汽輪機調節閥預啟閥座損壞原因及分析

      1問題的提出

     近年來，高溫高壓機組發生了多起汽輪機調節閥預啟閥座損壞事故，并且預啟閥座損壞的情況相似，即預啟閥座（圖1中件2）磨損后，從閥碟（圖1中件3）的內孔中掉落到噴嘴室。某發電廠發生過兩次預啟閥座損壞事故。針對此問題，本文將從以下幾方面分析其損壞機理，并提出相應的預防和改進措施。

      2 預啟閥座損壞結果分析

     該發電廠2號機在1997年大修停機過程中，發現2號調節閥后有壓力，機組負荷減不到零，帶負荷打閘停機。大修檢查時，發現2號調節閥預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???閥碟凸肩尺寸。這表明，2號調節閥的閥座與閥碟相接觸的部分全部被磨損后，從閥碟內孔中掉下。對損壞件的硬度進行檢測，閥座整體的布氏硬度HB=120~130，閥座密封面處的硬度為HB=160。

     該發電廠3號機在1997年l1月中旬例行小修停機過程中，發現3號調節閥后有壓力。小修中檢查時，發現3號調節閥預啟閥座行程過大。由于有2號機預啟閥座損壞的先例，故打開調節閥檢查，發現3號調節閥預啟閥座損壞，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。表明預啟閥座在被磨損只剩下8mm時，閥座在閥碟內發生了偏轉，被閥桿壓下而掉到噴嘴室。

     由于連續出現了2次預啟閥座損壞事故，在3號機3號調節閥預啟閥座取出后，做了洋細的硬度測量，測點如圖2（a）所示，測量結果見表1。

表1 預啟閥座硬度測量HB

      3 預啟閥座損壞機理分析

     預啟閥材質為15Cr11MoV，加工件，布氏硬度HB=270~290；閥碟材質為30Cr2MoV，鍛件，調質后表面氮化處理，其維氏硬度Hv≥700，換算為布氏硬度為HB≥656；閥桿材質為15Cr11MoV，熱處理后，經表面氮化其維氏硬度Hv≥650，其布氏硬度HB≥610。對閥座的取樣分析，其化學成分見表2。

表2 閥座化學成分（%）

      3.1 閥座的金相組織分析

     3號機3號調速汽門損壞后，對其進行了金相組織分析。分析結果表明，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。   

     從以上分析結果看，調節閥閥座原始組織為條狀馬氏體+鐵素體。由于摩擦發熱后，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

     閥座加工調質后硬度為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.調節閥上的壓緊螺母緊力偏小，汽機2號、3號調節閥的預啟閥行程大，為14mm；2號調節閥從預啟閥開啟到主閥開啟前，主汽流量從0上升到55t/h，3號調節閥從預啟閥開啟到主閥開啟前，主汽流量從0上升到107t/h，機組負荷變化較大。受運行方式的限制，在此負荷下，機組運行時間長，在主閥開啟前，流過預啟閥的蒸汽是經過閥碟套壁上的氣孔流人預啟閥上部進入汽缸的，因氣流方向的急劇改變，高溫高壓蒸汽通過預啟閥時，是旋轉的高速氣流。

     b.預啟閥座發生旋轉，閥座與閥碟凸肩產生強烈摩擦，摩擦熱使預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，經上述溫度變化后，閥座與閥碟凸肩的結合面處金屬金相組織就轉變成回火索氏體。

     c.低碳馬氏體的硬度本來就低，金相組織轉變為回火索氏體后，其硬度又進一步降低，而閥碟硬度很高，二者相摩擦后，使閥座磨損速度加快。由于閥座的強度降低，在打閘停機時，尤其帶負荷打閘停機時，閥桿對閥座有很大的沖擊力，使閥座被剪切損壞，掉到噴嘴室。

      4 預啟閥座損壞原因分析

     通過以上分析，該廠2、3號機組調速汽門預啟閥座損壞原因主要如下。

     a.調速汽門調節閥閥桿頂部加工型線為梨形，當調節閥閥桿與閥桿套間隙超標，閥桿在運行中受進汽的影響而稍有偏移時，閥桿頂部與預啟閥座內孔所形成的通道會出現不對稱現象。此時，流過預啟閥的高溫高壓氣體在預啟閥內孔產生脫壁現象，氣體流動變成不對稱流動。對稱高速旋轉氣流將對預啟閥座產生很大的軸切向沖擊力。

     b.預啟閥座與閥碟的裝配工藝不當。根據廠家提供的預啟閥座更換工藝要求，對壓緊螺母不進行熱緊。預啟閥座與閥碟內孔為間隙配合，現場實際測量，此間隙為0.03~0.05mm，調節閥在工作狀態受熱后，此間隙將變大，因此預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僅進行冷緊，緊力有限。加在預啟閥座上的緊力，很大一部分將被預啟閥座和閥碟支撐預啟閥座的凸肩的變形所吸收。在機組運行后，當閥碟在高溫作用下，裝配時的所有彈性變形逐漸變為塑性變形，壓緊螺母的緊力即消失。尤其是預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.在運行中，當預啟閥座上部緊力消失后，受氣流的軸切向沖擊力作用，發生高速旋轉，磨損速度很快。該發電廠3號機3號調節閥預啟閥座在1999年5月大修檢查時，發現1997年11月中旬更換的預啟閥座磨損已達0.74mm，而3號調節閥在預啟閥工作的運行工況下的機組運行時間僅為80d，由此可見其磨損速度之快。1997年11月損壞的預啟閥座，在金相分析時發現，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，預啟閥座損壞主要是因旋轉摩擦所造成的。

      5 防止預啟閥座損壞措施

     5.1合理選擇預啟閥座材料

     由于預啟閥座材質屬于低碳合金鋼，又是加工件，其硬度與閥碟硬度相差過大。一旦閥座在閥碟內發生旋轉摩擦，出現金相組織的變化，閥座磨損速度快。因此，建議閥座材料應選用與閥碟相同的材料或25CrMoV鋼，加工后調質至HB=270~290。

      5.2 正確調整閥座與閥碟的配合尺寸

     根據現場測量表明，閥座與閥碟是間隙配合，應選用過盈量為0.01~0.02mm的過盈配合，以防止閥座在受到蒸汽的沖擊后發生旋轉。

      5.3 適當熱緊壓緊螺母

     調節閥預啟閥座的壓緊螺母，在更換閥桿后或組裝時，除給予一定的冷緊力后，宜再進行一次熱緊，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號機3號調節閥預啟閥座后，對新換的閥碟預熱到200℃二左右時，壓緊螺母熱緊值達到弧長30°。

      5.4 加裝閥座定位鍵

     預啟閥座應設計用于防止預啟閥座旋轉的措施，如加一個防旋轉的定位鍵，這樣就可以避免閥座發生旋轉。

      5.5 閥桿與閥桿套的間隙不能過大

     機組大修時，必須用專用工具測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時發生擺動，加速閥座的損壞。

      5.6 防止閥座金相組織變化

     機組大修如果需要卸下壓緊螺母時，禁止直接加熱閥碟，避免因加熱調節閥碟后冷卻方式不當，引起閥座的金屬金相組織的變化。