汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥預(yù)啟閥座損壞原因及分析

      1問題的提出

     近年來(lái)，高溫高壓機(jī)組發(fā)生了多起汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥預(yù)啟閥座損壞事故，并且預(yù)啟閥座損壞的情況相似，即預(yù)啟閥座（圖1中件2）磨損后，從閥碟（圖1中件3）的內(nèi)孔中掉落到噴嘴室。某發(fā)電廠發(fā)生過兩次預(yù)啟閥座損壞事故。針對(duì)此問題，本文將從以下幾方面分析其損壞機(jī)理，并提出相應(yīng)的預(yù)防和改進(jìn)措施。

      2 預(yù)啟閥座損壞結(jié)果分析

     該發(fā)電廠2號(hào)機(jī)在1997年大修停機(jī)過程中，發(fā)現(xiàn)2號(hào)調(diào)節(jié)閥后有壓力，機(jī)組負(fù)荷減不到零，帶負(fù)荷打閘停機(jī)。大修檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)2號(hào)調(diào)節(jié)閥預(yù)啟閥座損壞掉落到噴嘴室，取出后檢查，閥座整體變形，外圓有明顯地磨損痕跡，測(cè)量其尺寸，閥座直徑小了16mm，此尺寸正好是閥碟與閥座相接觸的???碟凸肩尺寸。這表明，2號(hào)調(diào)節(jié)閥的閥座與閥碟相接觸的部分全部被磨損后，從閥碟內(nèi)孔中掉下。對(duì)損壞件的硬度進(jìn)行檢測(cè)，閥座整體的布氏硬度HB=120~130，閥座密封面處的硬度為HB=160。

     該發(fā)電廠3號(hào)機(jī)在1997年l1月中旬例行小修停機(jī)過程中，發(fā)現(xiàn)3號(hào)調(diào)節(jié)閥后有壓力。小修中檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)3號(hào)調(diào)節(jié)閥預(yù)啟閥座行程過大。由于有2號(hào)機(jī)預(yù)啟閥座損壞的先例，故打開調(diào)節(jié)閥檢查，發(fā)現(xiàn)3號(hào)調(diào)節(jié)閥預(yù)啟閥座損壞，掉到噴嘴室。取出后，其損壞形狀如圖2（a）、（b）所示，外圓一圈被磨損后只剩下8mm厚的凸肩，而此凸肩有2/3被剪切掉。在尚未剪切掉的凸肩下面有一道深約5mm的月牙型棱狀凹坑，如圖2（c）所示。表明預(yù)啟閥座在被磨損只剩下8mm時(shí)，閥座在閥碟內(nèi)發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，被閥桿壓下而掉到噴嘴室。

     由于連續(xù)出現(xiàn)了2次預(yù)啟閥座損壞事故，在3號(hào)機(jī)3號(hào)調(diào)節(jié)閥預(yù)啟閥座取出后，做了洋細(xì)的硬度測(cè)量，測(cè)點(diǎn)如圖2（a）所示，測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 預(yù)啟閥座硬度測(cè)量HB

      3 預(yù)啟閥座損壞機(jī)理分析

     預(yù)啟閥材質(zhì)為15Cr11MoV，加工件，布氏硬度HB=270~290；閥碟材質(zhì)為30Cr2MoV，鍛件，調(diào)質(zhì)后表面氮化處理，其維氏硬度Hv≥700，換算為布氏硬度為HB≥656；閥桿材質(zhì)為15Cr11MoV，熱處理后，經(jīng)表面氮化其維氏硬度Hv≥650，其布氏硬度HB≥610。對(duì)閥座的取樣分析，其化學(xué)成分見表2。

表2 閥座化學(xué)成分（%）

      3.1 閥座的金相組織分析

     3號(hào)機(jī)3號(hào)調(diào)速汽門損壞后，對(duì)其進(jìn)行了金相組織分析。分析結(jié)果表明，閥座的金相組織為鐵素體+回火索氏體，鐵素體呈條狀，平行于磨損面，如圖3所示。在鐵素體晶內(nèi)及晶界上可見顆粒狀碳化物，鐵素體含量為7%~10%，回火索氏體仍保留了原馬氏體位向，從保留的位向看，原馬氏體為板條狀馬氏體，如圖4所示。   

