核电汽轮机主调阀内漏分析与处理.pdf

收稿日期:作者简介:赵冬冬(),男,河北秦皇岛人,高级工程师,学士,从事核电厂汽轮机及辅助系统维修与技术管理工作(E m a i l z h a o d d c n n p 敭 c o m敭 c n).核电汽轮机主调阀内漏分析与处理赵冬冬(中核核电运行管理有限公司,浙江海盐 )摘要:秦山核电二期号机组汽轮机调试冲转过程中机组挂闸后,汽机转速迅速上升,在主调阀未给开度指令情况下转速升至 r/m i n以上,无法满足机组的暖机要求.本文针对该缺陷,从阀门自身结构特点、操纵座动作、油动机工作以及阀门控制原理几个方面进行根本原因分析,阐述各种因素对阀门密封性影响的机理及其排查方法,结合阀门解体检查以及密封试验结果,找到最终原因,制订处理方案,分析处理过程中的细节和注意事项,并依方案对其进行处理,最终解决了该问题.关键词:主调阀内漏;密封环;油动机行程;冷热态标定;阀芯定位;分析;处理中图分类号:T K 文献标志码:A文章编号:()A n a l y s i sa n dT r e a t m e n t f o r t h e I n t e r n a lL e a k a g eo f t h eM a i nR e g u l a t i n gV a l v eo f t h eS t e a mT u r b i n e i nN u c l e a rP o w e rP l a n tZ HAOD o n g d o n g(C h i n aN u c l e a rP o w e rO p e r a t i o nM a n a g e m e n tC o,L t d,H a i y a n,Z h e j i a n gP r o v ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e r o t a t i n gs p e e do f t h e t u r b i n e r o s e t o r/m i nb e f o r e t h em a i ns t e a mc o n t r o l v a l v e r e c e i v e d t h ei n s t r u c t i o nf r o mt h ed i g i t a l e l e c t r i ch y d r a u l i cs y s t e m w h e nt h et u r b i n es t a r t e du pb yn u c l e a rs t e a md u r i n gt h ec o mm i s s i o n i n go fU n i t o fQ i n s h a nP h a s e,w h i c hc a n n o tm e e t t h e r e q u i r e m e n t f o rw a r m i n g t h e t u r b i n e F o rt h i sd e f e c t,t h i sa r t i c l ea n a l y z e s t h er e a s o n s f r o mt h ev a l v es t r u c t u r e,e x e c u t i v ea g e n c ya c t i o n,h y d r a u l i cd r i v e ra n dt h ev a l v e c o n t r o l p r i n c i p l e,a n dd e s c r i b e s t h em e c h a n i s ma n d t h e t r o u b l e s h o o t i n gm e t h o d f o r t h e i n f l u e n c e o fv a r i o u s f a c t o r so nt h et i g h t