电站汽轮机高压调节阀机械故障分析及处理对策

鱼凤萍，郭平英

（1.宁夏电投银川热电有限公司，宁夏 银川 750021；2.陕西电力科学研究院，陕西 西安 710048）

0 引言

汽轮机高压调节阀是调节保安系统的关键部件，主要作用是使汽轮机组适应电负荷和热负荷变化的要求，通过控制阀门开度变化，改变进入汽轮机的蒸汽量[1-3]。

电站汽轮机高压调节阀工作温度一般超过500℃，且经常处于跟踪调节状态，工作状态既有缓慢变化的运动状态，又有危急保安情况下的冲击状态。从高压调节阀工作介质的流动工况来看，属于亚声速流动。压力波的扰动以声波速度传播，既可以向上游传播进入主蒸汽管，也可以向下游传播进入高压汽缸。高压调节阀阀杆、阀碟、阀座和蒸汽室材料一般为CrMoV或CrMo钢，超临界汽轮机组有些使用经过氮化处理的镍铬铁耐热钢[4-5]。

一旦调节阀出现故障，除了影响汽轮发电机组正常的加减负荷外，情况严重的会使机组带着安全隐患监视运行或被迫停运。本文主要论述高压调节阀的机械故障分析和处理对策，涉及的油压控制系统故障可参考其他文献和资料[6-7]。

1 阀碟脱落故障

现代汽轮机高压调节阀一般配置4个或6个调节阀，某一个阀碟脱落，主要是该调节阀阀杆断裂或阀杆连接螺丝滑丝等原因造成。连接阀碟的阀杆与压缩弹簧可简化为一个单自由度质量-弹簧振动系统。阀杆在快速提升和阀门快速关闭时的惯性力产生动应力，按直杆纵向撞击原理，应力波在阀杆中传播和反射，在某一瞬间使应力达到最大值。当应力超过材料的强度极限，会使阀杆在强度薄弱处产生断裂。此外阀杆长期处在超过蠕变温度的高温工况，以及阀杆长时间振动，会使其连接螺丝失效，造成阀碟带阀杆从操控装置脱落。

当阀碟落在阀座上，接近于该阀的关闭状态，因为预启阀的存在，有少量主蒸汽通过且进汽不稳定。当汽轮发电机组正常带负荷出现此故障时，往往表现为该调节阀后压力突然下降至接近调节级后压力，机组负荷突降，高中压转子轴振出现波动或振荡。图1为某超临界600MW汽轮机1号调节阀阀碟脱落前后1号轴振X向（蓝色）、Y向（红色）趋势图。阀碟脱落时X向轴振有一个明显的突升，对应上部蓝色的轴振曲线的明显尖脉冲。当时机组负荷突降50MW，1号调节阀压力突降到8MPa，初步判断为阀芯脱落故障。将阀序由1324改为4321后1号轴振变化趋势参见图2，红色、蓝色曲线与图1代表意义相同，维持运行一段时间后进行了检查处理。解体检查阀杆未断裂，属于连接螺丝滑丝引起。

某300MW汽轮机组正常带大负荷运行时，负荷、调节级压力、阀位指令出现大幅波动，波动趋势一致。主汽压也伴随有小幅波动，波动趋势与其相反，上述参数的波动周期均约1分钟。随后检查发现是2号调节阀阀杆连接螺丝滑丝，阀与操控装置连接脱开，而2号调节阀正常工况应处于全开状态。

关于调节阀碟脱落，一旦确认该故障后，汽轮机在线监测参数如振动、瓦温、轴向位移等在可控范围以内，可重新设定阀序，暂时维持机组运行，随后安排检查处理。重新设定阀序的条件，主要考虑高、中压转子的稳定性即1号、2号轴振的变化。对于故障前正常的汽轮机组，振动变化一般小于30µm。某超临界600MW汽轮机组进行的高压调节阀序切换振动试验，1号轴振随阀序切换变化参见图3，2号轴振的对应工况变化参见图4。由图2—图4可知，对于有足够稳定性裕度的高中压转子－轴承系统，顺序阀切换试验不会引起轴系失稳。只有当支撑高中压转子的轴瓦稳定裕度不足和主蒸汽参数自身波动才有可能出现切换时高压转子的汽流自激振动。图5为某亚临界600MW汽轮机在阀序为1342时，接近满负荷下由于突然出现27.5Hz的汽流自激振动，导致2瓦Y向轴振失稳保护跳闸过程的频谱图，将阀序改为1324后高中压转子振动稳定。

