国产600MW汽轮机调节汽门阀杆脱落原因分析

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国产600MW汽轮机调节汽门阀杆脱落原因分析

摘 要：某电厂国产600MW汽轮机高压调节汽门运行中多次出现阀杆脱落的问题。本文主要从制造缺陷与安装工艺两个方面深入分析的阀杆脱落的原因，认为阀杆套底孔加工失误、螺纹加工间隙过大、安装紧力不足等因素是造成汽门阀杆脱落的主要原因，并结合实际，给出了行之有效的解决阀杆脱落问题的办法。

关键词：600MW汽轮机；高压调节汽门；阀杆脱落；螺纹

1 引言

调节汽门阀杆断裂是电厂汽轮机严重故障之一，这个问题曾经困扰电厂多年[1,2,3] ,随着阀门结构、材料与工艺的改进，近几年这类事故鲜有发生，但600MW汽轮机高压调门阀杆脱落的现象时有发生[4] ,同样威胁着汽轮机组的安全运行。某发电厂四台汽轮机组均为是国产的600MW亚临界、单轴、四缸、四排汽、中间再热、凝汽式汽轮机，机组型号为N600－16.7/538/538，在正常运行中多台次出现高压调门阀杆脱落，给机组的安全运行带来了极大的威胁，据了解，国内其它电厂同类型机组也多次出现类似问题，为此，本文针对该类型机组的这一现象进行分析，以起到借鉴作用。

2 阀杆脱落时的现象

阀杆断裂一般发生在阀杆头部[2]，而引起阀杆脱落的部位一般发生在阀杆与阀杆套的接合处。与阀杆断裂不同的是，汽轮机高压调门阀杆脱落不是瞬间完成的，往往需要长达半月之久的时间来完成松动、扭曲与脱落这一过程。阀杆松动初期，这个现象往往很难发现，在松动后期，机组负荷变化时，阀门开度常会出现晃动现象，尤其是在降负荷阶段；当阀杆相对阀杆套发生扭动时，一般情况下起固定作用的销钉已经断裂，可观察到断裂的销钉突出在销孔以外的现象；阀杆彻底脱落时的现象较为明显，一般会表现出汽轮机高压端转子振动与轴承金属温度突变、汽门大幅度晃动、机组协调失稳、出力不足等现象，在阀门全开的情况下，可以看到阀杆与阀杆套之间存在明显相对位移。

3 阀杆脱落处的结构

图1表明了汽门阀杆与油动机接合处的结构。阀杆与阀杆套通过螺纹连接，连接后配装销钉（φ12×120），销孔配合间隙为0～0.01mm，阀杆与阀杆套定位处配合间隙为0.05～0.15mm，阀杆顶部与阀杆套之间有螺纹连接。

图1 阀杆与阀杆套装配图

4 阀杆脱落原因分析

某电厂汽轮机检修时发现，阀杆和阀杆套螺纹齿尖磨损程度已超过一半，阀杆与连接套之间的圆柱销钉已断裂，阀杆轴头与阀杆套底孔之间有锈迹，该厂几台机组多个阀杆脱落的汽门均存在此现象。初步分析认为，过大向上或向下的拉力作用造成连接螺纹及销子损坏是阀杆脱落的直接原因，而圆柱销钉材质不合格、安装工艺不合理也是重要的影响因素。

4.1 阀杆套底孔加工失误

为保证汽轮机打闸停机时能各汽门能够快速关闭，油动机弹簧的作用力需通过阀杆端面可靠地传递至阀头。设备厂家要求，阀杆装配时需要着色检查确认阀杆轴头端面与阀杆套底孔接触面积不小于80%，然后再装配固定销钉。但对阀杆脱落的汽门进行解体后发现阀杆套底孔并非平面而是一个弧面，如图2所示，而阀杆轴头端部为一平面，两者的接触为线接触。最后确认，设备出厂前底孔用钻头加工后缺少铣平的工序，造成底孔为钻头加工后形成的圆弧面，造成阀杆轴头与阀杆套底孔不是面接触。在机组运行中，阀杆套底孔和阀杆轴头由于线接触受力而产生变形进而产生间隙，阀门关闭时弹簧巨大的冲击力直接作用在连接螺纹和销钉上，造成连接螺纹和销子的损坏。