     從以上分析結(jié)果看，調(diào)節(jié)閥閥座原始組織為條狀馬氏體+鐵素體。由于摩擦發(fā)熱后，馬氏體變形為回火索氏體，硬度大為降低，由變化前HB=270~290下降到HB=120~140。

      3.2 閥座硬度下降原因分析

     閥座加工調(diào)質(zhì)后硬度為HB=270~290，損壞后的閥座硬度降至HB=120~140，硬度下降的主要原因如下所述。

     a.調(diào)節(jié)閥上的壓緊螺母緊力偏小，汽機(jī)2號(hào)、3號(hào)調(diào)節(jié)閥的預(yù)啟閥行程大，為14mm；2號(hào)調(diào)節(jié)閥從預(yù)啟閥開啟到主閥開啟前，主汽流量從0上升到55t/h，3號(hào)調(diào)節(jié)閥從預(yù)啟閥開啟到主閥開啟前，主汽流量從0上升到107t/h，機(jī)組負(fù)荷變化較大。受運(yùn)行方式的限制，在此負(fù)荷下，機(jī)組運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，在主閥開啟前，流過預(yù)啟閥的蒸汽是經(jīng)過閥碟套壁上的氣孔流人預(yù)啟閥上部進(jìn)入汽缸的，因氣流方向的急劇改變，高溫高壓蒸汽通過預(yù)啟閥時(shí)，是旋轉(zhuǎn)的高速氣流。

     b.預(yù)啟閥座發(fā)生旋轉(zhuǎn)，閥座與閥碟凸肩產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，摩擦熱使預(yù)啟閥座與閥碟相接觸處的溫度上升到800℃以上的高溫。由于閥座內(nèi)孔流過的是500~530℃的過熱蒸汽，蒸汽迅速將其冷卻到500℃左右，并保持在此溫度。由于閥座原金相組織主要是條形馬氏體，經(jīng)上述溫度變化后，閥座與閥碟凸肩的結(jié)合面處金屬金相組織就轉(zhuǎn)變成回火索氏體。

     c.低碳馬氏體的硬度本來(lái)就低，金相組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w后，其硬度又進(jìn)一步降低，而閥碟硬度很高，二者相摩擦后，使閥座磨損速度加快。由于閥座的強(qiáng)度降低，在打閘停機(jī)時(shí)，尤其帶負(fù)荷打閘停機(jī)時(shí)，閥桿對(duì)閥座有很大的沖擊力，使閥座被剪切損壞，掉到噴嘴室。

      4 預(yù)啟閥座損壞原因分析

     通過以上分析，該廠2、3號(hào)機(jī)組調(diào)速汽門預(yù)啟閥座損壞原因主要如下。

     a.調(diào)速汽門調(diào)節(jié)閥閥桿頂部加工型線為梨形，當(dāng)調(diào)節(jié)閥閥桿與閥桿套間隙超標(biāo)，閥桿在運(yùn)行中受進(jìn)汽的影響而稍有偏移時(shí)，閥桿頂部與預(yù)啟閥座內(nèi)孔所形成的通道會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象。此時(shí)，流過預(yù)啟閥的高溫高壓氣體在預(yù)啟閥內(nèi)孔產(chǎn)生脫壁現(xiàn)象，氣體流動(dòng)變成不對(duì)稱流動(dòng)。對(duì)稱高速旋轉(zhuǎn)氣流將對(duì)預(yù)啟閥座產(chǎn)生很大的軸切向沖擊力。

