汽輪機(jī)旁排閥無法全關(guān)故障分析及處理

蔣文結(jié)

（三門核電有限公司，浙江臺州 317112）

0 引言

汽輪機(jī)旁排閥屬于核電站的CC 級設(shè)備，其能否正常運行關(guān)系到機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。三門核電有限公司（以下簡稱“三門核電”）每臺機(jī)組共計有6 臺汽輪機(jī)旁排閥，分為3 列，每列并列分布2 臺，分別與凝汽器的3 個凝汽室入口相連通。6 臺汽輪機(jī)旁排閥設(shè)計上能夠承受汽輪機(jī)甩負(fù)荷時的全部蒸汽排量。三門核電2 號機(jī)組在并網(wǎng)后升功率期間，用于日常調(diào)節(jié)蒸汽流量的某臺汽輪機(jī)旁排閥卡在53.7%閥位，無法全關(guān)，該管線持續(xù)排蒸汽導(dǎo)致機(jī)組無法升功率，嚴(yán)重影響機(jī)組的正常運行。本文從旁排閥的結(jié)構(gòu)、動作原理出發(fā)，并對其進(jìn)行受力分析，找出閥門無法全關(guān)的可能原因，并根據(jù)實際情況進(jìn)行診斷排除，最終確定閥門無法全關(guān)的根本原因，并給出處理方案以及預(yù)防措施。

1 結(jié)構(gòu)、動作原理

三門核電的旁排閥設(shè)計選型為氣動截止閥，閥門本體主要包括閥蓋、閥芯、閥座、平衡缸、閥籠及閥體等部件（圖1）。為了減小執(zhí)行機(jī)構(gòu)的提升力，閥芯設(shè)計成主閥芯、先導(dǎo)閥的形式，先導(dǎo)式閥芯安裝在主閥芯內(nèi)部，該先導(dǎo)閥具有ANSI/FCI-70 Ⅴ級的隔離能力。

圖1 旁排閥結(jié)構(gòu)

旁排閥的氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括支架、閥桿連接器、彈簧/彈簧導(dǎo)向盤、扼架、手輪裝置以及膜片組件等部件（圖2）。三門核電旁排閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了反作用式的氣動薄膜機(jī)構(gòu)，即閥門在開關(guān)過程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的膜片組件保持不動，而膜片蓋帶著執(zhí)行機(jī)構(gòu)推桿及閥桿組件上下運動。采用此類形式執(zhí)行機(jī)構(gòu)的優(yōu)點是膜片無螺栓孔或裝配孔，保證了膜片的完整性，在動作過程中保證恒定的提升力，從而減少氣體的泄漏通道，并保證了維修的超可靠性。

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2 受力分析

旁排閥的閥芯設(shè)計是非平衡式的，介質(zhì)流向為上進(jìn)下出式。在旁排閥關(guān)閉過程中閥芯主要受力有：執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)閉力FC、填料摩擦力FP、閥芯不平衡力FU、系統(tǒng)差壓力FDP、閥芯的重力FW、閥芯與閥籠之間的摩擦力FDF、閥芯落座力FSL。旁排閥在關(guān)閉過程中的受力為：

由于旁排閥采用反作用式執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此閥門在關(guān)閉過程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)閉力來自于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧力，屬于正向力。關(guān)閉過程中，閥桿與填料之間的摩擦力以及閥芯和閥籠之間的摩擦力阻礙閥桿上下移動，因此填料摩擦力以及閥芯和閥籠之間的摩擦力是反向力。由于是介質(zhì)流向是上進(jìn)下出式，因此在關(guān)閉過程中，閥芯不平衡力、系統(tǒng)差壓力、閥芯的重力都與關(guān)閉力方向相同，屬于正向力。閥芯最終關(guān)閉后，所有力的合力都匯集到閥座密封面上而構(gòu)成密封力。通過上述分析，可將旁排閥閥芯受力公式細(xì)化為：

