超超临界中压阀门卡涩案例分析

引言

随着汽轮机技术的发展,更加高效的高参数火电汽轮机组不断投入运行,进汽参数的提升对材料本身的高温力学性能及抗氧化性能也提出了更高的要求。同时,我国能源结构正不断优化调整,可再生能源装机容量不断提高,大批超超临界火电机组频繁启停,参与变参数及调峰运行,这些都给机组长期稳定运行带来了挑战[1]。从汽轮机设计结构来看,阀门是机组进汽的关口,阀门开启,锅炉侧来汽才能经过阀门进入汽轮机通流,阀门关闭可阻断锅炉来汽使机组停运,阀门开度按设计曲线变化可以起到调节机组出力的作用,阀门可靠灵活地运行与调节对机组安全稳定运行至关重要。本文详细介绍了某超超临界汽轮机中压阀门卡涩问题及原因、处理过程,可供其他同类型机组借鉴与参考。

1问题描述

某电厂超超临界汽轮机中压阀门为联合汽阀结构,如图1所示,上端为中压调节阀,下侧为中压主汽阀,两者共用一个阀壳。中压主汽阀设置单独的预启阀,阀杆向上推动预启阀使其完成预启行程后,大阀碟开始向上运动并完成主行程。阀门完全开启时,通过阀杆与阀杆套筒的锥面完成接触来实现密封。中压调节阀的预启阀与调节阀杆为整体结构,调节阀杆向上提升,阀杆头部与预启阀盖接触时预启行程提升完毕,之后阀杆带动大阀碟向上运动,当阀杆与端部阀壳内的密封环锥面接触时,主行程提升完成。一般在机组正常运行过程中,中压主汽阀、调节阀均处于全关位置。

图1中压主汽阀、调节阀结构剖面示意图

2018年12月,汽轮机正常停机打闸后右侧中压主汽门、中压调门卡涩,无法关闭,发电机无法解列。随后通过手动解列发电机,破坏真空紧急停机。停机约1h后该中压调门反馈到零,再经过3h后中压主汽门反馈关闭信号到位。

查看历史趋势,打闸后该中压主汽门及调门关闭信号正常发出,但中压主汽门开、关信号均存在(通过就地观察确认中压主汽门未完全关闭),右侧中压调门从100%关到97%后不再关闭,中压主汽阀在10%左右阀位卡涩无法关闭。停机后多次对调节保安系统进行试验,该中压主汽门及调门动作均正常。同时,机组正常运行期间进行中压调门活动试验时也曾出现过卡涩现象。

2019年初,机组临时停机对该中压阀进行解体检修。由于现场条件限制,本次仅对可拆卸部位进行了解体清理后回装,未解体预启阀及内部结构。解体后发现部分阀芯件氧化皮较严重,如图2所示,现场对其进行了简单清理后回装。

图2中压调门主阀芯处氧化皮照片

本次处理完成启机后,阀门活动性试验均无问题,但5月中旬中调再次出现97%阀位卡涩、中主10%左右阀位卡涩的问题。

2原因分析

根据DCs历史记录及停机后试验情况,基本排除了中联门各电磁阀、卸荷阀、关断阀堵塞造成油动机故障的可能。结合年初临时停机解体情况、阀门结构等分析造成阀门卡涩的主要原因如下。

2.1中调97%阀位卡涩位置

阀门关闭至97%时卡涩,根据计算此时中压调门阀杆只关了3%(约7mm),仍处于主行程而尚未进入预启行程。从解体情况来看,密封环内孔及大阀碟外圆(图3中标注1部位)、衬套内孔(图3中标注2部位)处氧化皮较多,阀杆存在明显碰磨痕迹,这两处存在卡涩的可能。

图3中压调节阀剖面图

2.2中压主汽阀10%阀位卡涩位置

中压主汽阀关闭至10%时卡涩,阀杆未关闭行程在预启行程附近,阀杆套筒内部(图4中标注1部位)、阀碟内部预启阀导向面及卡环内孔(图4中标注2部位)、阀碟内部衬套(图4中标注3部位)均存在卡涩的可能。由于机组年初检修时上述部位并未解体,参照中调解体后氧化皮的情况,此处也存在因氧化皮或积盐而导致阀门卡涩的可能。

图4中压主汽阀剖面图

2.3积盐及氧化皮影响

对中联门阀芯外表附着物进行检测,发现该附着物外表层Na含量较高,推测应该是来自再热蒸汽的杂质成分,其通过阀门与密封间隙时,蒸汽压力与温度降低,在通流部分形成积盐。同时,阀门氧化卡涩主要与蒸汽品质、富氧燃烧等因素息息相关。循环于汽轮机设备系统的水一蒸汽中含铁量和溶解氧含量增加时,会加快汽轮机阀芯件和通流部件的腐蚀和结垢。

因此,综合分析认为,造成中压主汽阀与调阀卡涩的主要原因在于阀杆与阀杆密封衬套部件间隙较小,在高温下阀杆及阀杆密封部件上形成氧化皮,加之蒸汽品质不好形成积盐,造成阀杆和阀杆密封部件之间碰磨卡涩。

