火电厂电动给水泵出水门频繁故障原因分析

陈 鹏

江苏华电扬州发电有限公司运行部

0 引言

某热电联产火电厂供热机组为300 MW亚临界机组，配备三台50%容量的电动给水泵，机组正常运行时两台泵运行，一台泵备用。基于供热调峰机组，为适应负荷变化，降低厂用电率，电动给水泵启停较频繁，高负荷时两台给水泵运行，低负荷时仅需一台给水泵运行即可满足负荷需要。

因该机组投产时间较长，电动出水门使用频繁，内漏较严重，同时电动执行器老化，需要通过技改进行更换。为此，电厂更换了三台电动给水泵出水门，并配套了相应的电动执行器。技改工作结束投运后，三台电动出水门频繁出现卡涩、阀杆铜螺母磨损、阀杆拉坏等现象，经更换阀杆铜螺母、阀杆等配件，现象仍未消除。

1 原因分析

给水泵出水门结构见图1[1]。

图1 电动明杆楔式单闸板阀

电动执行器产生的转矩带动铜螺母转动，铜螺母通过转动将转矩传递给阀杆，使阀杆上下运动，阀杆带动阀芯，完成阀门的开启、关闭操作。

通常情况下造成阀门卡涩、铜螺母磨损、阀杆拉坏等现象的主要原因有：铜螺母与阀杆的质量存在问题，阀门的工作环境与设计不符，超出阀门材质要求、阀门所受扭矩超出许用范围、现场人为操作过力矩。

1.1 铜螺母与阀杆的质量存在问题

因三台给水泵均出现铜螺母磨损，阀杆拉坏等现象，检修人员在消缺过程中已更换了损坏的铜螺母与阀杆，但机组运行一段时间后，铜螺母再次发生了磨损，说明电动执行器与阀杆传递的力矩大或阀杆偏心，由此可排除铜螺母与阀杆材质存在问题的可能性。

1.2 阀门的工作环境与设计不符，超出阀门材质要求

该阀门的工作介质为给水，正常给水温度最高为160 ℃左右，最高给水压力为18 MPa。阀门的选用材质为WB36，设计温度为425 ℃，远远高于介质温度，同时阀体也未出现裂纹、变形等现象，由此可排除阀门材质的问题。

1.3 阀门所受扭矩超出许用范围

1)电动执行器输出力矩的选取原则[2]

根据阀门相关规定，操作力矩是选择阀门电动驱动装置最主要的参数，电动装置的输出力矩应大于阀门操作过程中所需要的最大力矩。按阀门与电动执行器匹配的一般原则，电动执行器输出力矩应为阀门最大操作力矩的1.2～1.5倍。

该机组新安装的阀门扭矩铭牌需求为1 800 N∙m，按匹配原则，所需电动执行器输出转矩应为：1800×（1.2～1.5）＝2 160～2 700 N∙m。

而为之配备的电动执行器标称转矩顺时针与逆时针均为4 800 N∙m，显然超出匹配原则范围。

2)阀门配备的电动执行器内部有一个转矩输出控制装置，按电动执行器铭牌说明，其最小控制转矩为1 600 N∙m，最大为4 800 N∙m，可以根据阀门的力矩需求，通过人工预先设定将输出转矩在1 600 ～4 800 N∙m之间进行调整[3]。

转矩控制机构（图2）的原理如下：

图2 转矩控制机械原理图

该机构由曲拐、碰块、凸轮、分度盘、支板和微动开关组成。当输出受到一定的阻转矩后，蜗杆除旋转外，还产生轴向位移，带动曲拐旋转，同时使碰块产生角位移，从而压迫凸轮，使支板上抬，当输出轴上的转矩增大到预定值时，则支板上抬直至微动开关动作，切断电源，电机停转，以实现对电动装置输出转矩的控制。

由此可见，转矩控制是一个机械装置，当输出转矩达到设定值后，支板上抬压迫微动开关动作，断开动力电源。即：在未断开电源前，电动执行器的最大输出转矩会达到它的设定转矩，根据设定的范围，最大输出转矩在1 600～4 800 N∙m之间的某个值。即阀门的阀杆、阀芯的受力也同样是在1 600～4 800 N∙m之间的某个值。

现场查看了损坏的阀门及执行器，发现电动执行器转矩输出控制装置的调整旋钮均置于几乎最大的位置，见图3。

图3 控制装置调整旋钮位置示意图

即使按调整系数为0.9保守计算，电动执行器的转矩输出最大转矩设定为：4800×0.9=4320 N∙m，而阀门所需的扭矩需求仅为1 800 N∙m。即：一个仅需1 800 N∙m 转矩的阀门工作在输出转矩4 200 N∙m的环境下。

