汽轮机调节阀预启阀座损坏原因及分析

汽轮机调节阀预启阀座损坏原因及分析

      1问题的提出

     近年来，高温高压机组发生了多起汽轮机调节阀预启阀座损坏事故，并且预启阀座损坏的情况相似，即预启阀座（图1中件2）磨损后，从阀碟（图1中件3）的内孔中掉落到喷嘴室。某发电厂发生过两次预启阀座损坏事故。针对此问题，本文将从以下几方面分析其损坏机理，并提出相应的预防和改进措施。

      2 预启阀座损坏结果分析

     该发电厂2号机在1997年大修停机过程中，发现2号调节阀后有压力，机组负荷减不到零，带负荷打闸停机。大修检查时，发现2号调节阀预启阀座损坏掉落到喷嘴室，取出后检查，阀座整体变形，外圆有明显地磨损痕迹，测量其尺寸，阀座直径小了16mm，此尺寸正好是阀碟与阀座相接触的���碟凸肩尺寸。这表明，2号调节阀的阀座与阀碟相接触的部分全部被磨损后，从阀碟内孔中掉下。对损坏件的硬度进行检测，阀座整体的布氏硬度HB=120~130，阀座密封面处的硬度为HB=160。

     该发电厂3号机在1997年l1月中旬例行小修停机过程中，发现3号调节阀后有压力。小修中检查时，发现3号调节阀预启阀座行程过大。由于有2号机预启阀座损坏的先例，故打开调节阀检查，发现3号调节阀预启阀座损坏，掉到喷嘴室。取出后，其损坏形状如图2（a）、（b）所示，外圆一圈被磨损后只剩下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约5mm的月牙型棱状凹坑，如图2（c）所示。表明预启阀座在被磨损只剩下8mm时，阀座在阀碟内发生了偏转，被阀杆压下而掉到喷嘴室。

     由于连续出现了2次预启阀座损坏事故，在3号机3号调节阀预启阀座取出后，做了洋细的硬度测量，测点如图2（a）所示，测量结果见表1。

表1 预启阀座硬度测量HB

      3 预启阀座损坏机理分析

     预启阀材质为15Cr11MoV，加工件，布氏硬度HB=270~290；阀碟材质为30Cr2MoV，锻件，调质后表面氮化处理，其维氏硬度Hv≥700，换算为布氏硬度为HB≥656；阀杆材质为15Cr11MoV，热处理后，经表面氮化其维氏硬度Hv≥650，其布氏硬度HB≥610。对阀座的取样分析，其化学成分见表2。

表2 阀座化学成分（%）

      3.1 阀座的金相组织分析

     3号机3号调速汽门损坏后，对其进行了金相组织分析。分析结果表明，阀座的金相组织为铁素体+回火索氏体，铁素体呈条状，平行于磨损面，如图3所示。在铁素体晶内及晶界上可见颗粒状碳化物，铁素体含量为7%~10%，回火索氏体仍保留了原马氏体位向，从保留的位向看，原马氏体为板条状马氏体，如图4所示。   

     从以上分析结果看，调节阀阀座原始组织为条状马氏体+铁素体。由于摩擦发热后，马氏体变形为回火索氏体，硬度大为降低，由变化前HB=270~290下降到HB=120~140。

      3.2 阀座硬度下降原因分析

     阀座加工调质后硬度为HB=270~290，损坏后的阀座硬度降至HB=120~140，硬度下降的主要原因如下所述。

     a.调节阀上的压紧螺母紧力偏小，汽机2号、3号调节阀的预启阀行程大，为14mm；2号调节阀从预启阀开启到主阀开启前，主汽流量从0上升到55t/h，3号调节阀从预启阀开启到主阀开启前，主汽流量从0上升到107t/h，机组负荷变化较大。受运行方式的限制，在此负荷下，机组运行时间长，在主阀开启前，流过预启阀的蒸汽是经过阀碟套壁上的气孔流人预启阀上部进入汽缸的，因气流方向的急剧改变，高温高压蒸汽通过预启阀时，是旋转的高速气流。

     b.预启阀座发生旋转，阀座与阀碟凸肩产生强烈摩擦，摩擦热使预启阀座与阀碟相接触处的温度上升到800℃以上的高温。由于阀座内孔流过的是500~530℃的过热蒸汽，蒸汽迅速将其冷却到500℃左右，并保持在此温度。由于阀座原金相组织主要是条形马氏体，经上述温度变化后，阀座与阀碟凸肩的结合面处金属金相组织就转变成回火索氏体。

     c.低碳马氏体的硬度本来就低，金相组织转变为回火索氏体后，其硬度又进一步降低，而阀碟硬度很高，二者相摩擦后，使阀座磨损速度加快。由于阀座的强度降低，在打闸停机时，尤其带负荷打闸停机时，阀杆对阀座有很大的冲击力，使阀座被剪切损坏，掉到喷嘴室。