3 故障原因分析

3.1 原因故障分析

由于閥芯不平衡力FU、系統(tǒng)差壓力FDP、閥芯的重力FW都是提高閥門的關(guān)閉力，不會造成旁排閥無法全關(guān)，可以排除。因此，考慮到執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力、填料摩擦力、閥籠與閥籠之間的間隙以及行程限位等問題，可推斷出旁排閥在關(guān)閉過程中，無法全關(guān)的可能原因主要有：

（1）閥門的行程限位不當(dāng)，行程受阻。

（2）填料的摩擦力FP過大。

（3）閥芯與閥籠之間的摩擦力FDF過大。

（4）閥體內(nèi)有較大異物夾雜在閥芯和閥座之間，使得閥芯無法全關(guān)到位。

（5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)閉力FC不足。

（6）閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障。

3.2 現(xiàn)場排查

使用氣動閥診斷設(shè)備對旁排閥進(jìn)行了多次在線開、關(guān)試驗，并對其行程、閥桿受力、隔膜氣壓等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集（圖3、圖4）。

圖3 旁排閥診斷自動分析數(shù)據(jù)

圖4 旁排閥閥桿應(yīng)力和執(zhí)行機(jī)構(gòu)氣壓診斷曲線

通過對曲線進(jìn)行分析可知，閥門在多次開關(guān)過程中動作平穩(wěn)，無卡頓現(xiàn)象，閥桿的表面完好，無刮痕或毛刺，診斷設(shè)備測量出的最大填料摩擦力為633.3 lbf（1 lbf=4.45 N），沒有超過廠家的設(shè)定值772.6 lbf。因此可以斷定閥門無法全關(guān)不是填料摩擦力、閥芯與閥籠間的摩擦力過大或閥體內(nèi)有較大異物導(dǎo)致的。

旁排閥的關(guān)閉力來自于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈簧壓縮力，外觀檢查彈簧外表面良好，無銹蝕、裂紋或斷裂的現(xiàn)象，通過診斷測得彈簧的low bench set 值為29.632 psi（1 psi=6895 Pa），符合閥門出廠時的設(shè)定值范圍（出廠時的設(shè)定值要求不小于26.6 psi），因此可以排除彈簧輸出力不足的可能性。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)的手輪用于閥門全關(guān)時手動打開閥門。經(jīng)現(xiàn)場確認(rèn)，手輪驅(qū)動桿位于中性點以上位置，不會干涉閥門的行程，因此可以排除閥門行程限位的可能性。

閥門能多次開關(guān)，但旁排閥的閥位始終卡在53.7%左右，因此可以排除閥體內(nèi)有較大異物夾雜在閥芯和閥座之間的可能性。

在現(xiàn)場可以聽到閥門開關(guān)過程中明顯有介質(zhì)流量變化產(chǎn)生的振動和噪聲，因此可以排除閥芯、閥桿斷裂的可能性。

綜上分析，可以判定旁排閥無法全關(guān)的原因是執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部部件松動而影響閥門行程。在解體執(zhí)行機(jī)構(gòu)上膜蓋后，發(fā)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)手輪裝置的下部推力盤脫落，證實了上述判斷（圖5）。

圖5 手輪裝置推力盤位置

3.3 故障根本原因分析

三門核電汽輪機(jī)旁排閥的設(shè)計口徑為12 英尺，制造商MHI 之前從未設(shè)計如此大口徑汽輪機(jī)旁路閥，大流量與高壓差條件會造成旁排閥在控制過程中出現(xiàn)振動、噪聲等方面的問題，三門1/2 號機(jī)組汽輪機(jī)旁排閥在調(diào)試及正常運行期間均出現(xiàn)了高頻率的振動，導(dǎo)致部件松動及閥門定位器反饋臂受損而出現(xiàn)閥位波動。

通過初步分析、判斷可知，旁排閥無法全關(guān)故障是由于持續(xù)高頻振動導(dǎo)致手輪裝置的推力盤脫落，干涉了閥門行程，需要進(jìn)一步找出旁排閥高頻振動的根本原因。