3)电动执行器行程控制机构见图4。该机构由十进位齿轮组、顶杆、凸轮和微动开关组成，即计数器，其工作原理为：减速箱内的主动小齿轮带动计数器工作。如果计数器按阀门开或关的位置已调整好，当计数器随输出轴转到预先调整好的位置（圈数）时，则凸轮将转动90°，压迫微动开关动作，切断电源，电机停转。

图4 电动执行器行程控制机构原理图

由此可见，行程控制是一个机械装置，因机械传动存在时间延迟，当计数器到位后，凸轮需转90°才压迫微动开关动作，断开动力电源的时间滞后阀芯到达实际位置的时间。在这延迟的时间段，因阀芯已到位，而传给它的转矩还未停止，此时电动执行器会继续输出力矩，最大达到4 320 N∙m的转矩直到动力电源被断开。

由此可见，阀门所受的扭矩最大达到了4 320 N∙m，而阀门的设计需求仅为1 800 N∙m。

1.4 现场人为操作过力矩

正常情况下，给水泵出水门的开、关操作均由电动执行器完成，无需人力进行操作；若发生问题，立即停止操作，该泵退出备用，等待设备厂家售后处理。整个过程没有人为干预，因此不存在因人为操作而产生过力矩。而3 台出水门均出现同样故障，也不存在均为人为操作过力矩损坏。通过解体电动执行器，未见明显外力痕迹。

2 受力分析

行程控制系统是一个机械装置，存在时间延迟，断开动力电源的时间滞后于阀芯到达实际位置的时间。在这延迟的时间段，因阀芯已到位，而传给它的转矩还未停止，转矩控制的设定值远大于阀门所需的力矩。阀芯到位后，阀杆受阻，阻转矩增加，电动执行器会继续输出最大约4 320 N∙m的转矩直到动力电源被断开。

因该机组是供热调峰机组，每天的供热负荷变化较大且频繁。为节能降耗，降低电厂的厂用电，通常情况下会根据负荷情况增加或减少投运设备的数量，而电动给水泵作为电厂的重要辅机，是辅机中最大功率的设备。根据负荷变化，电动给水泵启停较频繁，基本上每天都有一次启动和停止，有时还会有两次。电动给水泵的出水门是随给水泵的运行状态进行操作，给水泵启动后出水门打开，给水泵停运，出水门关闭。

每次电动出水门打开和关闭的行程即将到位时，阀杆受阻，阻转矩增加，电动执行器会继续输出最大约4 320 N∙m 的转矩直到动力电源被断开。尽管延迟的时间很短，但4 320 N∙m 的作用力却频繁地施加在一个设计只能承受1 800 N∙m阀门的阀杆上，随着阀门运行时间的积累，作用力超出了阀杆的许用应力，最终产生了塑性变形，阀杆会产生不可逆的变形弯曲。

当阀杆变形弯曲后，一方面，电动执行器传输转矩的铜螺母承受的摩擦力增加。在设计中，铜螺母的硬度低于阀杆硬度，是为了保护阀杆，当铜螺母被磨损产生了铜屑，随着变形的加大，磨损会越来越严重，产生大量的铜屑。另一方面，阀杆变形弯曲后，会与阀盖、填料等的摩擦加大，因执行器的输出转矩设定较大，未能在超出阀门的需要转矩时进行保护，将阀杆拉伤，产生了拉痕。

关于阀门出现的卡涩现象，随着阀杆变形弯曲的严重，在阀杆的正常行程段与阀盖、填料等摩擦加大，执行器受到的阻转矩加大，最终会达到4 320 N∙m 的控制值，保护动作，断开动力电源，于是产生了所谓的卡涩现象。

关于阀杆断裂。当阀杆变形弯曲达到一定程度后，铜螺母向阀杆传递扭矩时产生的摩擦力加大，阀杆螺母的扭矩会被传递到阀杆上，当扭矩超过了阀杆材料的屈服应力，会沿阀杆的截面产生塑性变形，阀杆将产生内部缺陷，随着作用时间的积累，内部缺陷逐步扩大，最终导致阀杆断裂。

3 结论

综上所述，由于未参照电动执行器输出力矩应为阀门最大操作力矩的1.2～1.5倍的选取原则，电动执行器转矩输出与阀门所需的力矩要求不匹配，且电动执行器转矩输出未能调整到阀门需求的力矩范围，电动执行器输出转矩明显大于阀门所需的力矩，频繁的超转矩作用于阀杆上，使阀杆产生了塑性变形弯曲并在阀杆内部产生了缺陷，最终出现了阀门卡涩、铜螺母磨损、阀杆拉伤断裂的现象。

4 问题解决

找出了阀门卡涩、铜阀杆螺母磨损、阀杆拉伤断裂的原因后，利用机组调停机会重新设定了电动执行器输出转矩，更换了损坏的阀杆、铜螺母和阀盖及填料，机组投入运行后，未出现类似的问题。