有一种较为特殊的情况，需要注意区分判断高中压转子轴振显示值的真实性。对于采用电涡流传感器监测高中压转子相对轴振的汽轮机组，当阀碟脱落或调节阀快关时，仪表显示的高中压转子轴振有可能瞬间超过保护值。主要原因一是振动保护值偏低；二是1号、2号轴瓦采用了抗扰动能力不如可倾瓦的椭圆瓦或其他型式的轴瓦。如某330MW汽轮机在修改阀门重叠度函数曲线时，1号调节阀突然关闭，“轴承振动大”保护动作信号发出（当转速大于2900转，轴承振动大保护跳闸整定值为130um），汽机跳闸。故障跳机过程高压转子振动趋势见图6。检查发现制造厂提供的1号调节阀重叠度函数有误，导致1号调节阀重叠度参数修改中发生1号调节阀快速关闭。对这种情况分析认为，当汽轮机调节阀快速关启时，使高压转子发生径向快速位移，在线监测系统误把这种径向快速位移变化按振动信号进行处理。当转轴与电涡流传感器缓慢相对运动时不影响振动显示，而当相对运动瞬间变化大时，影响振动显示，出现振动峰值。现场实测表明，出现此类故障时，使用可倾瓦轴承的汽轮机高中压转子，其轴心位置变化较小。这类问题的解决，只需要将振动保护延时3～5秒或适当提高保护定值即可。

2 调节阀座松动故障

汽轮机调节阀阀座松动问题在现场并不少见，分析其主要原因有两种：一是阀座材料与蒸汽室材料匹配不合理，阀座材料的膨胀系数大于蒸汽室材料的膨胀系数，热应力使阀座产生塑性变形，在随后的汽轮机启停机过程，阀座与蒸汽室的配合间隙增大而松动。某600MW级超临界汽轮机发生3号、4号调节阀松动后，采取了将阀座材料由12Cr2Mo更换为X10CrMoNb9，阀座加长3mm，配合紧力控制在0.29mm的办法进行了处理。二是阀座与蒸汽室装配紧力不足和固定销不可靠。

现场判断阀座松动，一是调节阀振动和高中压转子振动异常；二是就地听音异常；三是观察调节阀开度变化。

调节阀座松动后易于和阀碟撞击，伴随着较大的振动波动和调节阀处有一阵阵不规则的撞击声，以及调节级后压力出现明显波动。高中压转子振动除工频振动成分外，还会出现一阶临界转速频率和高次谐波成分。

特别要注意，当出现阀座松动故障后，必将使调节阀不能严密关闭。一旦主汽阀也不严，就会出现汽轮机超速的风险。因此，电厂应尽早采取措施进行处理。

3 调节阀卡涩故障

出现调节阀卡涩故障时，卡在60%～70%行程处的概率较大，也有出现卡在满行程的情况。如曾有一台135MW汽轮机4号调节阀卡在满行程处，调查发现该机组经常在主蒸汽参数偏低的情况下满负荷运行，未坚持定期的调节阀活动性试验。

调节阀卡涩，排除操纵机构卡涩原因外，主要原因一是阀杆和阀套卡涩；二是阀座导向键磨损。

造成阀杆和阀套卡涩，是由于阀杆和阀套的动静间隙局部不均匀甚至消失。而动静间隙的消失，有可能是阀杆弯曲度超标，或者是阀杆表面结垢和高温氧化严重。阀杆弯曲度超标，既有可能是制造、运行维护质量问题，也有可能是阀杆热稳定性不好，即在高温下阀杆残余应力释放，自身发生较大的弯曲热变形，这一点往往易于被忽视。

阀杆的高温氧化问题，既有材料自身的抗氧化性能方面的原因，尤其对于超临界汽轮机组，也有电厂日常蒸汽品质监督不到位方面的原因。

当某一调节阀卡涩时，若短时间无停机处理机会，且在机组轴系振动、各瓦瓦温、胀差、轴位移等参数都正常的情况下，可采用现场振打的办法进行处理。振打前应将该调节阀阀位指令强制在略小于卡涩行程，然后振打直至该阀恢复活动正常。

需要注意的是，当出现某一调节阀卡涩故障后，必将使该调节阀处于常开状态。一旦主汽阀也不严，就会出现汽轮机超速的风险。因此，电厂应严格按照运行规程规定处理，达到停机规定的应及时停机。

4 结语

（1）总结了电站汽轮机高压调节阀机械故障的特征、诊断分析和处理实践，涉及阀碟脱落、阀座松动、阀卡涩等方面的故障分析和处理，有助于运行维护人员及时准确地判断故障和制定应对措施，以保护汽轮机组的安全运行。

（2）汽轮机高压调节阀是汽轮机调节保安系统的关键部件，应从阀碟型式、材料选择、制造质量、运行维护、检修工艺、定期活动试验等方面严格把关，以保证调节阀可靠安全地工作。

（3）高压调节阀卡涩故障，有可能造成汽轮机超速的风险。因此，电厂应严格按照运行规程规定处理，达到停机规定的应及时停机。