双座调节汽阀存在的问题及原因分析

摘 要：目前节流调节汽阀结构简单，在双座调节汽阀控制的设备上，阀门关小，蒸汽流量变小，往往无法在小流量下进行精确控制，在双座调阀完全关闭时仍有因温度等因素导致的漏气问题；阀门开大，蒸汽流量变大，时常导致阀碟抖动而最终影响阀碟与阀座的使用寿命，同时阀碟抖动也会通过阀杆传递到连接机构造成连接件磨损，长久如此会导致阀碟无法有效控制蒸汽的流量，甚至导致油动机产生磨损，进而影响汽轮机的正常工作。本文通过对双座调阀的结构和使用环境进行分析，提出有利的改进及优化措施，达到阀碟抖动少，小流量控制精准，关闭状态漏气量小，同时对其它部件影响小的双座导向式调节汽阀。

关键词：调节汽阀；双座阀；磨损控制；漏汽控制；工作稳定性

汽轮机调节汽阀结构型式分 为单座阀与双座阀。系统中，单座结构多用于提板式调阀，双座结构多用于大流量节流调阀。单阀双座结构的调节汽阀很大程度上简化了执行系统，减小了调阀体积，使汽轮机的外形精巧化，广泛应用于多种型号汽轮机。

结构上，双座阀的实际设计使用比单座阀有更大的复杂性。在过去使用的双座结构中已出现过类似阀碟、阀座磨损、阀杆弯曲断裂等问题。在新型机组的开发应用中，因要求承载流量的提高导致阀碟尺寸不断增大，由此也发生了阀碟组件旋转波动、密封不严漏气严重、调节力偏大，阀碟阀座磨损等现象。有些问题的产生是由于理论分析不充分，结构设计不完善导致的。

1 原因分析及对策

1.1 问题的具体分析

单阀双座调阀在使用过程中归结其存在的问题可以分为以下几点：

1.1.1阀碟与阀座的密封性问题

双座阀开启时是非接触结构（图1），其缺点是上下窗口很难同时研磨严密。运行时，阀碟组件对蒸汽温度的反应比阀座快，因此常导致阀碟比阀座的膨胀量更大，进而造成上窗口漏气严重。随着新蒸汽参数的提高或用于冷凝机组时，此缺点表现的尤为突出，以至于很难进行低速空负荷暖机试车甚至有可能出现空负荷下无法控制的情况，直接对安全造成不利影响。

1.1.2阀碟、阀杆的磨损问题

调阀属于运动结构，存在固有的机械磨损。现存两种结构形式，它们各有其优缺点。图1所示的是改进以前大量使用的调阀结构。其为卧式结构，磨损点A在长时间的运行后容易导致阀座定位圆孔磨穿，进而阀杆B点发生断裂现象。由于结构A处为小环面不仅影响通流面积，更不利于大流量调阀结构的改进。图2所示的是改进以后大量使用的调阀结构，其主要的磨损部位由原先的小环面A变为了上下阀碟侧环面接触部分C。由于使用了结构D，阀碟和阀杆存在了自由度，阀杆不再因阀碟的不同心导致断裂，但却出现了阀碟与阀座接触部分C的磨损问题。

1.1.3大直径的调阀碟提升力过大的问题

对于调阀阀碟直径超过Φ140时，作用在阀碟面上的力会明显增大，在阀碟不断增大的情况下，由于某些油动机执行器输出的扭矩限制，当需要的执行力无法满足实际需求时会造成调门波动，无法实现调阀的有效控制，这也加剧了阀碟与阀座的磨损。

1.1.4大流量阀碟使用平面端部的结构因素

如图1中的E端面，在许多大流量时因调门使用面积不足常把阀碟设计为平端面结构以提高通流面积。但平端面有着它的固有缺点，而型线结构的调阀在气流的作用下拥有比平板阀结构更优良的稳定性。此部分结构汽流成因我们通过ANSYS流场分析图2中的左侧球面即图3所示端面P，得到图4汽流速度云图。图4云图明显地表示出即使在球端面也容易产生汽流空穴。因此平板末端不稳定的气流造成变化的紊流压力无法让调门具有良好的稳定运行状态。

1.1.5材料对阀碟使用的影响

部分改进后的碳钢结构在图2中C面上出现明显的汽流冲蚀痕迹。这部分结构是由于活动要求必须保证的间隙值，漏气是一定存在的。但在汽流冲蚀后产生过大的汽道间隙影响了阀碟的使用寿命，同时也有可能造成阀座表面拉毛甚至隔筋断裂。此阀碟材料的长期使用会影响到机组稳定运行和空负荷状态汽轮机的轉速控制。

