(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司黑龙江哈尔滨150046)
摘要：调节汽阀是工业汽轮机中的重要部件之一，其运行的安全性和可靠性直接决定了汽轮机的稳定运行，一旦调节汽阀发生故障，势必造成汽轮机的出力不足甚至停机，导致汽轮机无法正常工作，给安全生产造成极大的隐患。阀碟螺栓断裂和磨损问题一直是导致调节汽阀故障的主要原因，针对该问题，早期的解决方法就是停机更换一套新的阀碟和阀碟螺栓。由于没有找到问题的症结所在，使得更换后的新阀碟和阀碟螺栓寿命也不长。基于此，本文主要对汽轮机调节汽阀阀碟螺栓故障进行分析探讨。
关键词：汽轮机；调节汽阀；阀碟螺栓故障；分析研究
1、前言
汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，又称蒸汽透平。由于功率大、蒸汽来源稳定等优点，乙烯装置裂解气压缩机均使用汽轮机作为其驱动设备。调节汽阀是控制汽轮机运行工况的执行机构，即是汽轮机的配汽机构。控制器通过控制调节汽阀的开度来调节汽轮机的进汽量，从而控制汽轮机功率，以满足运行工况需求。
2、调节汽阀结构特点
在杭汽设计的机组中，大部分调节汽阀采用了提板阀结构形式。即4个或5个小阀碟通过各自的阀碟螺栓统一挂在一根水平阀梁上，伺服油动机通过杠杆机构，同时拉升两根阀杆，从而将整个阀梁提起，几个小阀碟通过阀碟螺栓与阀梁之间的衬套来决定开启顺序及行程。阀梁总成结构图如图1所示。该结构的阀碟螺栓和阀梁衬套间配合为间隙配合，阀碟螺栓可在阀梁中自由活动，保证了阀门的关闭性能。同时，不同行程只需通过修改相应的衬套长度即可满足要求，保证了零件的通用性。
该阀梁结构在经过一段时间的应用之后发现:在高温高压应用场合，经常会发生第4阀、第5阀阀碟螺栓断裂和磨损现象。其中比较典型的就是为宁夏石化生产制造的抽凝式汽轮机，调节汽阀也采用如图1所示的阀梁总成结构，在运行一段时间后出现了第4阀的阀碟螺栓断裂现象。
从表1的运行工况变化过程中可以看出，在调节汽阀开到28．8之后，调阀升程继续升高，但进汽流量并没有进一步增加，调节汽阀开度在28格之前，进汽流量能够跟随调阀的开启，逐渐增加，轮室压力也逐步升高。通过与设计的调阀曲线进行比较后得出:调阀开度在28．8之前时，实际的运行工况参数与理论设计相符合，这时前3个阀碟逐渐开启。在调节汽阀行程标尺开到29格时，第4个小阀碟应该开启，以增加进汽流量。然而在实际运行过程中，调阀开到32．3格时的流量反而比行程标尺在28．8时还略小，而且轮室压力也没有进一步的增加，从而可以判断，可能是第4阀的阀碟掉落，导致阀梁提起时，第4小阀未开启，使得新蒸汽无法进入喷嘴，使得机组功率得不到提升。
在停机检修后，发现第4阀的阀碟螺栓已齐根断裂，导致该阀无法开启，断裂的阀碟和阀碟螺栓如图2所示。
图2宁夏石化阀碟螺栓断裂情况
从实物的断裂痕迹可以看出，该阀碟螺栓在根部由于受到交变应力而产生了典型的疲劳断裂现象。同时在其他机组维护过程中发现，阀碟螺栓和阀碟的螺纹配合处发现有螺纹磨损现象，导致螺纹配合失效，使得阀碟螺栓故障。
4、故障原因及理论分析
