摘 要：针对某火力发电厂350MW型汽轮机中压调节汽门阀杆断裂情况，通过材料失效分析、阀杆断裂过程分析、阀杆振动分析等方法，找出阀杆断裂的原因，采取针对性的措施进行改进，解决设备缺陷问题，保证机组高压供热的正常投用。
关键词 汽轮机；中压调节汽阀；阀杆；断裂 ；振动
1 概述
某火力发电厂3台350MW发电机组由国内某主机厂设计制造，汽轮机型号是CC350/328-24.2/7.0/1.0/566/566，型式为超临界、一次再热、二缸二排汽、抽汽凝汽式汽轮机，主蒸汽压力24.2MPa，主蒸汽温度566℃，主蒸汽流量1242t/h，高压抽汽压力7.0MPa。汽轮机配气机构有2个高压主汽阀、4各高压调节汽阀和2个中压联合汽阀组成，每个联合汽阀内有1个中压主汽阀和1个中压调节汽阀。
2 故障情况
发电厂三台机组汽轮机左侧中调阀在高压供热投运时明显有摆动现象。自从投运高压供热以来，因左侧中调阀阀杆振动，导致LVDT（线性位移传感器）被多次磨断，造成多次高压供热被迫停用。另外一方面，摆动出现后，机组停机及开机时均发现中调阀关闭不严密的情况，中调阀阀门严密性试验不合格。
2018年12月01日机组启动过程中，机组挂闸后（此时各调速汽门仍然处于关闭状态）汽轮机转速突增，经排查发现是#3机组左侧中调阀在关闭状态不严密，油动机有关过位现象，检查压力油系统正常，分析为阀芯或阀座有损坏或变形。 2019年03月27日，现场解体#3机左侧中联阀，发现左侧中调阀阀杆在定位销处已经断裂，阀芯有变形缺陷，阀座有多处损伤。返厂维修时更换阀杆、阀芯，返回现场后回装，投入运行后发现，投用高压供热时，阀杆振动大，还是会造成LVDT磨损损坏，无法正常投用高压供热。
2019年02月12日，#2机组左侧中调阀关不到位，阀位卡在7%开度，检查压力油系统正常，就地检查操作座，发现左侧阀位确实比右侧高。2019年02月24日，现场解体#2机左侧中联阀，发现左侧中调阀阀杆在定位销处已经断裂，且销孔和销钉已经明显变形、错位，经返厂检查后，更换新的阀杆及止动衬套，投入运行后，检查发现当调阀开度小于50%时，阀杆仍出现摆动现象。
3原因分析
3.1 材料失效分析
为进一步分析阀杆断裂原因，主机厂家材料研究中心对中调门返厂零部件进行检查和解剖分。材料研究中心对阀杆进行了宏观形貌检查、化学成分检查、力学性能检查、金相组织检查等多方面的研究，最终得出结论阀杆的化学成分、力学性能均能满足相关规范要求。
3.2 断裂过程分析
正常运行工况下，阀杆内的定位销主要起到防止阀杆周向转动的作用，阀杆与销子采用间隙配合，同时，机组在启动、停机或者调节过程中，阀杆由于有定位销进行定位，可以在止动环导向键槽中正常的上下运动，从而起到调节进汽的功能。
在对止动环进行宏观检查时，发现导向键槽旁边有非常明显的挤压痕迹。在对断裂阀杆和定位销的宏观检查时，从断裂的定位销的指向看，定位销已经没有精确的对应到止动环上的导向键槽中，阀杆与止动环之间已经有肉眼可见的明显错位。这些现象均表明阀杆与止动环之间出现了异常的周向旋转运动。正常情况下，定位销的导向键部位有8mm长，与键槽之间的间隙为1mm，而从键槽附近的挤压痕迹看，销子已经挤入到键槽的附近并形成肉眼可见的挤压凹坑。
导致这种情况发生的原因可能是：阀杆的振动使得销子的止动部分与键槽不停的碰磨导致磨损，使得销子变短。当阀杆由于振动而周向旋转时，销子与键槽发生了挤压，相互挤压之后，当中调阀快关时，由于定位销卡住而无法运动，使得定位销对阀杆产生很大的拉伸应力，使得阀杆从销孔的四个边缘位置发生了开裂，销子也发生了断裂，断裂的销子仍然停留在阀杆的销孔中。机组停机过程中，当驱动机构带动阀杆运动时，阀杆由于销子仍然被卡住，当中调阀挤压痕迹快关时，使得阀杆再次受到很大的拉伸应力，从而使得阀杆从原始的开裂区域裂纹继续扩展，形成最终看到的光亮断口区域，阀杆最终断裂，如图1 所示。
上所述定位销卡在止动环的键槽附近导致阀杆不能正常的上下运动，是导致本次失效的直接原因，而阀杆的振动是导致本次失效的根本原因。
3.3 阀杆振动分析
由于阀门振动的复杂性，目前还没有成熟的理论来预测阀门运行的实际振动水平。但大量的实际运行表明，阀门在小开度下振动水平会大幅提高。在高压工业抽汽不投入时，中压联合汽阀下方的调节阀处于全开状态，阀门工作处于稳定状态；在主汽流量大供热流量小的情况下，调节阀的开度较大（70%以上）时，阀壳内部流场较稳定，阀门工作处于稳定状态。当主汽流量较小但高压工业供热量增大时，下方的调节阀将逐渐关小，阀门开度小于50%，此时阀门流速增大，流场不均匀加剧，流场流动更为紊乱，阀芯阀杆上的气动力波动幅值也更大，蒸汽在深度参调情况下在阀碟前后形成较大压差，这种大的压差更容易引起阀碟、阀杆的振动。
4 处理方案
根据上面的原因分析，解决阀杆断裂需要从改善阀杆振动入手。阀杆振动的根源则在于流场的紊乱性，拟定处理方案分析如下。
（1）就目前的研究水平和技术能力，尚没有有效的手段消除或者大幅度减少阀门小开度时流场紊乱的发生，只能针对性的增大中压调节阀供热运行时的开度，且尽量保证开度不低于50%，可以直接有效的解决目前的阀杆振动问题。这需要在电厂运行方面优化，改善目前热、电负荷匹配程度与设计优化区域之间的差距，适当调整热电耦合分配，在保证供热量满足电厂需求的情况下，确保调节阀不处于小开度运行。
（2）针对定位销磨损断裂后发生卡涩，采取以下优化措施：采取优化阀杆定位销导向结构以改善定位销和阀杆的受力的被动措施，降低阀杆在流场紊流作用下因为定位销磨损断裂后发生卡涩的风险，同时减轻定位销对阀杆销孔边缘的疲劳应力扩展，防止阀杆裂纹产生。使用导向键导向结构代替定位销导向结构（通孔型），增强阀杆承受周向转动载荷的能力，同时大大增加了阀杆因通孔销结构产生的承受拉伸应力的最小横截面。以下为更改前后的结构对比如下图 2所示。
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5 效果评估
2019年12月#3机组C级检修时采用处理方案进行技改，技改完成后阀门振动情况大大减轻，投用高压供热时左侧中压联合汽阀在50%小开度的情况下运行正常，中调阀阀门严密性试验合格，发电机组能正常带满设计供电和供汽负荷，经过7个月的长期运行观察，再未出现异常情况。中压联合汽阀是汽轮机的关健附属设备，处理好中压调阀阀杆断裂缺陷，使机组高压供热正常运行，为汽轮机的出力大小和运行稳定提供了有力保证。