#2机左侧高压主汽阀油动机故障分析

一、概述湛江中粤能源有限公司一期工程安装2X600MW机组为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司成套供应的亚临界、四...

一、概述

湛江中粤能源有限公司一期工程安装2X600MW机组为哈尔滨汽轮机厂有限责任公司成套供应的亚临界、四缸、四排汽、型号为N600-16.7/538/538的汽轮机。每台机组由2套卧式高压主汽阀组，左右对称布置，由油动机开启，靠弹簧力关闭。为了解决高压主汽阀关闭迟缓的问题，于2013年初对2号汽轮机左、右侧高压主汽阀进行改造，由杠杆式改为直拉式，由哈尔滨汽轮机厂有限责任公司自动控制工程分公司设计及改造。

高压主汽阀执行机构中油动机的作用是控制阀门的开关，油动机活塞杆的自由端通过螺纹方式与阀门阀杆相连。在机组停运时，蝶形弹簧组的弹力通过连接件作用于油动机活塞杆，活塞杆在弹簧力的作用下推动主汽阀的阀芯使阀门关闭；机组启动和正常运行时，油动机活塞下油压克服弹簧力的作用，通过连接件带动主汽阀而将其开启至全开位置。



二、发生故障经过

2014年11月22日11时30分，#2机组带505MW负荷正常运行，左侧高压主汽阀突然关闭，机组负荷由505MW甩至417MW，LVDT阀位由100%变至-5%，阀位开度指令仍然保持100%。检查机组各参数正常后给指令开启左侧高压主汽阀，发现该阀无法开启，阀位开度指令保持100%，其实际阀位为0，给机组安全运行带来极大的隐患。

三、原因分析

（一）油动机无法开启原因分析

#2机左侧高压主汽阀突然关闭后无法开启，直接影响机组的安全运行。从情况看，造成左侧高压主汽阀突然关闭后无法开启的原因有三种：

1、左侧高压主汽阀油动机工作油压消失而无法建立起来，导致油动机无法克服弹簧力的作用将高压主汽阀开启；

2、左侧高压主汽阀卡涩，即使油动机工作油压建立起来也无法通过活塞杆将高压主汽阀开启。

3、左侧高压主汽阀油动机活塞杆断裂，即使油动机工作油压建立起来也无法通过活塞杆将高压主汽阀开启。

#2机左侧高压主汽阀关闭后无法开启，机组在单侧进汽的情况下运行，造成机组带不了高负荷，同时机组振动增大的危险性也在增加。为了尽快查找出原因，及时消除机组运行隐患，汽机专业和热控专业人员立即开始一步步的排查。

高压主汽阀的开与关，是通过伺服机构接受输出量与输入量进行开关的，当阀门要求开至某一开度时，工程师站将某一开度的指令传输至伺服机构，伺服机构根据输入量将伺服阀进油口打开，油进入油缸后将阀门顶开，达到某一开度时，反馈装置信号与输入信号平衡后，伺服阀进油口关闭，阀门保持在该开度。同理，关闭时，伺服阀接到信号打开泄油口阀门关闭。如果信号指令不能正确无误地传输到伺服机构，阀门也无法正常开关。为了确保热控信号传输过程中正确无误，热控专业技术人员进行了以下排查：

1、对伺服阀接收信号情况进行检查、测量，结果为正常。

2、对反馈装置即LVDT进行检查、测量，结果为正常。

3、在工程师站，对#2机左侧高压主汽阀卡件进行检查、更换，阀门未能开启。

经过热控专业的排查，排除了热控信号、线路的问题，那么问题极有可能是机械油路出现故障。压力油不能顺畅进入油动机工作腔室工作或进入工作腔室后又直接排出，这两种情况都无法将工作油压建立起来，导致阀门无法开启。

从高压主汽阀执行机构控制图（图2）可以看出油动机的工作原理：压力油经截止阀到滤芯后分两路，一路经伺服阀进入工作腔室；另一路经节流孔板到插装阀。当机组挂闸，AST油压建立，使插装阀阀芯克服弹簧力向前关闭，切断了油动机工作腔室排油的路径；伺服阀接到指令动作，压力油经伺服阀进入工作腔室，当进入到工作腔室的油压力大于碟簧弹簧力时，阀门逐渐开启，反之关闭。为此，汽机专业技术人员针对油动机油路进行彻查：

1、首先从截止阀开始检查，如果截止阀故障关闭，压力油无法进入油动机工作腔室进行工作，阀门关闭后自然就开不起来。当给出阀门开指令时，进油管抖动伴随着油流声，证明截止阀是通的，不会造成阀门打不开。