三門核電汽輪機(jī)旁排閥在機(jī)組熱試以及100%功率運行期間，都有不可避免的振動現(xiàn)象，在同一閥門開度下振頻隨著機(jī)組運行功率的升高而升高，最大時甚至可達(dá)17 G。振動除了導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)部件松脫之外，還導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)的部分限位螺桿松脫、掉落以及定位器反饋臂受損影響定位器的精準(zhǔn)度。經(jīng)分析并咨詢閥門制造廠家后得知，由于主蒸汽系統(tǒng)的介質(zhì)屬于高溫、高壓的蒸汽，考慮到系統(tǒng)管道的布置、管道直徑、閥門的結(jié)構(gòu)類型以及介質(zhì)的壓力和溫度等因素，介質(zhì)在經(jīng)蒸汽管線、旁排閥進(jìn)入凝汽器時會不可避免地產(chǎn)生振動，這種現(xiàn)象在日本的核電廠也同樣存在。從目前的現(xiàn)場狀況來看，振動無法根除，只能采取措施進(jìn)行緩解。

4 故障處理及預(yù)防措施

4.1 處理措施

針對存在缺陷的旁排閥采取如下處理措施：

（1）在手輪裝置推力盤的螺桿上涂抹螺紋鎖固膠，回裝至執(zhí)行機(jī)構(gòu)上。

（2）檢查執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥體所有緊固件是否存在松動，如有松動則涂抹鎖固膠后重新緊固。

（3）對故障的旁排閥重新進(jìn)行診斷，確保閥門行程、落座力及氣壓等數(shù)據(jù)都滿足要求。

（4）重新在線開、關(guān)閥門，確認(rèn)閥門狀態(tài)良好。

（5）更換受損的旁排閥阻尼器，確保旁排閥減振裝置良好。

4.2 預(yù)防措施

針對其中一列旁排閥無法全關(guān)故障、成因以及造成的后果，制定了一系列預(yù)防措施。具體預(yù)防措施如下：

（1）PM 項目修改，通過定期巡檢、執(zhí)行機(jī)構(gòu)解體預(yù)維、振動檢查來提高設(shè)備運行期間可靠性。

（2）維修措施：對1/2 號機(jī)組所有旁排閥本體及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的部件進(jìn)行檢查、如有松動則涂抹鎖固膠、點焊防松，確保旁排閥牢固性。

（3）設(shè)計變更：將帶有反饋臂的定位器更換成非接觸式的磁吸式定位器，避免執(zhí)行機(jī)構(gòu)振動時對定位器造成損害，提高定位器的可靠性。

5 結(jié)論

分析研究汽輪機(jī)旁排閥無法全關(guān)故障，找出故障的根本原因，對缺陷處理和預(yù)防等措施進(jìn)行驗證，結(jié)論如下：

（1）系統(tǒng)不可避免的振動導(dǎo)致了三門核電2 號機(jī)組A 列汽輪機(jī)旁排閥手輪裝置部件、部分限位螺桿脫落，對閥門行程造成干涉，導(dǎo)致其無法全關(guān)。

（2）通過對部件涂抹螺紋鎖固膠、重新安裝及在線診斷試驗等處理措施，消除了旁排閥無法全關(guān)的缺陷。

（3）通過采取對三門核電其他旁排閥PM 項目、維修措施、設(shè)計變更等預(yù)防措施，確保三門核電所有旁排閥部件緊固狀態(tài)良好，最大程度上減少系統(tǒng)管道振動帶來的損傷，提高設(shè)備可靠性。

本文對旁排閥無法全關(guān)故障進(jìn)行分析，快速、準(zhǔn)確地找出故障的根本原因，正確制定維修方案，并給出預(yù)防措施，提高設(shè)備的可靠性。本文所給出的分析、處理方法及預(yù)防措施，對其他電廠處理旁排閥類似缺陷時具有參考、借鑒和指導(dǎo)意義。