     b.預(yù)啟閥座與閥碟的裝配工藝不當(dāng)。根據(jù)廠家提供的預(yù)啟閥座更換工藝要求，對(duì)壓緊螺母不進(jìn)行熱緊。預(yù)啟閥座與閥碟內(nèi)孔為間隙配合，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，此間隙為0.03~0.05mm，調(diào)節(jié)閥在工作狀態(tài)受熱后，此間隙將變大，因此預(yù)啟閥座僅受到上部壓緊螺母的緊力。由于壓緊螺母在裝配時(shí)僅進(jìn)行冷緊，緊力有限。加在預(yù)啟閥座上的緊力，很大一部分將被預(yù)啟閥座和閥碟支撐預(yù)啟閥座的凸肩的變形所吸收。在機(jī)組運(yùn)行后，當(dāng)閥碟在高溫作用下，裝配時(shí)的所有彈性變形逐漸變?yōu)樗苄宰冃危瑝壕o螺母的緊力即消失。尤其是預(yù)啟閥座與閥碟凸肩接觸處金屬的變形非常明顯，甚至由棱形變成弧形。

     c.在運(yùn)行中，當(dāng)預(yù)啟閥座上部緊力消失后，受氣流的軸切向沖擊力作用，發(fā)生高速旋轉(zhuǎn)，磨損速度很快。該發(fā)電廠3號(hào)機(jī)3號(hào)調(diào)節(jié)閥預(yù)啟閥座在1999年5月大修檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)1997年11月中旬更換的預(yù)啟閥座磨損已達(dá)0.74mm，而3號(hào)調(diào)節(jié)閥在預(yù)啟閥工作的運(yùn)行工況下的機(jī)組運(yùn)行時(shí)間僅為80d，由此可見其磨損速度之快。1997年11月?lián)p壞的預(yù)啟閥座，在金相分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，其磨損面下金屬有明顯的變形，組織呈流線分布，如圖5所示。由此可見，預(yù)啟閥座損壞主要是因旋轉(zhuǎn)摩擦所造成的。

      5 防止預(yù)啟閥座損壞措施

     5.1合理選擇預(yù)啟閥座材料

     由于預(yù)啟閥座材質(zhì)屬于低碳合金鋼，又是加工件，其硬度與閥碟硬度相差過大。一旦閥座在閥碟內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)摩擦，出現(xiàn)金相組織的變化，閥座磨損速度快。因此，建議閥座材料應(yīng)選用與閥碟相同的材料或25CrMoV鋼，加工后調(diào)質(zhì)至HB=270~290。

      5.2 正確調(diào)整閥座與閥碟的配合尺寸

     根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明，閥座與閥碟是間隙配合，應(yīng)選用過盈量為0.01~0.02mm的過盈配合，以防止閥座在受到蒸汽的沖擊后發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

      5.3 適當(dāng)熱緊壓緊螺母

     調(diào)節(jié)閥預(yù)啟閥座的壓緊螺母，在更換閥桿后或組裝時(shí)，除給予一定的冷緊力后，宜再進(jìn)行一次熱緊，其熱緊值可參考同直徑的螺母緊固要求。本次大修取出的3號(hào)機(jī)3號(hào)調(diào)節(jié)閥預(yù)啟閥座后，對(duì)新?lián)Q的閥碟預(yù)熱到200℃二左右時(shí)，壓緊螺母熱緊值達(dá)到弧長(zhǎng)30°。

      5.4 加裝閥座定位鍵

     預(yù)啟閥座應(yīng)設(shè)計(jì)用于防止預(yù)啟閥座旋轉(zhuǎn)的措施，如加一個(gè)防旋轉(zhuǎn)的定位鍵，這樣就可以避免閥座發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

      5.5 閥桿與閥桿套的間隙不能過大

     機(jī)組大修時(shí)，必須用專用工具測(cè)量閥桿與閥桿套的間隙。如果此間隙超過要求，必須消除，避免閥桿在受到蒸汽的脈沖擾動(dòng)時(shí)發(fā)生擺動(dòng)，加速閥座的損壞。

      5.6 防止閥座金相組織變化

     機(jī)組大修如果需要卸下壓緊螺母時(shí)，禁止直接加熱閥碟，避免因加熱調(diào)節(jié)閥碟后冷卻方式不當(dāng)，引起閥座的金屬金相組織的變化。