n e s so fv a l v e s C o m b i n e dw i t ht h ev a l v ed i s a s s e m b l y i n s p e c t i o na n ds e a l i n gt e s t r e s u l t s,t h e f i n a l r e a s o n i s f o u n d,t h et r e a t m e n tp l a ni s f o r m u l a t e d,t h ed e t a i l sa n dm a t t e r sn e e d i n ga t t e n t i o ni nt h ep r o c e s sa r ea n a l y z e d,a n dt h ep r o b l e mi s f i n a l l ys o l v e da f t e r t r e a t m e n t a sp l a n n e d K e yw o r d s:l e a k a g eo fm a i ns t e a mc o n t r o l v a l v e;s e a l i n g r i n g;s t r o k eo f h y d r a u l i cd r i v e r;c a l i b r a t i o no f c o l da n dh o t s t a t e;p o s i t i o n i n go f t h es p o o l;a n a l y s i s;t r e a t m e n tC L Cn u m b e r:T K A r t i c l e c h a r a c t e r:AA r t i c l e I D:()引言秦山第二核电厂、号机组汽轮机采用哈尔滨汽轮机厂HN 型单轴、四缸六排汽带中间汽水分离再热器的反动凝汽式机组,由一台高压缸、三台低压缸组成.高压缸进汽采用单阀控制、全周进汽方式,由两组主汽调节联合阀控制,包括两台主汽阀和四台主调阀,阀组安装于高压缸调端两侧,由哈汽参照西屋机组(、号机组)自行设计制造.主调阀功能、结构及其油动机介绍 主调阀功能主调阀是保证汽轮机调速及安全运行的重要设备,位于主汽阀下游,汽轮机入口,如图所示.功能包括两方面,即转速控制和功率控制.主调阀 通 过 液 压 油 动 机 和 数 字 电 液 调 节 系 统(D EH)控制阀芯开度,进而控制蒸汽流量,在汽轮机冲转过程中实现转速从盘车转速至额定转速的提升,并根据机组要求将转速稳定在各个平台,以满足相应试验和运行需求.机组功率波动或甩负荷时,为防止超速导致设备损坏,主调阀接收O P C动作指令,实现快速关闭功能,限制转速快速飞升,使机组维持在额定转速.汽轮发电机组并网带负荷后,同样通过控制回路调整主调阀开度,对机组功率进行控制.图主调阀位置示意图F i g T h es c h e m a t i co f t h ep o s i t i o no f t h em a i nr e g u l a t i n gv a l v e 主调阀结构如图所示,主调阀设计为平衡式卸载阀,采用笼式结构,立式布置,蒸汽从水平方向进入,竖直方向排出.阀体与主汽阀阀体为整体式,阀座堆焊司太立合金层与阀芯密封面为球面配合.阀芯为桶式结构,底部开有平衡孔,以消除阀门开启和关闭时的压差,阀芯径向安装两道开口式密封环呈 布置,用以减少阀门关闭时蒸汽沿阀芯圆周方向的泄漏,阀芯上部圆周方向均布置四个定位钮,以确保阀门开关动作过程中阀芯保持竖直状态,避免倾斜.阀杆底部通过固定环与阀芯连接,接触位置为球面,以实现阀芯灵活自定位功能,确保阀芯与阀座球面密封良好配合,阀杆中间部位设计有环形密封槽,与阀盖向下延伸的导向套配合,实现密封蒸汽作用,阀杆从阀盖中心孔穿出,顶部设有固定销孔,通过螺纹结构与操纵座相连.阀盖内部开有流道,与导向套内腔连通,用来将沿阀杆漏出的少量蒸汽排入蒸汽疏排管.