(zhuǎn)矩在1 600～4 800 N?m之間的某個值。即閥門的閥桿、閥芯的受力也同樣是在1 600～4 800 N?m之間的某個值。

現(xiàn)場查看了損壞的閥門及執(zhí)行器，發(fā)現(xiàn)電動執(zhí)行器轉(zhuǎn)矩輸出控制裝置的調(diào)整旋鈕均置于幾乎最大的位置，見圖3。

圖3 控制裝置調(diào)整旋鈕位置示意圖

即使按調(diào)整系數(shù)為0.9保守計算，電動執(zhí)行器的轉(zhuǎn)矩輸出最大轉(zhuǎn)矩設定為：4800×0.9=4320 N?m，而閥門所需的扭矩需求僅為1 800 N?m。即：一個僅需1 800 N?m 轉(zhuǎn)矩的閥門工作在輸出轉(zhuǎn)矩4 200 N?m的環(huán)境下。

3)電動執(zhí)行器行程控制機構(gòu)見圖4。該機構(gòu)由十進位齒輪組、頂桿、凸輪和微動開關組成，即計數(shù)器，其工作原理為：減速箱內(nèi)的主動小齒輪帶動計數(shù)器工作。如果計數(shù)器按閥門開或關的位置已調(diào)整好，當計數(shù)器隨輸出軸轉(zhuǎn)到預先調(diào)整好的位置（圈數(shù)）時，則凸輪將轉(zhuǎn)動90°，壓迫微動開關動作，切斷電源，電機停轉(zhuǎn)。

圖4 電動執(zhí)行器行程控制機構(gòu)原理圖

由此可見，行程控制是一個機械裝置，因機械傳動存在時間延遲，當計數(shù)器到位后，凸輪需轉(zhuǎn)90°才壓迫微動開關動作，斷開動力電源的時間滯后閥芯到達實際位置的時間。在這延遲的時間段，因閥芯已到位，而傳給它的轉(zhuǎn)矩還未停止，此時電動執(zhí)行器會繼續(xù)輸出力矩，最大達到4 320 N?m的轉(zhuǎn)矩直到動力電源被斷開。

由此可見，閥門所受的扭矩最大達到了4 320 N?m，而閥門的設計需求僅為1 800 N?m。

1.4 現(xiàn)場人為操作過力矩

正常情況下，給水泵出水門的開、關操作均由電動執(zhí)行器完成，無需人力進行操作；若發(fā)生問題，立即停止操作，該泵退出備用，等待設備廠家售后處理。整個過程沒有人為干預，因此不存在因人為操作而產(chǎn)生過力矩。而3 臺出水門均出現(xiàn)同樣故障，也不存在均為人為操作過力矩損壞。通過解體電動執(zhí)行器，未見明顯外力痕跡。

2 受力分析

行程控制系統(tǒng)是一個機械裝置，存在時間延遲，斷開動力電源的時間滯后于閥芯到達實際位置的時間。在這延遲的時間段，因閥芯已到位，而傳給它的轉(zhuǎn)矩還未停止，轉(zhuǎn)矩控制的設定值遠大于閥門所需的力矩。閥芯到位后，閥桿受阻，阻轉(zhuǎn)矩增加，電動執(zhí)行器會繼續(xù)輸出最大約4 320 N?m的轉(zhuǎn)矩直到動力電源被斷開。

因該機組是供熱調(diào)峰機組，每天的供熱負荷變化較大且頻繁。為節(jié)能降耗，降低電廠的廠用電，通常情況下會根據(jù)負荷情況增加或減少投運設備的數(shù)量，而電動給水泵作為電廠的重要輔機，是輔機中最大功率的設備。根據(jù)負荷變化，電動給水泵啟停較頻繁，基本上每天都有一次啟動和停止，有時還會有兩次。電動給水泵的出水門是隨給水泵的運行狀態(tài)進行操作，給水泵啟動后出水門打開，給水泵停運，出水門關閉。

每次電動出水門打開和關閉的行程即將到位時，閥桿受阻，阻轉(zhuǎn)矩增加，電動執(zhí)行器會繼續(xù)輸出最大約4 320 N?m 的轉(zhuǎn)矩直到動力電源被斷開。盡管延遲的時間很短，但4 320 N?m 的作用力卻頻繁地施加在一個設計只能承受1 800 N?m閥門的閥桿上，隨著閥門運行時間的積累，作用力超出了閥桿的許用應力，最終產(chǎn)生了塑性變形，閥桿會產(chǎn)生不可逆的變形彎曲。

當閥桿變形彎曲后，一方面，電動執(zhí)行器傳輸轉(zhuǎn)矩的銅螺母承受的摩擦力增加。在設計中，銅螺母的硬度低于閥桿硬度，是為了保護閥桿，當銅螺母被磨損產(chǎn)生了銅屑，隨著變形的加大，磨損會越來越嚴重，產(chǎn)生大量的銅屑。另一方面，閥桿變形彎曲后，會與閥蓋、填料等的摩擦加大，因執(zhí)行器的輸出轉(zhuǎn)矩設定較大，未能在超出閥門的需要轉(zhuǎn)矩時進行保護，將閥桿拉傷，產(chǎn)生了拉痕。

關于閥門出現(xiàn)的卡澀現(xiàn)象，隨著閥桿變形彎曲的嚴重，在閥桿的正常行程段與閥蓋、填料等摩擦加大，執(zhí)行器受到的阻轉(zhuǎn)矩加大，最終會達到4 320 N?m 的控制值，保護動作，斷開動力電源，于是產(chǎn)生了所謂的卡澀現(xiàn)象。

關于閥桿斷裂。當閥桿變形彎曲達到一定程度后，銅螺母向閥桿傳遞扭矩時產(chǎn)生的摩擦力加大，閥桿螺母的扭矩會被傳遞到閥桿上，當扭矩超過了閥桿材料的屈服應力，會沿閥桿的截面產(chǎn)生塑性變形，閥桿將產(chǎn)生內(nèi)部缺陷，隨著作用時間的積累，內(nèi)部缺陷逐步擴大，最終導致閥桿斷裂。

3 結(jié)論

綜上所述，由于未參照電動執(zhí)行器輸出力矩應為閥門最大操作力矩的1.2～1.5倍的選取原則，電動執(zhí)行器轉(zhuǎn)矩輸出與閥門所需的力矩要求不匹配，且電動執(zhí)行器轉(zhuǎn)矩輸出未能調(diào)整到閥門需求的力矩范圍，電動執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)矩明顯大于閥門所需的力矩，頻繁的超轉(zhuǎn)矩作用于閥桿上，使閥桿產(chǎn)生了塑性變形彎曲并在閥桿內(nèi)部產(chǎn)生了缺陷，最終出現(xiàn)了閥門卡澀、銅螺母磨損、閥桿拉傷斷裂的現(xiàn)象。

4 問題解決

找出了閥門卡澀、銅閥桿螺母磨損、閥桿拉傷斷裂的原因后，利用機組調(diào)停機會重新設定了電動執(zhí)行器輸出轉(zhuǎn)矩，更換了損壞的閥桿、銅螺母和閥蓋及填料，機組投入運行后，未出現(xiàn)類似的問題。