600 MW汽轮机再热主汽阀卡涩分析与结构改造

1 设备概况

某汽轮机组系上海汽轮机有限公司引进美国西屋公司技术生产制造，容量为600 MW，超临界、中间再热、四缸四排汽、单轴凝汽式，机组型号为N600-24.2/566/566。汽轮机中压缸两侧各布置1个再热主汽阀和2个再热调节汽阀。再热主、调阀和再热蒸汽管道把蒸汽从锅炉再热器传输到中压缸进口。再热调节汽阀用来关闭或控制从锅炉再热热段来的蒸汽。再热主汽阀是再热调节汽阀的备用阀，起到安全阀的作用。

再热主汽阀是摇摆止回式蝶阀，由安装在弹簧室上的再热主汽阀油动机控制开启[1]。阀轴上安装的是阀碟，油动遮断阀安装在油动机对面的轴端，如图1所示。再热主汽阀是开关式两位阀，即全关或全开[2]。当再热主汽阀处于正常运行期间，即阀门全开时，油动遮断阀关闭。再热主汽阀阀体内的蒸汽压强，在运行工况下会出现通过再热主汽阀轴和衬套间的小间隙泄漏蒸汽的情况。导致再热主汽阀轴端一侧的压强与运行工况相同，而再热主汽阀轴的另一端处于大气压强，两侧压差会引起轴朝低压端移动，直到轴杆与球面垫片接触为止。在球面垫片上的负荷产生了一个很大的摩擦阻力，同时球面垫片接触时会消除或使低压端的蒸汽泄漏最小。在再热主汽阀动作期间，油动遮断阀开启。油动遮断阀释放了再热主汽阀轴端的蒸汽压强，减少了球面垫片的摩擦阻力，使再热主汽阀 自由转动[3]。

再热主汽阀作为汽轮机本体最重要的阀门之一，对发电机组安全运行起到举足轻重的作用。在启机过程中阀门卡涩，将直接导致发电机组无法启动，同时也对正常运行的发电机组造成了极大的安全隐患。

2 故障过程

2019年6月，某600 MW汽轮机组在启机过程中，二号（右侧）再热主汽阀无法开启。运行工况中，主汽压强为4.5 MPa，主汽温度为380 ℃，给水流量为620 t·h-1，再热蒸汽压强为0.60 MPa，再热蒸汽温度为360℃，EH油压强为14.5 MPa，一号（左侧）再热主汽阀开启正常。为保证正常启机，采取提前挂闸的方式，临时关小高压旁路阀将热再蒸汽压强降至0.28 MPa后才开启二号再热主汽阀。

2020年4月，某600 MW汽轮机组在启机过程中，二号（右侧）再热主汽阀再次无法开启。主蒸汽系统、EH油系统、润滑油系统、再热系统运行参数正常，降低热再蒸汽压强60%后仍无法开启。

3 原因分析

3.1 机械卡涩

再热主汽阀无法开启的可能原因之一是阀体各部件之间存在机械卡涩[4]。根据再热主汽阀的结构，卡涩的可能部位为阀杆轴向连接处、阀杆径向连接处以及EH驱动油缸传动部分[5-7]。经过冷态拆解设备后，调查过程如下。

第一，阀杆轴向连接处为阀杆与球面垫片接触面。其中，阀杆材质为2Crl2NiMolW1V（叶片钢），球面垫片材质为38CrMoAlA-5+6（氮化），属于耐磨件。球面垫片的作用是在阀体开启后，自动调整位置封闭间隙泄漏蒸汽。经解体，发现球面垫片存在一定磨损，说明阀门在开启过程中垫片承受较大的轴向力。根据再热主汽阀质检点验收数据（如表1所示），在冷态状态下，阀杆阀杆轴向窜动量符合质量标准，阀杆各项指标正常。因此，阀杆卡涩的原因之一是再热主汽阀开启过程中油动遮断阀未完全释放轴向蒸汽压强导致阀杆卡涩，也可能是阀门在热态下阀杆和球面垫片膨胀速度不同导致形成一定角度导致阀杆卡涩。

表1 再热主汽阀质检点数据表

第二，阀杆径向连接处为阀杆与4个衬套结合面，如图1 所示，其中衬套材质为10705BU（2Cr12NiMolW1V-5+6）。经解体，衬套1～衬套4与阀杆的配合间隙均在0.76 mm± 0.05 mm，阀杆弯曲度为0.01 mm，均符合验收标准。机组长期运行后，衬套与阀杆之间由于间隙狭小导致氧化皮堆积，容易形成径向卡涩。

图1 阀轴与衬套示意图

第三，油缸传动部分。油缸传动部分包含连杆传动机构和弹簧座。经解体，确认各弹簧并无裂纹、严重锈蚀和变形等情况，同时各弹簧自由长度测量结果正常。连杆传动部分故障率较小，经外观检查，确认无异常。综上所述，排除油缸传动部分导致卡涩的可能。

3.2 介质压差

在机组运气期间，再热主汽阀（设计压强为5.25 MPa） 是常开状态，不存在卡涩问题。在启机过程中，如果平衡阀开启后再热主汽阀前后压差不能平衡，油动机无法克服弹簧力和再热蒸汽对阀板的作用力，将导致阀门无法开启。故障过程中，当热再蒸汽压强降至0.28 MPa时，再热主汽阀能够顺利开启，说明介质压差对阀门的作用力是导致再热主汽阀无法开启的原因之一。