阀笼底部与阀体压紧,金属密封,顶部通过烘套方式与阀盖连接,分为大小孔区两段,其中小孔区由 个 孔通孔组成,用于降低阀门小开度时汽流引起的噪声和振动,大孔区由六个矩形窗口组成,位于阀笼上部,用于机组高功率运行时的功率调节(实际运行结果证明,仅小孔区通流能力即满足机组满功率需求,因此运行中大孔区并未参与调节).机组挂闸前,由于主汽阀及其平衡阀处于关闭状态,因此主调阀处为真空,机组挂闸后,主汽阀开启,蒸汽进入主调阀阀芯周围腔室,此时由于阀芯结构特性,可能会有少量蒸汽漏入下游进入汽轮机.图主调阀装配图F i g T h ea s s e m b l yo f t h em a i nr e g u l a t i n gv a l v e阀杆;阀盖;阀体;定位钮;密封环;阀芯;阀笼;平衡孔;阀座 油动机如图所示,挂闸前,高压油通过滤网进入后分为三路,即形成O P C保护油、卸荷阀上腔室以及通过伺服阀与回油连通,活塞缸下腔室处于无油状态,且此时O P C油压未形成,卸荷阀处于开启状态,活塞缸通过卸荷阀下腔与回油连通,主调阀的驱动油压无法建立,活塞处于关闭状态.挂闸后,O P C油压建立,但由于逆止阀作用,压力无法传递至卸荷阀上腔室,且伺服阀仍处于进油与回油导通状态,因此卸荷阀仍保持开启状态,活塞处于关闭状态.图主调阀油动机原理图F i g T h es c h e m a t i co f t h em a i nr e g u l a t i n gv a l v eo f t h eo i lm o t o r活塞缸;伺服阀;卸荷阀;蓄能器;逆止阀当数字电液调节系统给出主调阀动作指令后,伺服阀动作,切断与回油的连接,使高压油进入活塞缸同时在卸荷阀上腔室建立油压,使卸荷阀关闭,进而活塞缸油压建立,此时伺服阀根据系统开度指令和反馈,动态调节高压油进入,驱动活塞动作.当机组转速达到 r/m i n,O P C电磁阀打开,O P C油压泄压,卸荷阀开启,活塞缸下腔驱动油通过卸荷阀与回油导通,主调阀迅速关闭,而后O P C电磁 阀 恢 复 关 闭,O P C油 压 建立,卸荷阀关闭,主调阀恢复开启,从而达到稳定转速目的.操纵座如图所示,操纵座由弹簧组、横梁、连接件、底座以及若干销钉和连板组成;横梁一侧与底座活动连接,另一侧与油动机连接;横梁中心位置开孔通过销钉与连接件相连,连接件下部通过螺纹结构与阀杆相连,上部为弹簧组.图操纵座外形示意图F i g T h es c h e m a t i co f t h es h a p eo f t h ec o n t r o l s e a t弹簧组;连接件;横梁;底座;油动机弹簧组由上弹簧座、下弹簧座和内、中、外三根弹簧组成,上弹簧座为固定端,下弹簧座为活动端,弹簧正常运行时处于压缩状态,为阀门提供向下的快速关闭力和密封力.缺陷产生与发展 机组冲转流程如图所示,机组初始转速为盘车转速,具备冲转条件后,主控挂闸,并设定目标转速及升速率,转速达到 r/m i n左右,执行主控手动打闸试验,而后重新挂闸,至 r/m i n左右,执行就地打闸,同时进行碰磨听音检查,之后再次挂闸,冲转至 r/m i n暖机至少h,期间执行机组逻辑通道试验和钥匙O P C试验,并进行主调门热态标定试验.暖机结束后,继续冲转至 r/m i n进而执行额定转速平台相关试验,试验完成后,执行首次并网,带 功率运行h,执行超速试验,最后正式并网.图汽轮机冲转示意图F i g T h es c h e m a t i co f s t e a mt u r b i n er u n n i n g 缺陷描述号机组首次核蒸汽冲转时,机组挂闸后,汽轮机转速迅速上升,在调门未给开度指令情况下转速升至 r/m i n以上,无法满足机组的暖机和相关试验要求,后经试验证实,在调门不开情况下转速最高升至 r/m i n以上,说明主调阀内漏严重,经验证主要为号和号调阀泄漏.之后在号机组调试期间也发现同样的问题.