图2 汽门阀杆套底孔

4.2 连接螺纹配合间隙过大

阀杆与阀杆套连接螺纹为M56×2mm，按照GB-T197-2003《普通螺纹公差》标准，螺纹配合间隙应为0.12～0.25mm，而实际安装时阀杆和阀杆套配合间隙为0.40～0.70mm，这就使得内外螺纹接触面积过小，螺纹受力时极易损坏，如图3所示。

图3 损坏的阀杆轴头螺纹

图4 断裂的销钉

4.3 圆柱销材质与设计不符

阀杆与阀杆套的定位圆柱销材质应为C422，即2Cr12NiMo1W1V，而对断裂的销子（图4）检验发现，其实际材质为45钢，材质与设计不符，造成圆柱销强度不够，易发生损坏。

4.4 安装工艺不当

按要求，阀杆装配时,阀杆与阀杆套之间紧力矩为904N·m，但实际安装时并未采用力矩扳手，就存在安装紧力不足的可能；同时阀杆套上的销孔大于阀杆上的销孔，圆柱销钉与阀杆套的间隙过大。该类型汽轮机汽门阀头为球形，有较好的流量特性，但其阀座喉部的易出现压力脉动，造成阀杆垂直或横向振动[5] ，产生汽流激振，在此影响下，阀杆发生转动，加剧阀杆套螺纹磨损，磨损后轴向间隙进一步扩大，在振动的影响下，固定销钉承受交变应力的作用，长时间后发生销钉弯曲甚至金属疲劳断裂。安装时如螺纹上有毛刺等缺陷，也可能造成安装时螺纹的咬死，使得螺纹紧力达到而接触端面未受力，在运行中螺纹也会受力而损坏。

5 防止阀杆脱落的对策

机组在运行时，及时发现调节汽门阀杆松脱现象可以将其产生的危害降到最低，加强相关运行数据、尤其是汽门开度、轴承金属温度与转子振动等数据的检查与对比可以发现阀杆松动异常，及时处理，避免事故扩大。另外，阀杆与阀杆套之间的相对位置进行标记，可以帮助观察两者之间是否发生相对位移，有助于对事故的判断。阀杆脱落后，如能够确认它可以正常关闭，可以采取临时固定措施，保持它在一定范围内开关，而不影响机组的正常运行，并择机处理。 汽轮机检修时，安装前要检查确认阀杆和阀杆套配合螺纹间隙符合要求，确保各部件材质无误，连接螺纹应光洁无毛刺等缺陷。在安装时严格按照紧力要求，将阀杆紧固到位，同时进行着色检查，确保阀杆轴头端面与阀杆套底孔接触面积不小于80%。如阀杆销孔与阀杆套销孔错位，则可采取在阀杆端面与阀杆套底孔之间加垫片的方法。在销孔基本不错口的情况下，重新铰孔并配装销子，保证阀杆套、阀杆的销孔与圆柱销的配合间隙为0～0.01mm。在检修中如未更换阀杆套和阀杆，在销孔错口无法调整到位的情况下，可以在与原销孔90°方向重新打孔并配装销钉。长期运行结果表明，经过安装阶段的严格把关，高压调节汽门阀杆脱落现象基本消失。

6 结束语

国产600MW汽轮机高压调节汽门阀杆脱落现象近年来呈多发现象，尤其是在新投产的机组上更为常见，首次脱落一般发生在新机组投产一年半左右，这个问题应引起各方面的重视。汽门检修时，应对上述各个问题进行检查，严格执行安装工艺，保证安装质量；部分问题可以与设备厂家进一步沟通，讨论是否可变更设计，如阀杆与阀杆套的连接方式改为卡圈式连接，取消螺纹连接，以彻底避免产生螺纹损坏造成阀杆脱落。

[1]郑生斌，张小三， 张龙英.汽轮机调速汽门阀杆断裂问题分析与探讨.[J] 山西电力，2001（6）：35-36

[2]郑绍臣，高福升，汽轮机调速汽门阀杆断裂原因及结构改进.[J] 中国电力，1996（10）：51-52

[3]张奇，徐义巍，捷制500MW汽轮机组高压调汽门门杆断裂的原因分析及改进.[J]山西电力，2002（10）： 63-65

[4]李彦东，李之栩，300MW汽轮机调节汽阀阀杆脱落原因分析.[J] 热力发电，2007（8）：64-65

[5]屠珊，孙弼，毛靖儒，气流诱发调节阀杆振动的研究.[J] 动力工程，2004（5）：729-731

作者简介：胡剑（1974-）：男，安徽马鞍山人，工程师，长期从事电厂汽轮机技术管理工作。