经研究发现，介质压差偏大主要是平衡阀及所在管道问题和高压调节阀内漏大两方面原因[8]。平衡阀为DN32的截止阀，由于口径太小，容易造成异物堵塞，导致再热主汽阀后压强无法及时建立。高压调节阀如果内漏，也将导致再热主汽阀和高压调节阀之间有降压点，阀前后压差过大。

经解体发现，高压调节阀压线正常，严密性良好，不存在内漏导致压差偏大。此外，平衡阀口径太小存在堵塞的风险，将通过技改进行修正。

3.3 液压油系统故障

再热主汽阀由液压油缸驱动，其中液压油缸属于EH油系统。EH油系统出现故障将导致液压油缸出力不足，进而无法驱动再热主汽阀[9]。经研究，EH油系统相关故障主要包括EH油泵出力不足、伺服阀卡涩以及管道堵塞。

在再热主汽阀无法开启的故障过程中，EH油压持续保持设计值上限14.5 MPa，同时另一侧再热主汽阀能够顺利开启，故排除了EH油泵出力不足的原因。同时，在检修过程中更换伺服阀对管道进行吹扫，也排除了伺服阀卡涩和管道堵塞的可能性。所以，液压油系统故障被排除。

3.4 冷热态形变

再热主汽阀在热态时，温度变化会造成一定形变，引起机械部分卡涩[10]。再热主汽阀门轴与门体材质为2Crl2NiMolW1V，线性膨胀系数为11.5×10 m/（m·℃）。当汽轮机冷态启动、汽轮机冲转至3 000 r·min-1后，再热主汽阀轴杆与阀体的温差可达300 ℃，计算可得轴杆与端盖轴向间隙约3 mm。由于设计间隙较大，厂家在该轴向间隙处未设置质检点。检修过程中容易忽视轴杆与端盖的轴向间隙，造成间隙值小于3 mm，导致轴向碰磨。所以，轴杆与端盖轴向间隙小也是导致再热主汽阀卡涩的原因之一。

4 处理措施

根据原因分析，再热主汽阀卡涩主要包含阀杆轴向卡涩和径向卡涩、介质压差导致油动机无法推动阀板两方面原因。经研究，处理措施分以下4个部分。

4.1 扩大轴向间隙消除阀门轴向卡涩

根据再热主汽阀的阀体结构，轴向间隙调整主要通过调整轴向垫片厚度和球面垫片厚度实现。经与厂家沟通，将油动遮断阀端盖的垫片加厚1 mm±0.2 mm，端盖与轴杆端面的间隙变大，同时重新加工球面垫片，将其厚度减小 1 mm±0.3 mm。该措施有效扩大了轴向间隙，避免形成轴向卡涩。

4.2 改造平衡管，减少阀门介质压差

原有的再热主汽阀平衡阀为DN32截止阀，存在堵塞风险。经讨论，将平衡阀改为DN50口径，同时对应加粗平衡管道。这不仅避免了堵塞风险，也加大了平衡管蒸汽导通速度，有利于在阀门开启过程中及时建立阀后压力，有效减少了阀门开启过程中的前后介质压差。

4.3 调整启机蒸汽压强，减少阀门介质压差

因为再热蒸汽压强对再热主汽阀的开启有直接影响，所以适当调整启机过程的参数并形成应急预案。经讨论，当再热主汽阀无法开启时，将再热蒸汽降低至0.3 MPa后再次挂闸，同时监控其他相关参数变化。该措施间接减少了阀门开启过程中的前后介质压差。

4.4 改造阀门轴端结构，消除阀门径向卡涩

为进一步消除启机过程中再热主汽阀轴向卡涩故障，排除阀杆径向卡涩，在再热主汽阀油动机侧设计和安装轴杆轴向移位装置。轴杆轴向移位装置的主要目的在于，在开启阀门过程中对阀杆施加外在的轴向力，使阀杆在热态下能够进行小行程的轴向运动，从而消除阀杆径向卡涩。

轴杆轴向移位装置安装在再热主汽阀阀杆的端面，通过千斤顶的作用力将阀杆进行轴向移位。该改造主要加装了饼式千斤顶、行程开关、导向杆、圆形支撑板以及相关千斤顶液压油相关设备。装置结构如图2所示。

图2 轴杆移位装置结构示意图

当需要带动蝶阀轴杆向左侧（油动机侧）运动时，圆形支撑板B与圆形支撑板C相互贴合，圆形支撑板A通过紧固螺母A与中心丝杆相互固定。千斤顶顶起时，带动圆形支撑板A及中心丝杆向上运动，从而带动蝶阀轴杆向左运动。

当需要带动蝶阀轴杆向右侧（油动遮断阀侧）运动时，圆形支撑板A通过紧固螺母B与圆形支撑板C相互固定，圆形支撑板B通过紧固螺母C与中心丝杆相互固定。千斤顶顶起时，带动圆形支撑板B及中心丝杆向下运动，从而带动蝶阀轴杆向右运动。

5 结语

本文阐述了600 MW汽轮机组再热主汽阀因卡涩导致无法开启的故障现象，通过分析阀体结构和相关系统，从动静间隙、管道压差以及液压油路等方面寻找原因，最终制定系统的优化和改造措施，包含改变端盖垫片和阀杆球面垫片的厚度值、改造平衡管以及改进阀门轴端结构等。经过实践检验，再热主汽阀的卡涩问题基本排除。该故障的处理消除了该设备的重大安全隐患，对同类机组的类似问题有很高的参考价值。