给水泵最小流量循环阀故障分析及改进

陈凤官，明 友，王 渭，郝伟沙，耿圣陶，吴怀昆，高红彪，靳卫华

（合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031）

0 引言

最小流量循环阀是发电厂锅炉给水泵配套的关键设备[1]。目前新近建设的大型火电机组，尤其是超临界和超超临界机组，给水泵的最小流量循环阀几乎全部采用进口产品[2～4]。某厂发电机组的电动及汽动给水泵最小流量循环阀，即为随给水泵技术协议供货的美国Copes-Vulcan公司的气动调节阀，以高质量和软硬双密封阀座等特点在国内不少电厂获得了应用。

最小流量循环阀前后的压差，近似等于给水泵的进出口压差，该压差为全厂最大，致使该阀的内部工作环境极为恶劣，极易产生空化汽蚀破坏。因此，最小流量循环阀一般都是电厂较高端的控制阀，其设计、加工和选材，都有较高的要求。

在发电机组长时间运行后，最小流量循环阀的检修和维护是电厂普遍关心的问题。某厂的最小流量循环阀在长期使用中存在诸多问题，导致给水泵多次跳闸，甚至偶有严重导致机组跳闸的事故发生，影响机组的长周期稳定运行。

1 工艺工况及结构原理

1.1 工艺流程及工况

发电机组一般配备3台锅炉给水泵，其中2台为汽泵，1台为电泵，正常情况下电泵作为备用泵[1]。给水泵把来自除氧器的水加压至（20～30）MPa或者以上，送往高压加热器，最后进入锅炉。为保证给水泵的安全运行，给水泵需通过一定值的最低流量，以带走泵运行产生的热量，防止泵过热，并避免泵叶片产生汽蚀而损坏。

当机组刚启动或即将停机时，锅炉给水流量很小；出现事故时，锅炉给水流量也会减小。因此，为了保证给水泵的正常运行，在泵的出口需要安装一套再循环系统，把一部分水流量由泵出口回流循环至除氧器内，工艺流程如图1所示。

图1 最小流量循环阀工艺流程

通过最小流量循环阀的介质为水，温度约180℃，管道口径为（4～6）英寸，压力等级为Class2500。调节要求：给水泵的流量>585 t/h，最小流量循环阀关闭，给水泵流量＜260 t/h，给水泵再循环调节阀自动开启，并逐渐全开。

1.2 工作原理及技术参数

某厂配备的最小流量循环阀，采用双阀芯及软硬双密封阀座的结构（图2），该结构由内外两层阀芯组成，内、外阀芯之间可以在一定行程内相对运动，外层阀芯对应的是软密封阀座，内层阀芯对应的是硬密封阀座。在阀门开启过程中，当外层阀芯刚开启时，内层阀芯在弹簧的作用下，依然保持密封状态；当外层阀芯开启至一定行程（＜总行程的10%）时，内层阀芯逐渐开启。在阀门关闭过程中，内层阀芯先接触到阀座后，外层阀芯逐渐关闭。

图2 最小流量循环阀结构示意

双阀芯阀座结构在利用软密封阀座实现零泄漏的同时，又能把微小开度下的流体节流过程保持在远离软密封阀座的金属阀芯上，保证了非金属阀座不会被冲蚀，以达到长期零泄漏的目的。

最小流量循环阀的技术参数如表1所示，从表1可以看出其工作压差高达36 MPa，工况苛刻。针对高压差工况的调节阀，为防止在阀内产生空化汽蚀破坏，宜采用多级降压的方式[5]，降压原理如图3所示。由图3可知，流体介质在高压差条件下，通过普通调节阀压力会骤降至汽化压力Pv之下，然后再恢复至出口压力，必然会产生空化汽蚀；而若通过多级降压调节阀，压力则会以较小的幅度逐步降低，直至降至出口压力，整个流动过程始终保持压力在汽化压力之上[4]，从而避免了空化汽蚀的发生。

表1 最小流量循环阀技术数据

图3 多级降压防止汽蚀原理

2 常见故障及原因分析

2.1 螺栓断裂

根据循环阀的结构原理可知，内层阀芯通过3根内六角螺栓加弹簧紧固至外层阀芯及阀杆上。检修时发现几台最小流量循环阀的定位螺栓均断裂严重，且定位螺栓上的弹簧也发生了断裂，并导致阀芯卡涩在迷宫阀笼上，阀芯、减压阀笼损坏（图4）。

分析认为，发生螺栓弹簧断裂故障，主要原因是螺栓未能进行有效的防松处理[6]，在阀门长期操作过程中，螺栓逐渐松动，然后脱落，最终引起螺栓、弹簧断裂及阀芯损坏的故障发生。实践发现，通过点焊固定螺栓，依然时有故障发生。进一步判断认为应是点焊的结构强度不够，故对螺栓螺纹连接处进行满焊固定，自此螺栓断裂故障再未发生。满焊固定的缺点是不易拆卸维修。