经过一系列分析、检查,现场进行了调门冷态下的自由度检查、阀芯密封线检查研磨、油动机行程检查、增加弹簧力试验、热态阀门位移检查、油压开度试验、密封环更换等多项处理措施,阀门泄漏量有所下降,但依然难以满足机组暖机要求,尤其在给定调阀动作指令后,机组转速无法有效维持,电厂暂时将、号调阀所在的A列主汽阀关闭,采用B列单列开启方式完成冲转工作,待机组并网后,再开启A列阀门投入运行.原因分析分析认为导致主调阀泄漏量大的可能原因有:阀芯阀座密封面贴合不良;油动机未预留有效的空行程;操纵座传动机构存在卡涩;弹簧力不足,致使其施加给阀门的密封力不足;阀门冷热态变化过程中密封面发生形变;密封环泄漏;阀芯定位不良导致自身倾斜,进而导致密封环和阀芯阀座密封面泄漏.其中,造成密封环泄漏的主要原因有:)两道密封环安装方向错误,未按照 错口安装;)密封环与阀芯密封槽贴合不良;)密 封 环 弹 性 不 足,导 致 圆 周 方 向泄漏.基于以上几点可能原因,现场进行了一系列检查验证,分别进行了阀芯阀座密封面蓝油试验和研磨、密封环解体检查、油动机行程检查、操纵座传动副解体检查确认灵活性、油压开度试验验证操纵座摩擦力特性、增大弹簧力试验、热态标定以及阀芯定位结构检查优化,根据检查试验结果,确定了主调阀内漏的根本原因是密封环弹性不足和阀芯定位不良,二者分别影响了主调阀在挂闸后(原始泄漏)和接受指令后(动作后泄漏)两个阶段的转速快速上升.下面分别介绍以上各种影响因素的作用机理和检查处理方法.阀芯阀座密封面贴合不良该因素比较简单,常见于各类阀门的内漏成因中.经现场对阀门解体检查,阀芯密封面状态良好,阀座密封面较为粗糙,局部有微小点坑,现场制作专用研磨工具,采用手动研磨方式,对阀座进行研磨,之后在冷态下将阀门开启至全开状态,卸掉油压使阀门快速关闭,检查密封线均匀连续.机组重新启动冲转验证泄漏没有改善.油动机未预留有效的空行程主调阀阀芯全行程为 mm,油动机可用全行程为 mm,实际使用行程为阀芯行程的倍,即 mm,在实际安装中,在调节阀全关状态下,将油动机活塞杆向上拉出约 mm,根据其实际位置加工销孔,通过销钉将油动机与操纵座连接.这样做的目的是保证阀门在关闭时的关闭力作用在阀芯与阀座上,避免活塞缸受力导致阀芯阀座关闭力不足.如果该 mm的空行程未预留或行程不足,将导致阀门关闭力不足或关闭行程末端受到活塞缸残留油压的缓冲作用导致阀芯下落过缓从而密封不良.现场脱开号机组四台主调阀油动机与操纵座的连接销,测量油动机活塞杆下沉量,即为空行程,测量结果见表,证实油动机预留空行程满足要求,不是导致阀门内漏的原因.表主调阀油动机空行程测量T a b l eM e a s u r e m e n t o f t h e e m p t y s t r o k eo f t h em a i nr e g u l a t i n gv a l v eo f t h eo i lm o t o r阀号号号号号设计值测量数据 mm mm mm mm mm 操纵座传动机构存在卡涩如图所示,操纵座的主体运动部分可简化为个部件组成,包括个转动副、个移动副(其中一个为虚副),自由度计算可得为,因此调节过程中部件包括阀杆的位置是唯一确定的,同理,如果机构中任一传动副存在卡涩,阀杆都将无法正常动作下移进而与阀座接触关闭,此时阀芯与阀座之间会留有间隙.通过对转动副、进行目视检查及动作观察,排除其卡涩.逐个去除连接销,对移动副和进行检查,确认动作正常.最后将操纵座从阀体上整体取下,此时观察阀杆位置,确认与操纵座拆除前一致,判断操纵座各传动副不发生卡涩.图操纵座传动副示意图F i g T h es c h e m a t i co f t h ec o n t r o l s e a t t r a n s m i s s i o np a i r同时,通过油压开度试验间接对操纵座传动性能进行验证.给油动机工作腔通入高压油,使阀门缓慢开启,在开启的过程中,可近似认为阀门处于匀速运动状态,则根据油动机此时的工作腔油压可近似推算出其所克服的作用力的大小,其中的作用力包括弹簧的作用力、操纵座和阀门运动副的摩擦力、阀门等部件的重力.