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摘 要：本文对茂名热电厂7号机组旁路阀从基建到投产的五年时间内，先后发生的油缸驱动力不足、高频剧烈振动、噪音超标污染、阀门内漏等多种问题进行了详细分析，并提出了阀体结构改造、阀芯阀座防冲刷结构改造等一系列技术方案，有效地解决了上述缺陷问题，消除了高温高压设备的安全隐患，并提出了延长设备寿命和检修周期的运行措施。
关键词：600MW机组 旁路阀 故障分析 处理
中图分类号：TK227 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0070-03
1 设备概况及参数
茂名热电厂7号机组为东方汽轮机厂引进日立技术生产制造的超临界压力、一次中间再热、冲动式、单轴、三缸四排汽、双背压、抽汽凝汽式汽轮机，型号为：CC600/523-24.2/4.2/1.0/566/566，最大连续出力为662MW，额定出力为600MW。机组采用高压和低压两级串联的旁路系统，其中高压旁路容量为40%锅炉最大容量，布置在汽机房的6.9m平台上；低压旁路设置两套装置，分别对应高、低压凝汽器，总容量为高压旁路的蒸汽流量与喷水流量之和，布置在汽机房的13.7m平台上。高压旁路系统装置由高压旁路阀（含减温器）、喷水调节阀、喷水隔离阀及液压站、油管道（硬管和软管）等组成，低压旁路系统装置由低压旁路阀（含减温器）、喷水调节阀、喷水隔离阀及液压站、油管道等组成，主要参数如表1所示，高旁阀结构图见图1。
2 设备运行情况及问题
（1）2012年基建期间，高旁阀减温水调节阀由于油缸驱动力不足，导致减温水调节阀在压力大于13MPa时无法开启，更换更大驱动力的油缸，此问题解决。另外，低旁阀也曾发生无法开启的问题，制造厂提供了一套重新设计的阀门内芯，减少了阀芯开启阻力，此问题当时已解决。
（2）2013年停机保养期间，7号机组共启動了3次进行冲转保养，曾发生高排逆止门后疏水罐水位计接管焊缝振裂、高旁阀后压力表管断裂、高旁阀后温度测点反复故障损坏等问题；在机组启动过程中，高旁投入运行时声音较异常，噪声非常大且尖锐，高旁阀振动幅度较小，肉眼观察不明显，现场巡查未听见水锤声音。
（3）机组投产后，2013年12月26日第一次启动过程中，高旁阀减温水投入自动控制，因为高旁阀后温度测点因振动损坏，控制系统误判断为阀门出口超温，减温水调节阀瞬间全开并反复波动，对阀门造成了热应力冲击，在高频振动的叠加下，高旁阀减温水3个喷嘴的管座焊缝均开裂。经过抢修恢复喷嘴焊缝，并在冷段再热蒸汽管道0m层最后一处弯头前增加了一路疏水管道至疏水扩容器，2014年1月4日第二次启动过程中，在高旁阀及其减温水投入后，高旁阀后管道和冷段在再热蒸汽管道仍存在明显的高频振动，测得的振动速度值随着高旁阀的开度增大而增大，在#27弹簧支座、#7弹簧吊架处尤其明显，同时，高旁阀附近区域的噪音也明显增大，高排逆止门后疏水罐水位计接管和高旁阀后压力表管仍被振裂，见图2。
（4）2014年4月3日停机过程中，高旁阀后弹簧支座振动及阀门附近1m范围内噪音测量情况。
（5）2014年10月机组首次大修，对高旁阀进行解体检查，发现高旁阀节流装置（降噪笼）底板整块脱落，第二、三级节流装置完全失效，见图3。
3 故障原因分析
（1）管道发生振动的常见情况是水击（水锤）现象，由汽（气）液两相流或疏水不畅所造成，但从机组2014年1月4日启动过程的情况（高旁阀减温水为手动控制，未过量喷水；疏水亦正常）分析，振动源应为高旁阀内部。
（2）此类型阀门后的管道直管段长度要求为管道直径的5～10倍，7号机组高旁阀后的管道长度（5900mm）/直径（711.2mm）约为8.3倍，符合要求，排除了管道设计布置不合理引起的阀门振动的疑点。
（3）经拆检减温水喷嘴，组件完好、无卡涩，排除了喷水雾化效果不好导致管系振动的可能。
（4）从表2可知，高旁阀引起的高频振动速度非常高，振幅很小（小于1mm，肉眼几乎观察不出来），未达到支架阻尼器的作用行程范围，可确定支吊架系统对管系的振动贡献非常小。
（5）经核算，该阀门通流面积有20%的余量，主蒸汽流量768t/h对应Kverf=384.0m3/h，Kvmax=504.6m3/h；高旁阀前蒸汽流速为59m/s，阀后67m/s，高旁阀前、后的管道直径设计合理，排除了阀门、管道尺寸不足导致蒸汽流速过高而产生振动的疑点。
