600 MW汽轮机高压调节阀反馈装置LVDT连接杆断裂原因分析及处理

陈顺青,于长江,毛志忠,唐海峰,李文彬

(1.国能河北沧东发电有限责任公司,河北 沧州 061003;2.国网河北省电力有限公司电力科学研究院,河北 石家庄 050021)

1 概述

某火电厂600 MW汽轮发电机组是C600-16.7/0.75/538/538型亚临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽、可调整抽汽凝汽式汽轮机。该机组共有4个高压调节阀,在每个高压调节阀阀体上焊接一块金属背板,背板上开有螺纹孔,通过螺栓将抱箍固定在背板上,继而将LVDT固定在背板上,LVDT反馈杆与带有万向节的支架连接,支架又通过连接杆与高压调节阀阀门门杆相连,如图1所示。当阀门动作时,LVDT反馈杆随阀门门杆上下移动,从而输出与阀位变动量成一定线性关系的直流电压信号,该机组LVDT反馈杆移动方向与阀门门杆移动方向一致。

图1 高压调节阀反馈装置LVDT安装形式

机组在运行过程中多次出现汽轮机高压调节阀反馈装置LVDT连接杆断裂的问题,导致机组负荷扰动以及1号、2号轴承转子振动值突增,LVDT连接杆断裂时机组具体运行情况如图2所示。

图2 LVDT连接杆断裂时机组运行情况

2 故障原因分析

线性可变差动传感器(Linear Variable Diff erential Transfor mer,LVDT)是汽轮机伺服系统中反馈调节阀开度的重要测量部件,对汽轮机的安全稳定运行具有重要作用[1],由反馈杆和铠装套筒组成[2]。

如果LVDT测量信号不精确,将直接导致汽轮机阀门波动,进而导致机组负荷波动,严重影响机组及电网的安全运行[3]。高压调节阀反馈装置LVDT连接杆断裂后处置不当可能导致机组非停[4]。从机组安全可靠运行的角度考虑,通过断口宏观、化学成分及金相等方面分析,探究LVDT连接杆断裂的具体原因。

2.1 断口宏观分析

观察LVDT连接杆断口,发现断裂纹位置位于第一螺纹根部(图3),该位置应力集中较大,同时也是受力最大的位置。对断口进行宏观分析,由图4连接杆断裂形貌可知断口疲劳裂纹源中心、贝纹线明显可见,可以判定该断口是由疲劳应力作用下形成的断口,即断裂的原因为疲劳断裂,具体断裂方向由图4右侧断口的上部向下发展最后发生断裂,说明疲劳应力是单向弯曲疲劳振动所致。

图3 LVDT连接杆断裂位置

图4 LVDT连接杆断裂形貌

2.2 化学成分分析

对断裂连接杆进行化学成分分析,具体化学成分见表1,从化学分析可知材料的成分符合DL/T 439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》对25Cr2 Mo V材料的要求。

表1 LVDT连接杆化学成分质量分数分析结果

2.3 金相分析

对断裂连接杆螺纹剖面进行金相组织分析,如图5所示,连接杆金相组织为正常的回火索氏体组织,未见异常组织。断裂连接杆的螺纹根部未见加工缺口,如图6所示,属于正常的螺纹根部加工形貌。

图5 断裂连接杆金相组织

2.4 综合分析

通过宏观分析可知断裂位置位于受力最大的第1螺纹位置,断口具有疲劳断裂特征。金相分析可知材料组织正常,不存在热处理等热加工工艺缺陷。从化学分析可知材料的成分符合DL/T 439-2018《火力发电厂高温紧固件技术导则》对25Cr2 Mo V材料的要求。

综上分析,LVDT连接杆断裂原因为,高压调节阀及其反馈装置在正常使用过程中存在较大振动,由于应力集中导致连接杆的第1螺纹位置产生疲劳开裂,在长时间的交变载荷作用下,裂纹逐渐向连接杆内部扩展直至最终撕裂。

3 处理措施及效果

由于机组运行期间高压调节阀LVDT连接杆工作温度在110℃左右(如果门杆嘘汽严重,温度还要高),而且存在频繁的振动,无法开展常规的无损检测。机组停运开展无损检测时LVDT连接杆裂纹源很可能还未出现,因此很难提前预测连接杆的断裂时机。此外,由于高压调节阀的预留螺纹孔形式已经无法改变,从而无法采取改变螺纹牙型及加大连接杆直径的措施。鉴于以上情况,主要从降低高压调节阀振动和改善连接杆力学性能2个方面着手处理。

3.1 汽轮机阀门流量特性优化

由于设备检修或长期运行等原因会造成DEH设定的阀门流量特性曲线偏离实际流量特性,此时就会出现诸如高压调节汽门晃动,负荷振荡。该火电厂通过对600 MW机组高压调节阀阀门特性曲线综合优化后,一定程度上消除了由于阀门配汽不合理造成气流激振引发的某负荷点阀门门杆振动大的问题,优化后LVDT连接杆的振动幅度由965μm下降到26μm。

3.2 LVDT连接杆材料升级改进

从改善连接杆力学性能的角度出发,可以选择综合性能优良的高温紧固螺栓钢或者抗疲劳性能优异的弹簧钢,经过查阅相关文献资料可知,20Cr1 Mo1 VTi B钢通过添加钒、钛等强碳化物形成元素来获得细小稳定的碳化物,并添加硼来强化晶界,能够获得良好的抗应力松驰性能[5],其作为一种新型珠光体高温热强钢,具有良好的综合性能,热强性和松驰稳定性远超25Cr2 Mo V钢,同时具有较低的缺口敏感性、较小的热脆性倾向和出色的持久塑性,是作为LVDT连接杆材料升级改进的优选材料,冷加工后的LVDT连接杆采用1 020～1 040℃油冷700～720℃回火6 h后空冷的热处理工艺。

经过采取以上2项措施后,该火电厂600 MW汽轮机高压调节阀反馈装置LVDT连接杆已正常运行2年,未再出现断裂现象,成功消除了存在的问题及隐患,提升了机组运行安全可靠性。

4 结束语

随着电网调峰的频次越来越高、幅度越来越大,大型火电机组负荷也随之频繁变化,汽轮机高压调节阀也需要不断进行调节,在此过程中高压调节阀受到高温热应力及由汽流对阀碟冲击造成的机械应力作用,不可避免的产生高频振动,继而引发生LVDT及其附件(连接杆、支架、万向节)产生金属疲劳断裂或者磨损损坏。鉴于此种情况,为了保障机组运行的安全可靠性,需要火电厂检修工作人员一方面加强机组运行期间LVDT及其附件的巡查频次,及时发现设备隐患;另一方面,根据机组运行实际情况以及工作经验确定合理的LVDT连接杆更换周期,避免其发生金属疲劳断裂。