汽轮机卧式主汽门泄漏与处理

重庆松藻电力有限公司 游利国 焦明飞 胡千彬

0 前言

150MW超高压机组为一次中间再热、单轴、双缸、两排汽凝汽式汽轮机组，该机组引进美国西屋技术。该类型机组自投产以来，自动主汽门存在不同程度漏汽情况，机组启动过程中，主汽压力升高到0.5Mpa时冷水冷汽漏入汽轮机，经常出现汽机盘车脱扣情况。机组在热态启动时，冷水冷汽进入汽轮机引起汽轮机调节级温度急剧下降，金属收缩不均引起变形；同时冷水冷汽漏入到汽缸，造成汽机盘车脱扣，造成汽机转子偏心超标，引起机组动静摩擦，汽机启动困难，情况严重者将引起汽机大轴永久弯曲，造成汽轮机组毁灭性灾难。

针对主汽门泄漏故障，分析研究了主汽门各部件受力情况，找出主汽门关闭不严密的真正原因，提出解决机组主汽门泄漏方法，并在机组检修中得以实践。对解决同类卧式布置汽机主汽门的泄漏故障具有重要的参考价值。

1 主汽门关闭理念分析

1.1 主汽门关闭时各部件受力分析

该150MW超高压机组自动主汽门为卧式布置，其总体可分为主汽门本体和操作机构两部分，其中本体包括:主阀碟、预启阀、主阀杆、衬套、弹簧导杆等。主汽门内部见上图所示。

由文献[3]可知汽机主汽门关闭时，主汽门弹簧力为52444.2牛顿，此力全部作用在主汽门弹簧导杆与主阀杆衬套接触面上。主汽门预启阀及主阀碟受推力为6.3±0.75×47.1=261.4～332.1牛顿（预启阀弹簧装配压缩量为6.3±0.75mm）。主汽门阀碟与调速汽门摩擦系统按0.2～0.3计算，则摩擦力为:172.91～259.37牛顿(由资料[5]可知，主汽门及预启阀组件总重为88.22kg),由此可见汽轮机主汽门在理想状态下，主汽门预启阀弹簧推力大于主汽门阀碟组件摩擦力，但没有富于量，该弹簧力作用力下很难实现关闭严密。西屋公司人员在设计该汽门时，不可能没有考虑到此力没有富于量，笔者认为该公司设计时主要是利用蒸汽压力密封。

1.2 主汽门设计理念

本主汽门设计人员设计本阀门关闭时采用了三处密封，即:一是主汽门关闭时依靠主汽门关闭弹簧将弹簧导杆压下，弹簧导杆端部直接与主阀杆衬套接触，实现主汽门关闭时门杆漏汽减少到最低。二是主汽门关闭时，预启阀依靠汽轮机主汽门预启弹簧力和蒸汽压力将主汽门预启阀推到关闭位置后带动主阀碟到关闭位置，然后依靠蒸汽压差产生密封。即汽机打闸后要求主汽门预启阀与主汽门主阀碟接触关闭、主汽门阀碟与阀门座实现接触关闭，实现主汽门预启阀、主阀碟关闭严密；同时弹簧导杆端部与主阀杆衬套完全密封，减少汽机门杆漏汽量。主汽门关闭实现三个接触面完全密封。

2 卧式主汽门关闭泄漏原因分析

2.1 主汽门阀杆弯曲和阀碟重力对关闭影响

由文献[1]可知，汽机主汽门阀杆弯曲变形量在阀门全关时，弯曲度达到最小值。汽机主汽门主阀碟与衬套间隙为0.25～0.33mm，由于重力影响，可推算出主汽门阀碟最大下垂度为0.57mm，由于汽轮机主汽门关闭时，主阀碟与阀座接触为球面接触，接触面大，故而主汽门关闭时由于重力和阀杆弯曲对主汽门关闭没有影响。