由于弹簧的作用力可根据弹簧的压缩量和弹性系数计算得出,阀芯的重力也已知,因此可大致求出操纵座和阀门运动副的摩擦力,通过观察全行程动作过程中摩擦力的变化可大致了解操纵座和阀门各传动副的卡涩情况.弹簧作用力计算如下:已 知,弹 簧 自 由 长 度:L内 mm;L中 mm;L外 mm;弹簧弹性系数:P内 N/mm;P中 N/mm;P外 N/mm;三根弹簧初始长度(阀门全关位置)均为 mm.可知,初始弹簧力F初 N;对应阀门行程S时弹簧力F SF初P总S,其中:P总P内P中P外 N/mm.设各部件重力和传动副摩擦力之和为K,若系统不存在卡涩,则K大致为常数.则油动机推力:F推F SKF初P总SK试验按照每 行程一个台阶,测量对应位置的实际油压,根据实测结果绘制曲线如图,根据试验结果可知,传动副摩擦力均匀,不存在卡涩.图油压开度试验曲线图F i g T h ec u r v eo f t h eo i lp r e s s u r e o p e n i n gt e s t 弹簧力不足,致使其施加给阀门的密封力不足阀门处于关闭状态时,当机组挂闸,蒸汽进入,主调阀阀芯所受外力包括蒸汽作用在密封环上的向上推力、蒸汽作用在密封面凸台上的向下压力、弹簧组通过阀杆作用在阀芯上的压紧力以及阀座给予的反作用力即密封力.如果弹簧力不足,则会造成密封力偏小,导致泄漏风险增加.结合、号机组运行以来主调阀不存在漏量大的现状,利用机组检修窗口分别对号机组阀门和号机组阀门的弹簧进行弹性系数测量对比(见表),从结果可知,号机组主调阀弹簧弹性系数整体略低于西屋机组,为验证该偏差对阀门泄漏量的影响程度,现场通过增大弹簧压缩量的方式,增大号机组阀门弹簧力,如图所示,通过缩短图中“”垫块尺寸和临时增加图中“”垫 块 的 方 式,增 大 弹 簧 压 缩 量 为 mm,计算增大弹簧力约为 N.通过机组冲转验证,阀门泄漏没有改善,证明弹簧力因素对阀门泄漏无明显影响.表弹簧弹性系数测量T a b l eM e a s u r e m e n t o f s p r i n ge l a s t i cc o e f f i c i e n t s弹性系数/(N/mm)号机组号调阀号机组号调阀号机组号调阀号机组号调阀号机组号调阀外圈 中圈 内圈 总和 弹簧材质H (美标)S i M n A S i M n A S i M n A S i M n A图弹簧力调整示意图F i g T h es c h e m a t i co f s p r i n gf o r c ea d j u s t m e n t 阀门冷热态变化过程中密封面发生形变前文已通过蓝油试验证明阀门在冷态时阀芯阀座接触良好,没有异常形变、位移等因素导致的密封断线.机组冲转前以及正常运行过程中,随着高温高压蒸汽介质进入,阀门由冷态向热态工况过渡,此时由于阀芯与阀座材质、壁厚、形状差异以及管道应力作用、外部支撑等受力变化,二者密封面部位必然产生不同程度的热膨胀和热变形,从而影响泄漏情况.为此,设定阀体承受最高工作压力和温度及管道应力,阀门处于关闭状态,进行有限元分析,计算冷态和热态下阀体的变形量.结果见表,计算表明,管道应力作用微小,不影响阀体变形,热态变形量较冷态明显偏大,但阀座密封线仍保持良好的圆度与平面度,未发生翘曲变形,不影响阀芯和阀座密封线的状态,阀座热态偏移量为 mm,未超出阀芯 自 定 位 调 整 范 围(直 径 间 隙 为 mm),最 大 倾 斜 角 小 于 阀 芯 允 许 倾 角(),所以阀门冷热态变化不影响阀门的密封性.表主调阀全关状态冷热态变形量T a b l eC o l da n dh o td e f o r m a t i o no f t h em a i nr e g u l a t i n gv a l v e i nf u l l c l o s e ds t a t e变形量/mm冷态热态阀座阀笼差值阀座阀笼差值中心线位移s 椭圆度 直径增大D 竖直方向变形 倾斜率t g/D 倾斜角 密封环泄漏 两道密封环安装方向错误,未按照 错口安装阀芯径向安装两道开口式密封环,布置,用以减少阀门关闭时蒸汽沿阀芯圆周方向的泄漏.