根据对该类故障现象的综合分析:在高温高压机组中，阀碟螺栓容易断裂和磨损，而且发现第4阀和第5阀发生断裂和磨损的概率比较高。由于调阀的结构限制，第4阀和第5阀的阀碟螺栓都比第1、2、3阀要长。在汽轮机速关阀刚打开时，调节汽阀没动作，所有阀碟都座落在各自的阀座上，蒸汽流速基本为零。当汽轮机运行到一定工况，第3阀开启后，第4阀或第5阀仍处于关闭状态，由于第4阀或第5阀的阀座前后压差的作用，阀碟被蒸汽力紧紧地压在相应的阀座上，根据计算阀碟受到上吨的蒸汽力，故阀碟与阀座紧密贴合，此时连接阀碟的阀碟螺栓力学模型相当于一端固定的悬臂梁。当受到蒸汽冲击力的作用时，使得阀碟螺栓承受了交变应力。
由于受到汽流漩涡的作用，一旦阀碟和阀碟螺栓出现热胀不均匀或拧紧力不够，就容易导致阀碟和阀碟螺栓的配合螺纹付产生位移差，使得阀碟和阀碟螺栓配合螺纹磨损，最终导致螺纹失效，阀碟螺栓与阀碟分离的现象如图3所示。
图3
根据宁夏石化机组的调节汽阀结构尺寸和工作环境，本研究对断裂的第4号阀碟和阀碟螺栓进行了三维建模，并利用有限元分析软件ANSYS对其进行了应力理论分析。本研究根据宁夏石化机组的实际运行情况及理论计算，得出的阀碟螺栓及阀碟正常工作时的环境参数如表2所示。
表2阀碟及阀碟螺栓工作环境参数
根据以上参数，本研究对其进行了仿真分析，从结果可以得出，该阀碟螺栓在与阀碟配合的根部，应力最大，最大可达到411．35MPa。
查询材料手册后可知:阀碟螺栓所用材料21Cr12MoV的屈服极限为423MPa。理论分析得到的最大应力虽然还没达到该材料的屈服极限，但已经非常接近，在该运行工况点工作的阀碟螺栓，由于汽流冲击力作用而受到交变应力，容易导致阀碟螺栓产生疲劳断裂。
针对这种状况，本研究考虑将阀碟螺栓用大一档，增加阀碟螺栓直径。对加粗的阀碟螺栓进行了建模和分析，从应力分布可以得出:阀碟螺栓和阀碟配合的地方依旧是应力分布最大的地方，但是最大的应力比修改前减少了很多，最大应力已降为195．75MPa，已明显低于该材料的屈服极限。
5、解决方案
根据现场机组的实际情况，结合理论分析的结果。针对宁夏石化机组出现的故障类型，本研究采取了以下措施:
(1)根据每台机组的实际运行工况，尽量减少阀碟螺栓的长度。
(2)在阀碟螺栓选型过程中，将阀碟螺栓跳档使用，增大阀碟螺栓直径，以增加阀碟螺栓根部承受交变应力的强度。
(3)在装配工艺中，将原有的常温拧紧工艺修改为加热后预紧工艺。
6、结束语
本研究通过对调节阀碟螺栓的实际应用表明:通过修正阀碟螺栓的结构尺寸及装配工艺，可以大大降低阀碟螺栓断裂及磨损故障，提高了调阀的稳定性，为汽轮机的安全可靠运行提供了保障。宁夏石化机组的调节汽阀通过上述方案的修正之后，机组运行稳定，没有再次出现阀碟螺栓断裂和磨损现象。
参考文献：
［１］周原，王天普．乙烯装置操作工［Ｍ］．北京：中国石化出版社，２０１３：２０３－２０５．
［２］李殿军．６ＣＬ－６ＢＤ汽轮机主汽阀调节汽阀卡涩处理措施［Ｊ］．设备管理与维修，２０１２（８）：６７．
［３］张涛，杨晓刚．汽轮机主汽门卡涩原因分析［Ｊ］．新疆电力技术，２００７，９２（１）：４１－４２．
［４］韩志强．３００ＭＷ汽轮机高压主汽调节阀故障分析及处理［Ｊ］．山西电力，２００８（６）：４７－４８．