2.2 三个密封面的影响

根据前面分析可知，本汽轮机主汽门在关闭时要实现三个面接触密封，当汽轮机主汽门关闭后，由于弹簧导杆端部与主阀杆衬套接触，减少了主汽门关闭时门杆漏汽量，但在关闭时由于主汽门关闭压缩弹簧力全部作用在主阀杆衬套上，压缩弹簧力对主汽门主阀碟关闭不起作用，主汽门预启阀和主阀碟关闭完全依靠预启阀弹簧力各蒸汽压力实现关闭密封。机组在运行中，由于主汽门组件都处于高温高压环境中，长期运行时弹簧将发生蠕变(文献[4])，同时主汽门阀杆与衬套都会产生氧化皮(文献[2])，弹簧发生蠕变后，弹簧刚度将下降，氧化皮生成后汽机主汽门组件各活动间隙变小，摩擦力增大。运行中的机组由于蠕变和氧化皮影响，削弱了主汽门预启阀弹簧力，进一步造成主汽门主阀碟和预启阀关闭不到位，从而出现主汽门漏汽情况。

2.3 主汽门布置方式和加工精度的影响

主汽门采用卧式布置，机组在厂家出厂时密封线测量采用立式安装检查，立式安装检查时，汽轮机主汽门组件由于重力和预启阀弹簧力作用，主汽门预启阀和主阀很易实现接触密封。但到用户现场时，采用卧式安装，主汽门组件重力对关闭不能起到帮助作用，主汽门压缩弹簧力又不能直接传递到预启阀及主阀碟上，预启阀弹簧在正常情况下在主汽门关闭同时就已将主汽门预启阀及主阀碟推到了关闭位置。当主汽门关闭到位后，要实现弹簧导杆与主阀杆衬套和主阀碟与阀座两个密封面同时到位，加工精度和装配精度很难同时保证，从而主阀碟未真正到关闭位置而处于飘浮状态。由本文1.1分析可知，主汽门关闭主要依靠主汽门阀前蒸汽压力实现密封，机组启动时由于主汽门没有后没有蒸汽压力，主汽门主阀碟此时还处于飘浮状态，当机组启动锅炉升压后，蒸汽压力也不足以将主阀碟推到关闭位置。蒸汽进入汽机主汽门到调速汽门腔室，由于本汽机高压调速汽门本身也有一定间隙，蒸汽进入汽机主汽门后，沿着汽机调速汽门间隙进入汽机本体，从而出现漏汽。故而很多同类电厂新安装机组就出现漏汽情况。

3 主汽门漏汽处理方法

经对主汽门漏汽原因进行分析后，解决主汽门泄漏应由以下几个方面着手:

3.1 减少接触面

本主汽门关闭后要实现三个接触面同时接触，在主汽门关闭后关闭压缩弹簧没有对主汽门预启阀及主阀碟产生作用力，故而可以将弹簧导杆端部接触面打磨，以使主汽门关闭时关闭压缩弹簧力直接作用在主汽门预启阀及主阀碟上，实现关闭。

据调查，很多同类电厂在安装后第一次启动时，就发现汽机自动主汽门关闭不严密，机组启动时，当锅炉升压后主汽门后压力与炉侧压力相同，但做自动主汽门严密性试验时又能合格。本主汽门采用蒸汽密封，主汽压力较低时，主汽门不能关闭严密，此时阀前压力和阀后压力相同。蒸汽压力升高到一定程度后，阀门由于采用蒸汽压力密封，主汽门主阀碟被推向密封接触面，主汽门阀碟在关闭时密封面是球面密封，从而主汽门阀碟进汽侧投影面积大于出汽侧面积，主阀碟两侧产生压力差，该压力差作用在主阀碟上，使主汽门阀碟始终推向出汽侧。电厂在做主汽门严密性试验时，由于主汽压力高于额定压力的50%，以超高压机组额定压力为13.24Mpa为例，主汽门严密性试验压力为6.6Mpa以上，主阀碟与阀座接触面宽度约为2～5mm,则可推算出该压强作用在主汽门主阀碟上产生的压力大于32970牛顿。说明当蒸汽压力达到6.6Mpa以上时，主汽门完全能实现蒸汽密封。

由上分析可知汽机主汽门关闭弹簧力为52444.2牛顿,此压力直接作用在，相当于产生蒸汽压力为:11.1～27.6Mpa，由此可看出将弹簧导杆端部打磨后，主汽门关闭压缩弹簧力能实现完全关闭。