图4 最小流量循环阀螺栓及弹簧损坏

2.2 阀内件卡涩

该厂某机组自投产以来，平时运行中常出现该阀门关不小、开不大，有时远操和近操都不能动作的情况，有时该阀门又能正常操作。例如，A泵的阀门在开度达到29%～31%时，继续给开大或关小指令阀门不动作，切为手动模式后手动调整不到位；B泵的阀门在开度59%时也出现此种情况，拆解后发现原因是阀芯卡涩（图 5）。

图5 阀芯卡涩损坏照片

从图5可以看出，阀芯导向表面有不同程度的异物附着，分析认为在机组正常运行时，介质水中存在一些氧化皮、杂质，如介质中的固体颗粒或管道中被冲刷掉的氧化皮、焊渣和锈物等[3]，当这些杂物直接进入阀内，此时的阀芯在阀笼内在上下活动，一些杂物进入阀芯与阀笼的间隙，造成堵塞、卡住等故障。

进一步分析认为，图2结构示意图中的过滤笼套（图6）的过滤效果不好，软硬双密封的阀芯结构对介质的要求比较高，不能较好地适应杂质工况。

图6 过滤笼套

2.3 阀芯及阀笼冲蚀严重

在发电厂的长期检维修实践中，发现最小流量循环阀发生最多的故障是阀芯及阀笼等内件冲蚀严重。先是在运行过程中最小流量循环阀始终不能100%关严，解体检查发现阀芯损坏严重，软密封损坏（图7），阀笼吹损严重（图8），更为严重的是阀体也出现吹蚀的孔。

分析认为，在机组长期运行中，随着机组负荷的变化，最小流量循环阀会频繁启闭。启闭过程中，尤其是小开度条件下，由于阀前后差压大，若不能有效地多级降压，则在阀芯开启或关闭瞬间凝结水容易产生闪蒸、气蚀现象，长期冲刷最终导致产生冲刷沟痕。

进一步分析认为，最小流量循环阀的迷宫笼套流阻系数小[2]，不能有效形成压降梯度，并且在阀芯开启或关闭的瞬间，节流处就发生在密封面处，导致阀芯及阀笼的冲蚀。也有部分情况是机组正常运行期间阀门因杂质卡涩，开关不到位或者关闭不严，使得节流介质长期冲蚀密封面，导致阀芯及阀笼损坏。

图7 阀芯冲蚀损坏

图8 迷宫笼套冲蚀损坏

3 结构改进

3.1 改进设计

利用迷宫盘片（图9）堆叠阀笼来替代原阀的迷宫笼套，其余结构设计与原阀保持一致。改进前后的阀内件对比见图10。该方案突出的优点是仅需更换一个零部件即可，且可以有效形成压降梯度。与原阀相比性能提高、检修周期延长，但长时间使用后，密封面的冲蚀损坏依然发生，且其阀芯结构复杂、拆卸维修困难的问题并未解决。

图9 迷宫盘片结构

3.2 持续改进

为解决密封面冲蚀问题，考虑在微小开度条件下，将密封面与节流面分离，采用一专利结构[7]，并改变阀门安装方向，即改变介质在阀体中的流向，由原来的低进高出（流开型）改为高进低出（流闭型）。改进后的结构如图11所示。

图10 阀内件改进设计前后

图11 新型最小流量循环阀结构示意

从图11可知，当阀芯开启至内节流套的开孔处，才能建立有效流道，即节流面发生在此处，从而延长了阀座处密封面的使用寿命。由于内节流套的开孔为对称开孔，流体流入时，会进行对冲消能，可以提高降压能力。此方案采用的阀芯、阀座结构简单，便于制造和维修，与其他改进或维修方案相比，由于阀芯、阀座等都是原阀的经常损坏的零部件，仅增加了内节流套，成本增加有限，性能效果却提升明显。

4 结语

最小流量循环阀的性能好坏是保障发电厂机组给水泵正常安全运行的关键，该阀工况条件苛刻，在生产实践中出现的问题，长期未能得到解决，以至于相关技术人员提出改用一种变速给水泵来达到取消最小流量循环阀的方案[8]。本文通过分析最小流量循环阀的工艺工况条件，对产生的问题进行总结与原因剖析，给出并优选了几种改进方案，实践表明，结构改进效果良好。

[1]王德学.300 MW锅炉给水泵最小流量阀的改进[J].中国电力，1997，（1）：61-62，67.

[2]史文玎，寇德林.给水泵最小流量阀改造前后数值模拟[J].流体机械，2016，44（6）：47-50.

[3]宋建军，徐宪龙，王殿仲.630MWe超临界机组给水泵再循环调节阀卡涩处理[J].电力技术，2010，19（9）：62-64.

[4]王金海，慕松，韦玉娜，武世敏.基于CFX的迷宫阀内流场数值模拟与试验分析[J].机械设计与研究，2015，31（3）：135-138.

[5]吴国熙.调节阀使用与维修[M].北京：化学工业出版社，1999.

[6]成大先.机械设计手册：第2卷[M].北京：化学工业出版社，2007.

[7]明友，王渭，陈凤官，等.高压差气固两相流调节阀[P].安徽：CN103423469A，2013-12-04.

[8]史达明，马文智.关于配有变速给水泵的机组取消给水调节阀的探讨[J].电力技术，1985（1）：47-52.