1.2 改进对策

为了避免出现上述问题而导致结构使用寿命过短，影响机组正常稳定运行，设定如下改进步骤。

a）设计改进；通过分析找出双座阀结构存在的问题，完善理论计算思路、优化结构设计方案。在气动模型下对阀碟阀座流场进行分析，为结构设计提供依据。

b）实际验证，积累数据；在明确改进方案后经过一段时间的机组运行考核，由实际使用效果验证改进方案的优劣。

c）归纳总结，确定最佳改进方案；在积累一定台数的使用经验后，总结运行数据，达到明确双座阀使用条件、改善调阀使用寿命、提升机组运行的可靠性，最终确定最佳的调阀系列方案。

2 优化分析及措施

对阀碟上作用力的计算限于静力学部分。分析单阀双座调节阀的五方面问题。其改进措施如下：

其一、优化调阀碟的上下阀结构，将下阀（远离阀杆的阀碟）与阀座的结构相互配合，利用退刀槽做一个汽封结构，降低甚至杜绝下阀的漏气；同时通过工艺设置两两阀碟阀座需配对使用，通过厂内空负荷试车确保下阀严密密封。在多次试验后我们发现，下阀密封的严密性能确保机组空负荷运行时的暖机转速得到控制。而上阀碟只能使用间隙密封，但合适的重叠度能大大降低漏气量，能有效控制空负荷运转，此方案在实际运行中得到了很好的验证。

其二、将正常运行状态下的阀碟侧面与阀座重叠，能减少运行时阀碟的侧向汽流受力面积，增大接触面积优化磨损点的受力，同时将调阀改为竖直结构，能有效避免阀碟组件集中受力，在长期的运行试验中也证实了此方案是可行的；而在卧式结构中需减少阀碟下部的集中受力只能通过尽可能降低阀碟自重，尽量降低阀碟受力线上的受力强度。鉴于此因素卧式阀碟无法无限制的提高阀碟直径，只能在较小阀碟结构下得到有效可靠的使用。

其三、提高油动机提升力是有效解决提升力不足的直接方案，但在汽轮机设计过程中阀壳及蒸汽室的通流面积偏小造成喷嘴前压力损失过大而导致汽轮机功率不足，而计算中使用压损系数时取值过大，会直接导致调阀部分成为节流过大的部分，小开度下过高的流速会让调门的磨损加剧，此问题在不少多阀提板式调阀中也得到印证，这只能优化运行工况点与阀碟开启行程的关系，让调阀尽量在较大行程下工作；

其四、尽量将阀碟设计为型线结构，这也保证了低负荷工况下的稳定运行。通过对双座下阀结构的分析，图3位置P处的空穴情况需要通过适当的实体填补以减小其对稳定流动造成的能量损失；同时改善阀碟端面的汽流运动情况。

其五，针对现场发现了气流冲击的现象，我们通过选用耐热不锈钢作为阀碟、阀座材料，同时对材料表面进行热处理为零件的性能提供必要的保证，进一步提高阀碟耐冲蚀的性能，这在运行中得到了有效验证。

3 总结

通过以上的分析和优化我们对阀碟进行了结构上的不断改进。在近六年中做过的大量运行试验得到有效验证，对运行结果的分析更进一步的优化了单阀双座结构；材料部分的改进通过长期运行验证了高强度耐热不锈钢的应用可以有效解决阀碟长期使用的气流冲击痕迹问题，使用普通合金结构钢通过表面氮化处理后也能有效提高阀碟抗蚀能力。同时，生产工艺的调整和阀碟结构的优化对调阀的密封严密性提供了有效保证。通过有效的分析与大量的试验很大程度上提高了阀碟的运行性能与使用寿命，为我公司产品的稳定运行与可靠性提供了有力的保证。

参考文献：

[1] 杨少国，叶东平.双座阀主要工作性能的试验研究[J].汽轮机技术，2009（10）.

[2] 武喜英，郑广增，伊莉.提高调节阀使用寿命及处理常见故障的办法[J].化工设计，2008（6）.

[3] 徐静霞，钱小东，徐俊杰，杜超，徐建，吴宗健，许海峰，王密彩.一种双座节流导向式调节汽阀：中国专利，ZL 2014 2 0261092.4[P].2014-09-03.

作者简介：

杜超（1985-），男，汉族，福建永安人，工程师，本科，工学学士，就职于杭州中能汽轮动力有限公司汽轮机研究所，主要从事汽轮机的设计开发工作。