背压机组调节汽阀阀杆断裂原因分析及防范对策

2015-12-22刘建军

科技视界 2015年18期

刘建军

（宝钢集团八钢有限公司能源中心热力分厂，新疆乌鲁木齐 830022）

0 引言

调节汽轮机的功率，主要通过改变进入汽轮机的蒸汽流量来实现，完成这个任务的机构称为配汽机构，它由调节汽阀和带动它的传动机构两部分组成。为保证汽轮机安全经济运行，调节汽阀要满足能自由启闭不卡涩、不漏汽，流量特性好，不易损坏工作可靠等要求。因此，对调节汽阀断裂原因进行研究，对提高背压发电机组的安全运行有很大意义。

1 背压发电机组概况及阀杆断裂事故重现

八钢公司热力厂投运有一台单缸、中压、冲动式背压发电机组，机组型号为B12～3.43/0.981.机组主运行参数如下：额定主汽压力为3.43MPa，额定主汽温度为435℃，排汽压力为0.981MPa，机组最大进气量217t/h，背压压力调节范围为0.6～1.2MPa 之间。汽轮机配汽主要有7 只调节汽阀调整。

背压机组在正常运行过程中突然跳机，查后台综保装置显示“发变组故障非电量保护”动作跳机，当时机组电负荷为9MW，进汽量190t/h，调节汽门阀位95%。对机组跳机前运行参数、设备现场检查，发现除该机组南侧调节汽阀阀杆断裂外，其余状态均正常。

现场拆解调节汽阀组件，发现机组北侧阀杆在汽缸进汽室内部发生了断裂（阀杆断面见图1、图2）。确定了机组跳机本因为高调门阀芯整体下落关闭，机组进汽中断造成非电量保护动作跳机，阀杆更换后开机正常。

图1

图2

2 调节汽阀阀杆断裂常规检查

2.1 通过对对断裂部位的检查，发现南侧阀杆断口为阀杆与上部连接块丝扣连接处的最后一扣，北侧阀杆断口为阀杆与进汽室内阀梁丝扣连接处的第一扣。两处断裂的部位均为阀杆的截面突变部位，该部位在结构上属于应力集中的位置，相对于其它部位更容易发生断裂。

2.2 观察南侧阀杆断口断面，发现在断面上有一半为旧断口，一半为新断口，旧断口面上有明显的相互挤压、摩擦痕迹。而观察北侧阀杆断口，因断裂处处于进汽室，受高温蒸汽作用已不能判断此断面是否有旧的断裂痕迹，但通过断口没有材料相互挤压的摩擦痕迹来看，可确定为一次性断裂。

2.3 使用手持式光谱仪对两根断裂阀杆进行化学元素检测，具有合金成分。联系厂家确认此阀杆使用材质为35CrMo，符合GB8732-2004《汽轮机叶片用钢》标准要求。

4 调节汽阀阀杆断裂原因分析

阀杆断裂的原因是多方面的，通过常规检查排除了阀杆材质和性能原因，主要结合调节阀的运行情况、阀杆加工、应力集中等情况进行分析。

3.1 应力集中

高压调节汽门阀杆根部螺纹处的直径与阀杆相同，螺纹根部加工尖角较严重，此变截面处形成了较大的应力集中部位，这是阀杆从这一部位断裂的直接原因。从该机组南北断面情况来看，因背压机组运行工况变化频繁，长期在交变应力情况下运行，南侧阀杆率先出现裂纹，当完全断裂后，北侧的阀杆因承受不住高调门阀梁加上7 个阀芯大约在200～250kg 的总质量，而突然折断。最终导致整组阀芯下落，机组跳机。

3.2 阀杆共振

因受新疆冬、夏两季热用户变化大的情况影响，背压机组在供暖期结束后就进入到低负荷状态下运行，高压调节汽门一直在较大的节流状态下工作。汽流进入高压调节汽门时在阀体内产生扰动，汽流通过汽阀受阻后形成漩涡。当汽流的脉动压力频率和阀杆的固有频率一致时，将产生共振。共振发生时阀碟会有强烈的横向和纵向振动，造成了阀杆的窜动、偏斜或旋转。该阀杆断裂前机组保持低负荷运行时间长达六个月之久，极易造成阀杆的长期低频振动，使阀杆端部螺纹这一应力集中部位产生疲劳纹源，从而在不断扩展中最终阀杆断裂。

3.3 氮化处理

制造厂家在阀杆表面热处理时，一般采用通过氮化处理的方式将阀杆的耐磨性能和整体抗疲劳性能提高。但是阀杆经过氮化处理后，脆性较大，而且氮化处理是整个阀杆表面进行的，没有考虑到阀杆丝扣处因变径及螺纹尖角造成的应力集中，因此机组低负荷下阀杆发生振动时，此处易发生断裂。