（6）结合阀门解体情况，最终确定高旁阀振动及噪音的原因是，机组冷态启动时，尤其是锅炉试水压后过热器中留存了大量液态水，主蒸汽温度处于湿蒸汽区运行，蒸汽混夹的水滴将对高旁阀阀芯产生冲击，尤其是通过高旁阀座后流速升高，破坏力增大，阀门内部节流装置（降噪笼）底板焊缝产生隐性裂纹；在后续机组甩负荷试验时，高旁阀瞬间开启，大量蒸汽通过旁路至再热器，冲击节流装置底板，造成底板整体脱落，此后蒸汽直接进入高旁阀后管道，高温、高压的蒸汽流速远远超出设计值，产生高频振动和噪音。
4 处理方案
制造厂对阀门的内部结构进行改进设计：阀芯由圆筒型改为抛物线型，改善低开度工况时阀芯的微调控制品质，并将第二级节流装置（降噪笼）与第三级节流装置分离，第二级降噪笼尺寸缩小、厚度增大且与阀座为整体锻造结构，同时第三级降噪笼增加体积尺寸和底部封板厚度（如图4所示）。
5 实施效果及新问题
（1）通过更换上述改进结构设计的新阀体，高旁阀经过2015年运行检验，此前曾因高频振动而反复发生的故障，例如：
①高排逆止阀后疏水袋水位计取样管座断裂。
②高旁出口温度计A、B断线。
③高旁管支吊架装置螺丝松动。
④高旁调节阀后压力测点二次门后取样管振断。 ⑤高旁减温水管座焊缝断、裂漏汽（西南、北侧两处完全断裂，东侧局部开裂）。
⑥高旁阀后垂直段弹簧支座部分螺母松脱、支架侧位，6块加强肋板一块断裂、5块根部产生裂纹。
⑦高排逆止阀操作气缸底部压缩气管震断。
上述故障在更换新阀体后，没有再发生相同或类似缺陷，证明了该方法可以有效地解决阀门运行中受夹带水滴的湿蒸汽冲击而损坏的问题，此前由于阀门内部节流装置损坏所引起的高频振动和噪音问题得以解决。
（2）上述改进结构的阀体虽然增加了强度，没有再次发生节流装置损坏的故障，但是机组冷态启动时，尤其是锅炉试水压后过热器中留存了大量液态水，主蒸汽温度处于湿蒸汽区运行长达2～3h，蒸汽混夹的水滴仍对高旁阀阀芯、阀座产生冲击，经过多次冷态启动后，高旁阀又出现了新的问题，即阀门内漏。
7号机组2016年1月5日停机后，高旁阀后温度从253℃升至最高357℃，说明阀门内漏严重。
解体检查，发现阀芯、阀座均存在不同程度吹损，如图5所示。
后续采取激光补焊司太立合金修复阀芯、阀座密封面，但每次修复后经过机组1～2次冷态启动，即又出现不同程度的内漏，无法根本解决问题。
6 高旁阀阀芯、阀座防冲刷结构改造方案及效果
实际运行、检修情况证明，此前更换的新阀体虽然解决了阀门内部结构的强度问题，却无法避免湿蒸汽对阀门密封面的冲刷破坏，为了彻底处理阀门内漏缺陷，再次研究决定采取阀芯、阀座防冲刷结构改造方案，如图6所示，阀芯密封面背对蒸汽流动方向。
上述改造于2016年底实施后，7号机组于2017年（截至发稿日期）进行了5次冷态启动（其中有两次冷态启动前锅炉进行了水压试验），运行中高旁阀后温度与高压缸排汽温度的偏差在1℃以内，停机后高旁阀后温度没有异常升高，有效解决了高旁阀频繁内漏问题。
7 结语
茂名热电厂7号机组旁路阀从基建到投产的五年时间内，先后发生了油缸驱动力不足阀门无法开启、高频剧烈振动引起阀门及管系焊缝开裂、噪音超标污染、阀门内漏等多种问题，通过阀体结构改造、阀芯阀座防冲刷结构改造等一系列技术方案，历时五年，终于有效地解决了上述缺陷问题，消除了高温高压设备的安全隐患，避免了高品质蒸汽内漏造成的大量能耗损失。为了尽量延长设备寿命和检修周期，運行中还应采取以下措施：
（1）在机组启动前开启旁路阀门，在启动初期限制最小阀位不低于25%，直到高旁阀前主蒸汽和低旁阀前再热蒸汽超过50℃的过热温度后再对阀门进行小开度操作；或者高低压旁路阀门保持25%开度直至过热蒸汽参数达到机组冲转压力要求，再转入压力控制模式。
（2）在机组启动前确认低压旁路阀前疏水阀门投入自动模式，即机组负荷小于某一设定负荷（例如133MW）低压旁路阀前疏水阀处于开启状态。
（3）机组启动过程尽量缩短主蒸汽温度接近湿蒸汽区的运行时间，以减少蒸汽中夹带水滴对高旁阀的破坏，主蒸汽升温速率上限为5℃/min。
参考文献
[1] 宋汉武.汽轮机旁路系统，火力发电设备技术手册，第四卷火电站系统与辅机[M].北京：机械工业出版社，1998.