2、接下来检查滤芯，滤芯的作用时过滤油中的杂质，以防杂质进入到伺服阀、插装阀造成两者拒动、误动。当滤芯拦截的杂质多，进入油动机工作腔室的油量少，油压低，以致无法克服弹簧力去做功，阀门关闭后也就开启不了。在更换新滤芯后，再给出阀门开指令，阀门未能开启。可见，滤芯堵塞造成阀门关闭后无法开启的原因可以排除。

3、伺服阀在液压系统中起着极其重要的作用，它根据电信号转换成液压量，达到控制阀门的开度。当伺服阀出现故障，进入油动机工作腔室的油不能满足工作要求，无法将阀门开启。对此，我们将新伺服阀更换上去，给出阀门开指令，阀门仍旧不动作。伺服阀故障原因也得到排除。

4、紧接着松出节流孔板进行检查，检查其孔是否堵塞。节流孔板的作用是维持系统油压稳定，不会因挂闸而使液压油系统失压。如果节流孔堵塞，压力油到达不了插装阀上腔，AST油压建立不起来，插装阀阀芯在弹簧力的作用下将工作腔室排油油路接通，泄掉工作油压，阀门无法开启。检查发现节流孔完好、畅通，此因亦可排除。

5、工作油压建立不起来的原因就集中在插装阀上，插装阀上腔密封件老化、损坏，密封不严导致油消漏，使保安油压不足以克服弹簧力而将该阀关闭，从而接通工作腔室排油油路，泄掉工作油压，高压主汽阀无法开启。解体检查插装阀，密封件完好，阀体活动自如无卡涩，此因亦得到排除。

那么阀门是否存在卡涩导致无法打开呢？为此检修人员用千斤顶对阀门进行了检查，发现用千斤顶可以将门杆轻松顶开，证明阀门无卡涩。

经过认真仔细的排查，#2机左侧高压主汽阀关闭后无法开启的原因不是油动机工作油压消失所致，也不是阀门卡涩引起，而是油动机活塞杆断裂所致。由于油动机活塞杆工作时同时受到弹簧力和工作油压力的作用，当其断裂后，油压对其作用力消失，在弹簧力的作用下迅速关闭而无法打开。

#2机组于2014年11月30日停机，11月31日解体左侧高压主汽阀执行机构，发现油动机活塞杆的自由端与连接件相连处断裂。

（二）活塞杆断裂原因分析

为分析活塞杆断裂原因，湛江中粤能源有限公司委托广东电网有限责任公司电力科学研究院金属所对断裂的活塞杆断裂进行试验分析。电力科学研究院金属所根据送检样品的情况，在有代表性的位置截取试样进行宏观检查、光谱分析、金相试验、硬度试验、室温拉伸试验、冲击试验、扫描电镜观察等试验，根据测试结果，最终得出油动机活塞杆断裂的原因：

1、活塞杆断口的启裂及扩展区有明显的疲劳条纹，说明活塞杆受到了交变应力的作用。分析活塞杆的受力状况，在主汽阀关闭和全开两种状态下以及达到两种状态的过程中，执行机构对活塞杆作用的都是非交变的轴向力，同时活塞杆还受到通过预启阀阀芯传递的高温高压蒸汽的作用力，这个作用力是有所变化的。因此交变应力应是主汽阀全开时高温高压蒸汽对主汽阀阀芯的作用产生的。

2、活塞杆金相组织中回火贝氏体位向较明显，且有较多的铁素体。铁素体沿活塞杆轴向呈明显的带状分布。其金相组织有异常，说明其热处理不到位。材料热处理不到位导致韧性不足，使得活塞杆在长期运行过程中在轴向力和交变应力的作用下在应力集中部位出现微裂纹并逐渐扩展，直至断裂。

3、启裂及扩展区域的边沿都是在螺牙底部的倒角处。在这三个区的边沿，存在一些表面或近表面夹杂物或夹杂物的痕迹。电子显微镜下观察，发现有多个螺牙的倒角处不圆滑。断口位于活塞杆与主汽阀阀杆之间螺纹连接的接合部位，该部位是这个螺纹连接结构的应力集中部位。对于活塞杆的螺牙结构来说，螺牙底部倒角处是应力集中部位。位于接合部位的螺牙底部倒角处如果存在不圆滑现象或存在表面或近表面夹杂物，会加剧应力集中效应，在外力的作用下易出现微裂纹，并在轴向力和交变应力的作用下逐渐扩展，直至断裂。

四、处理措施

针对#2机左侧高压主汽阀油动机活塞杆断裂情况，为了避免其他高压主汽阀油动机活塞杆断裂，已完成以下工作：

1、已要求厂家严格按照设计要求重新加工活塞杆，对所有高压主汽阀油动机油缸随活塞杆一同返厂进行了更换。

2、已利用#1、#2机组停机机会，将返修后的油缸、活塞杆更换至#1、#2机高压主汽阀油动机上。

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