如图所示,密封环安装时工作平面朝上,蒸汽从压力平衡槽进入腔室对密封环形成向上推力,使工作平面与阀芯密封环槽上表面配合形成密封,同时密封环依靠自身弹性向外胀开,使外圆与阀笼内表面配合形成密封.解体检查确认两道密封环安装正确,即工作平面朝上、压力平衡槽豁口朝下、两道密封环开口错开 角,密封有效.图密封环结构示意F i g T h es c h e m a t i co f t h es e a l i n gr i n gs t r u c t u r e 密封环与阀芯密封槽贴合不良如图所示,通过蓝油对密封环工作平面与阀芯密封槽上表面贴合情况进行检查确认贴合良好,并对其表面光洁度进行检查满足要求,可排除此种可能原因.密封环弹性不足,导致圆周方向泄漏密封环为开口设计,其自由状态下开口尺寸以及开口收缩贴合状态下的张力是两项重要指标,开口过小或张力不足会导致其在阀芯和阀笼之间的状态变化,表现为机组运行工况下外圆与阀笼内表面无法贴合,进而导致蒸汽沿外圆表面泄漏以及密封环自身定位不良引起震颤或倾斜,影响密封效果.导致密封环开口尺寸和张力偏差的原因较多,主要包括原始设计方面材质选择不足、加工制造工艺控制不足以及现场安装过程控制不足.经验证,现场出现泄漏的阀门密封环、库存备件以及重新采购的密封环备件均存在不同程度的两项指标偏差,且部分密封环在现场安装过程中出现了塑性变形,证明该问题是造成阀门原始泄漏的重要原因.阀芯定位不良导致自身倾斜,进而导致密封环和阀芯阀座密封面泄漏调节阀阀芯为浮动结构,阀芯和阀笼间隙最小部位(定位钮)达 mm,阀芯处于不同位置时的状态如图 所示.理论和实验证明,密封环正常工作状态(图,a)下,阀芯与阀座密封状态最佳,密封环的两个密封面贴合状态最好,即密封状态最佳;阀芯发生倾斜时,阀芯阀座密封遭到破坏,使泄漏量增大,同时,密封环在弹性作用下,可产生两种状态,即工作平面与阀芯密封环槽保持贴合,外圆与阀笼内表面局部脱离(图,c),此时密封环泄漏会有所增大,当密封环外圆与阀笼内表面贴合,工作平面与阀芯密封环槽脱离(图,b),此时密封环泄漏明显增大.经密封环制造及安装优化后,调阀原始泄漏改善明显,挂闸后机组转速上升速度减缓,最终可稳定在 r/m i n以下,但在接收开度指令、阀门动作后,转速仍会快速上升,此时阀门虽根据指令反馈关闭,但无法有效抑制转速变化,无法稳定在暖机转速.分析认为此阶段主要的泄漏原因即是阀芯倾斜.图 阀芯倾斜示意图F i g T h es c h e m a t i co fv a l v ec o r e t i l t处理措施 密封环质量控制)从材质方面优化密封环设计,提高其弹性特性.)对密封环制造质量进行管控,明确开口尺寸标准和自由状态张力标准.)优化密封环安装工艺,避免安装过程中由于开口扩张过大导致的塑性变形.阀芯定位方式优化由于阀芯为浮动结构,重心高于支撑点,导致其在开启后容易发生倾斜,又由于定位钮结构为点式局部定位,导致其对阀芯的倾斜限制能力有限,而降低阀芯阀笼间隙尺寸会影响阀门快关功能,故将定位钮改为定位环结构,通过在阀芯顶部增加整圈环状定位,可大幅提高其对阀芯倾斜的限制能力.问题解决、号机组按照上述方案进行处理后,阀门内漏问题得到有效解决,挂闸后转速上升稳定在 r/m i n以内,D EH给出开指令后机组转速实 现 可 控 稳 步 上 升,最 终 能 够 稳 定 在 暖 机转速.除以上措施外,可进一步通过优化阀芯型线设计增大卸载比、增加阀笼阀座密封、改变密封环槽位置、增大密封环厚度等手段提升阀芯和密封环的稳定性及密封性,类似方法在国内部分同型机组中已成功运用.参考文献:朱丹书核电汽轮机调节阀泄漏试验与分析J上海汽轮机,():贾仰生汽轮机自动主汽门调门严密性试验方法探讨J汽轮机技术,():申勇,申斌,吴静,等弹簧钢的技术发展及生产工艺现状J金属制品,():