3.2 增加主汽门预启阀弹簧刚度

增加主汽门预启阀弹簧刚度，使主汽门预启阀关闭时预启阀弹簧能克服主汽门关闭时的各种摩擦力，使预启阀及主阀碟能更好的接触，消除泄漏。

3.3 改变主汽门阀杆形式

联系汽轮机生产厂家，重新设计主汽门阀杆，将主汽门预启阀弹簧取消，主汽门阀杆与预启阀做成一整体，靠主汽门关闭压缩弹簧力直接推动主汽门预启阀带动主阀碟关闭。

以上几种处理方法中，第2种方法还要汽轮机厂家重新进行弹簧刚度计算，且该阀门为美国的西屋公司设计产品，设计理论主要是采用蒸汽密封，从理论上能实现关闭，也不便于重新设计计算。同时增加弹簧刚度还是要确保两个密封面同时接触，加工精度和装配精度同样也很难保证，故而很难实现关闭严密。第3种方法从解决问题来看，是最能解决问题的一种方法，但对主汽门门杆及预启阀更换生产周期长、费用高，在大修时间内很难完成任务。第1种方法是可利用大修期间对主汽门弹簧导杆进行打磨，检修工艺简单，也不需要更换备品备件，故而用户在检修现场就能实现。

4 汽轮机主汽门泄漏处理在电厂中的实践

重庆松藻电力有限公司主汽门系卧式布置汽轮机，两侧主汽门漏汽较为严重，机组启动中存在严重的安全隐患，利用2011年机组大修对两侧主汽门漏汽进行了检修，检修方法主要对主汽门弹簧导杆进行了打磨，打磨量约为2.0mm。通过红丹着色检查主汽门弹簧导杆与主阀杆衬套接触情况，消除弹簧导杆与主阀杆衬套接触面，使主汽门关闭弹簧力直接作用在汽轮机预启阀与主阀碟上。经过检修处理后，机组启动时，锅炉压力升高后两侧主汽门阀后压力没有随着锅炉侧压力升高而增加，阀后压力使终为0，机组启动前阀门内壁金属温度不随主汽管道温度升高而升高。说明机经过以上检修处理后两侧阀门漏汽缺陷得以消除。

5 结束语

主汽门漏汽严重影响机组安全运行，在检修中要及时消除。通过实践证明，该类型主汽门漏汽主要是由于弹簧导杆端部与主阀杆衬套接触时，主汽门关闭压缩弹簧力不能直接作用在汽轮机预启阀及主阀碟上。经过对打磨弹簧导杆后，主汽门关闭弹簧力相当于预启阀弹簧力的157倍，即相当于主汽门关闭时就直接作用了11.1～27.6Mpa的蒸汽压力，故而主汽门压缩弹簧力能实现预启阀及主阀碟关闭严密。处理主汽门泄漏时提出以下几点建议:

5.1 弹簧导杆打磨量

由于主汽门阀杆与预启阀弹簧装配间隙为1.5mm，为确保主汽门关闭时阀杆能直接将预启阀推到关闭位置，建议将弹簧导杆与主阀杆衬套间隙打磨量大于1.5mm。为防止主汽门关闭时门杆漏汽量过大，打磨量不大于2.0mm，建议打磨量为1.6～2.0mm。但最终还是要通过红丹着色检查弹簧导杆与阀杆衬套接触面情况，以确保弹簧导杆端部不与阀杆衬套接触。

5.2 阀杆与弹簧导杆连接销保护

弹簧导杆打磨后，主汽门关闭压缩弹簧力全部作用在弹簧导杆与阀杆连接销上，该销直径为10mm，不能承担过大剪切力，故弹簧导杆打磨后应在阀杆端部加垫片，并通过红丹着色检查阀杆与弹簧导杆装配接合面，确保阀杆端部与弹簧导杆接触，减少弹簧导杆与阀杆连接销作用力，防止运行中剪断该销而引起事故。

5.3 汽机主汽门油动机缓冲行程

主汽门弹簧导杆打磨后，主汽门阀杆行程将会变化，为防止主汽门油动机缓冲行程过小，引起主汽门关闭时损坏油动机和确保主汽门关闭到位，应对主汽门缓冲行程重新进行调整，确保缓冲行程符合图纸要求。

[1] 戴义平,张俊杰,李磊.等卧式布置主汽门关闭特性研究.汽轮机技术2009,51(4):241-244.

[2] 梁学斌,何文,王树伟.高温氧化皮的问题探讨和防治.华北电力技术2007,增2:128-168.

[3] 游利国,汽机运行中主汽门突然关闭原因分析及处理措施.电厂电站设备2011,1:26-30.

[4] 宋琳生,电厂金属材料.中国电力出版社.2002.4.

[5] 主汽门图纸,180.30.41-1/1.上海汽轮机厂.