3处理方案及效果

由于现场条件限制,为彻底解决阀门卡涩问题,最终择机将该中压阀门返回厂家进行解体检修,更换部分阀芯件并恢复设计间隙。主要方案如下:

3.1中联大阀盖

将大阀盖上的阀套与大阀盖进行解体,拆卸阀套上的密封环、卡环:机加工去除大阀盖内部的上、下衬套及密封环后,重新更换衬套及密封环。更换后的衬套采用新型喷焊司太立结构,大大提高了衬套的抗氧化、防磨损以及避免衬套内孔变形的能力。主要的返修流程介绍如下:

(1)将中调阀碟与大阀盖部分进行拆分。

(2)对大阀盖上的阀套与大阀盖进行解体,更换对应的连接螺栓,同时拆卸阀套上的密封环、卡环。

(3)清除拆卸后的阀芯件的表面异物以及氧化皮,对阀芯件进行整体目视检查及无损检查。

(4)拆除大阀盖上的上、下衬套及密封环,更换新型内部衬套、密封环,更换前需确认阀杆外径尺寸及弯曲情况(若超标则进行必要的修复),确保阀杆间隙满足设计要求。

(5)完成其他部件安装工作。

3.2中联阀调节阀碟

中联调节阀芯解体,清理拆卸下的所有阀芯件表面异物以及表面氧化皮:调节阀碟导向面喷焊司太立合金优化,提高该摩擦副抗氧化及磨损性能:更换调节阀杆上的防转销,防转销更换为抗氧化性能更好的高温合金。主要的返修流程介绍如下:

(1)返厂的中联调节阀芯解体,解体时保护好调节阀盖与调节阀碟的连接螺孔、螺纹。

(2)清理拆卸下的所有阀芯件的表面异物以及表面氧化皮,对阀芯件进行目视及无损检查。

(3)拆卸阀杆头上的销,注意保护销孔,同时检查调节阀杆外径尺寸以及弯曲情况,若超标则进行必要的修复。

(4)对调节阀碟的上下密封面进行无损检查,若有超标缺陷则进行必要的修复。

(5)调节阀碟导向面按最新工艺进行喷焊处理,提高该配合面抗氧化及抗磨损能力,同时注意保证该处的配合间隙。

(6)完成其他部件安装工作。

3.3中压主汽阀碟

中压主汽阀碟解体,清理解体后的阀芯件的表面异物以及氧化皮:最小量加工去除主汽阀碟内部的止动环及阀杆套筒内部的衬套,然后更换新的止动环及阀杆衬套。更换后的衬套采用新型喷焊司太立结构,并恢复设计阀杆间隙。主要的返修流程介绍如下:

(1)对中压主汽阀碟进行解体,解体过程中注意保护相关部件,防止磕碰及损伤。

(2)清理解体后的阀芯件的表面异物以及氧化皮,对阀芯件进行整体目视检查及无损检查。

(3)对主汽阀杆进行尺寸、弯曲检查,若超标则进行必要的修复。

(4)对主汽阀碟密封面与预启阀碟密封面进行无损检查,若有超标缺陷则进行必要的修复。

(5)拆除阀碟内部的止动环、主汽预启阀盖上的衬套以及套筒内部的上、下衬套,并更换采用优化升级工艺制造的相关部件,更换过程检查及确保配合间隙满足设计要求。

(6)完成其他部件安装工作。

3.4后续运行措施

(1)厂家启动运行说明书中明确要求阀门定期进行活动试验,尤其是全行程活动试验,严格执行,以消除杂质堆积、金属粘连等情况对阀门活动的不良影响。

(2)循环于汽轮机设备系统的水一蒸汽,若含杂质将降低设备长期运行的可靠性。因此,需注意控制汽水质量,按照厂家要求的水蒸气质量标准定期进行检测并使其满足要求。

3.5处理效果

经此处理后,阀门之前的卡涩问题得到了解决,同时提高了机组运行的安全可靠性。

4结论

(1)造成该机组中压主汽阀与调阀卡涩的原因是阀杆与阀杆密封衬套部件间隙小,在高温下阀杆及阀杆密封部件上形成氧化皮,加之蒸汽品质不好形成积盐,造成阀杆和阀杆密封部件之间碰磨卡涩。

(2)阀芯件长时间不动作也可能造成阀门活动不畅的情况,因此建议按厂家说明书要求定期进行阀门活动试验,尤其是全行程活动试验,以消除杂质堆积等情况对阀门活动的不良影响。同时,加强机组汽水品质控制对于主动解决阀门卡涩问题也至关重要。

(3)随着汽轮机技术及材料技术的进步,目前基于大量的材料工艺试验和专项研究攻关的阀芯材质升级、表面工艺升级、间隙优化、运行控制优化等多方面措施,可以提升阀门的抗氧化能力及卡涩风险,相比只是简单地将阀门解体进行清理、恢复间隙的处理手段更能解决问题。