9FA燃机/汽轮机主蒸汽截止和控制阀故障

丁勇能 朱伟雄

作者通联：杭州华电半山发电有限公司 浙江杭州市拱康路200号 310015

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杭州华电半山发电有限公司的STAG109FA 390MW单轴联合循环机组，是目前国内大型燃气/蒸汽联合循环发电机组之一，由美国通用电气（GE）公司提供设备。2号燃气轮机组在调停后正常启动，当机组负荷280MW时，汽轮机主蒸汽压力升高至10MPa，比正常偏高2MPa；主蒸汽流量238t/h，比正常减少8t/h。此后机组无法在正常主汽压力、主汽流量下满足额定负荷要求，机组负荷只能维持在300MW左右。通过检查，判断是主蒸汽截止和控制阀（MSCV）阀座密封面脱落，引起汽轮机高压部分通流部件损坏。

一、主蒸汽截止和控制阀结构和功能

MSCV是一只组合阀门，它们装设在一只共同的阀体内，控制阀的阀碟位于截止阀的阀碟之上，并包裹着截止阀的阀碟。但是，截止阀和控制阀均有相互独立的运动部件和液压执行机构，确保设备的可靠性。图1为主蒸汽截止和控制阀体剖面图。

控制阀的主要功能是进行速度和负荷控制，是防止超速的第一道防线，当汽轮机转速升到超过规定的数值时控制阀被强制全关。在正常启停机状态下，根据电液控制系统的电信号，用伺服阀来操纵控制阀，来防止汽轮机的超速；在故障跳机状态下，控制阀的最终12%行程的关闭力由弹簧和不同流量时蝶阀的压力降提供。正常运行时控制阀在全开位置，汽轮机的主蒸汽参数由锅炉侧控制。

图1 主蒸汽截止和控制阀体剖面图

截止阀的主要功能完全是为了在事故状态下提供应急保护，是在正常转速控制装置故障时提供第二道防线，它是紧急跳闸系统的一部分。由独立的液压执行机构控制截止阀的全开或全关。在有跳机信号时，全关该阀门。

二、主蒸汽截止和控制阀损坏情况

在将MSCV解体后，目视检查发现控制阀阀座的密封面有金属部件缺失和较多的裂纹（图2）。同时检查了控制阀的阀芯和截止阀的阀座、阀芯，均未发现图2的情况。控制阀阀座密封面缺失的金属部件无阻碍的进入了汽轮机高压透平侧，冲击汽轮机高压前几级的静叶片和动叶片，从而造成静叶片和动叶片的损坏，叶片的正常流道被破坏。这是机组未能带满负荷的主要原因。图3、4所示，为静叶片和动叶片的损伤情况。

查阅资料可知，控制阀阀座表面有钨铬钴合金嵌体，通过特殊的镶嵌工艺嵌在控制阀的阀座上，以保持与截止阀的密封表面紧密。通过PT（Penetrate Testing）渗透检测/渗透探伤检查，表明钨铬钴合金与母材界面有多处裂纹，裂纹蔓延的本性说明存在附加应力，一旦发生裂纹，它通常沿着钨铬钴合金与母材之间较硬的混合层蔓延。裂纹产生和钨铬钴合金脱落有四个方面的原因。

（1）有疏水从主蒸汽导气管或阀座的疏水口倒流入阀门，沉积在阀门密封盘上疏水孔侧。在机组启动时，大量的新蒸汽进入MSCV，在流经控制阀阀座时，阀座受热膨胀，但由于阀座疏水孔侧存有积水，相对密封面侧温升明显较慢，结果密封面侧膨胀较快，疏水孔侧膨胀较慢，密封面侧（钨铬钴合金嵌体）受到附加的拉应力；在机组停机时，情况刚好相反，密封面侧膨胀收缩较快，疏水孔侧收缩较慢，密封面侧受到附加的压应力。

图2 主蒸汽截止阀阀座密封面PT检查

图3 第一级静叶片损坏情况

图4 第一级动叶片损坏情况

如果阀座的疏水管道布置不合理或疏水排放不及时，在机组启停过程中阀座的钨铬钴合金嵌体会受到拉应力和压应力的交变作用。对需要日开夜停的调峰机组，这种交变应力的存在对阀座钨铬钴合金嵌体的镶嵌工艺提出了更高的要求。而事实上，由于电网和天然气网的问题，目前大部分燃气机组无法实现长期连续运行。

（2）出现机组故障跳机情况，运行操作不当，在关闭控制阀过程中，超出控制阀每次操作≤10%行程的要求，控制阀均会自动全关，这时液控装置在控制阀达到最终12%行程的时候已经提前泄压完成，控制阀最后12%行程将由弹簧和蒸汽在碟阀上下的压力降提供，实现快速关闭，对阀座的钨铬钴合金嵌体产生额外冲击。

（3）钨铬钴合金的镶嵌工艺有缺陷，或者在镶嵌过程中产生的瑕疵，导致钨铬钴合金与母材的结合不密实或者夹层。

（4）钨铬钴合金的材料选择不合理，与母材的热膨胀系数不一致，在机组运行过程中受热后产生附加应力。

三、预防和检修

由于MSCV的钨铬钴合金脱落是直接进入汽轮机高压透平，会严重损害高压透平静、动叶片，需要汽轮机开高中压缸，更换、修理透平静、动叶片。考虑到从国外采购静、动叶片等备件的采购周期会非常的漫长，会给电厂带来巨大的直接损失和不可估量的间接损失。故此类故障因引起电厂的高度重视，建议采取并不限于以下措施：

（1）检查主蒸汽进口管道和MSCV阀体疏水口和疏水阀。确保疏水口的通畅，和疏水阀可正常启闭，检查疏水管道的斜度是否符合安装要求。同时需要检查在机组启停过程中，有关疏水阀的操作规范是否符合GE操作和维护手册的要求，并得到有效的执行。

（2）在常规MSCV维护过程中，对阀座必须进行目视检查和PT或超声波检查。任何钨铬钴有裂缝或缺失的情况都必须更换阀座。一般对连续运行机组，结合CI（Combustion Inspection）燃烧室检查（相当于国内的小修级别，一般8000当量运行小时一次），对MSCV阀座进行检查，如果是日开夜停或者频繁启停的机组，检查周期需要进一步的缩短。

（3）加强机组的运行管理，提高运行操作水平，尤其是在关闭控制阀的时候，必须严格的按照操作规程执行，杜绝超10%量程的操作，减少对阀座钨铬钴合金嵌体的冲击。

（4）加强对备用阀座的管理。阀座的钨铬钴合金嵌体是可修复的。对新采购或修复的阀座，必须进行目视检查和PT或超声波检查，确保质量。

（5）一旦发生阀座密封面脱落，从而损坏高压透平。机组应尽快停机，随着时间的推移，损坏的高压透平部件有可能失效或固定在隔板上的部件可松动，造成附加损失。