      4 预启阀座损坏原因分析

     通过以上分析，该厂2、3号机组调速汽门预启阀座损坏原因主要如下。

     a.调速汽门调节阀阀杆顶部加工型线为梨形，当调节阀阀杆与阀杆套间隙超标，阀杆在运行中受进汽的影响而稍有偏移时，阀杆顶部与预启阀座内孔所形成的通道会出现不对称现象。此时，流过预启阀的高温高压气体在预启阀内孔产生脱壁现象，气体流动变成不对称流动。对称高速旋转气流将对预启阀座产生很大的轴切向冲击力。

     b.预启阀座与阀碟的装配工艺不当。根据厂家提供的预启阀座更换工艺要求，对压紧螺母不进行热紧。预启阀座与阀碟内孔为间隙配合，现场实际测量，此间隙为0.03~0.05mm，调节阀在工作状态受热后，此间隙将变大，因此预启阀座仅受到上部压紧螺母的紧力。由于压紧螺母在装配时仅进行冷紧，紧力有限。加在预启阀座上的紧力，很大一部分将被预启阀座和阀碟支撑预启阀座的凸肩的变形所吸收。在机组运行后，当阀碟在高温作用下，装配时的所有弹性变形逐渐变为塑性变形，压紧螺母的紧力即消失。尤其是预启阀座与阀碟凸肩接触处金属的变形非常明显，甚至由棱形变成弧形。

     c.在运行中，当预启阀座上部紧力消失后，受气流的轴切向冲击力作用，发生高速旋转，磨损速度很快。该发电厂3号机3号调节阀预启阀座在1999年5月大修检查时，发现1997年11月中旬更换的预启阀座磨损已达0.74mm，而3号调节阀在预启阀工作的运行工况下的机组运行时间仅为80d，由此可见其磨损速度之快。1997年11月损坏的预启阀座，在金相分析时发现，其磨损面下金属有明显的变形，组织呈流线分布，如图5所示。由此可见，预启阀座损坏主要是因旋转摩擦所造成的。

      5 防止预启阀座损坏措施

     5.1合理选择预启阀座材料

     由于预启阀座材质属于低碳合金钢，又是加工件，其硬度与阀碟硬度相差过大。一旦阀座在阀碟内发生旋转摩擦，出现金相组织的变化，阀座磨损速度快。因此，建议阀座材料应选用与阀碟相同的材料或25CrMoV钢，加工后调质至HB=270~290。

      5.2 正确调整阀座与阀碟的配合尺寸

     根据现场测量表明，阀座与阀碟是间隙配合，应选用过盈量为0.01~0.02mm的过盈配合，以防止阀座在受到蒸汽的冲击后发生旋转。

      5.3 适当热紧压紧螺母

     调节阀预启阀座的压紧螺母，在更换阀杆后或组装时，除给予一定的冷紧力后，宜再进行一次热紧，其热紧值可参考同直径的螺母紧固要求。本次大修取出的3号机3号调节阀预启阀座后，对新换的阀碟预热到200℃二左右时，压紧螺母热紧值达到弧长30°。

      5.4 加装阀座定位键

     预启阀座应设计用于防止预启阀座旋转的措施，如加一个防旋转的定位键，这样就可以避免阀座发生旋转。

      5.5 阀杆与阀杆套的间隙不能过大

     机组大修时，必须用专用工具测量阀杆与阀杆套的间隙。如果此间隙超过要求，必须消除，避免阀杆在受到蒸汽的脉冲扰动时发生摆动，加速阀座的损坏。

      5.6 防止阀座金相组织变化

     机组大修如果需要卸下压紧螺母时，禁止直接加热阀碟，避免因加热调节阀碟后冷却方式不当，引起阀座的金属金相组织的变化。