[2] 洪勉成.阀门设计计算手册[M].北京：中国标准出版社，1994.
[3] 徐灏.机械设计手册（第三卷）[M].北京：机械工业出版社，1993.
关键词：600MW机组 旁路阀 故障分析 处理
中图分类号：TK227 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）01（a）-0070-03
1 设备概况及参数
茂名热电厂7号机组为东方汽轮机厂引进日立技术生产制造的超临界压力、一次中间再热、冲动式、单轴、三缸四排汽、双背压、抽汽凝汽式汽轮机，型号为：CC600/523-24.2/4.2/1.0/566/566，最大连续出力为662MW，额定出力为600MW。机组采用高压和低压两级串联的旁路系统，其中高压旁路容量为40%锅炉最大容量，布置在汽机房的6.9m平台上；低压旁路设置两套装置，分别对应高、低压凝汽器，总容量为高压旁路的蒸汽流量与喷水流量之和，布置在汽机房的13.7m平台上。高压旁路系统装置由高压旁路阀（含减温器）、喷水调节阀、喷水隔离阀及液压站、油管道（硬管和软管）等组成，低压旁路系统装置由低压旁路阀（含减温器）、喷水调节阀、喷水隔离阀及液压站、油管道等组成，主要参数如表1所示，高旁阀结构图见图1。
2 设备运行情况及问题
（1）2012年基建期间，高旁阀减温水调节阀由于油缸驱动力不足，导致减温水调节阀在压力大于13MPa时无法开启，更换更大驱动力的油缸，此问题解决。另外，低旁阀也曾发生无法开启的问题，制造厂提供了一套重新设计的阀门内芯，减少了阀芯开启阻力，此问题当时已解决。
（2）2013年停机保养期间，7号机组共启動了3次进行冲转保养，曾发生高排逆止门后疏水罐水位计接管焊缝振裂、高旁阀后压力表管断裂、高旁阀后温度测点反复故障损坏等问题；在机组启动过程中，高旁投入运行时声音较异常，噪声非常大且尖锐，高旁阀振动幅度较小，肉眼观察不明显，现场巡查未听见水锤声音。
（3）机组投产后，2013年12月26日第一次启动过程中，高旁阀减温水投入自动控制，因为高旁阀后温度测点因振动损坏，控制系统误判断为阀门出口超温，减温水调节阀瞬间全开并反复波动，对阀门造成了热应力冲击，在高频振动的叠加下，高旁阀减温水3个喷嘴的管座焊缝均开裂。经过抢修恢复喷嘴焊缝，并在冷段再热蒸汽管道0m层最后一处弯头前增加了一路疏水管道至疏水扩容器，2014年1月4日第二次启动过程中，在高旁阀及其减温水投入后，高旁阀后管道和冷段在再热蒸汽管道仍存在明显的高频振动，测得的振动速度值随着高旁阀的开度增大而增大，在#27弹簧支座、#7弹簧吊架处尤其明显，同时，高旁阀附近区域的噪音也明显增大，高排逆止门后疏水罐水位计接管和高旁阀后压力表管仍被振裂，见图2。
（4）2014年4月3日停机过程中，高旁阀后弹簧支座振动及阀门附近1m范围内噪音测量情况。
（5）2014年10月机组首次大修，对高旁阀进行解体检查，发现高旁阀节流装置（降噪笼）底板整块脱落，第二、三级节流装置完全失效，见图3。
3 故障原因分析
（1）管道发生振动的常见情况是水击（水锤）现象，由汽（气）液两相流或疏水不畅所造成，但从机组2014年1月4日启动过程的情况（高旁阀减温水为手动控制，未过量喷水；疏水亦正常）分析，振动源应为高旁阀内部。
（2）此类型阀门后的管道直管段长度要求为管道直径的5～10倍，7号机组高旁阀后的管道长度（5900mm）/直径（711.2mm）约为8.3倍，符合要求，排除了管道设计布置不合理引起的阀门振动的疑点。
（3）经拆检减温水喷嘴，组件完好、无卡涩，排除了喷水雾化效果不好导致管系振动的可能。
（4）从表2可知，高旁阀引起的高频振动速度非常高，振幅很小（小于1mm，肉眼几乎观察不出来），未达到支架阻尼器的作用行程范围，可确定支吊架系统对管系的振动贡献非常小。
（5）经核算，该阀门通流面积有20%的余量，主蒸汽流量768t/h对应Kverf=384.0m3/h，Kvmax=504.6m3/h；高旁阀前蒸汽流速为59m/s，阀后67m/s，高旁阀前、后的管道直径设计合理，排除了阀门、管道尺寸不足导致蒸汽流速过高而产生振动的疑点。
（6）结合阀门解体情况，最终确定高旁阀振动及噪音的原因是，机组冷态启动时，尤其是锅炉试水压后过热器中留存了大量液态水，主蒸汽温度处于湿蒸汽区运行，蒸汽混夹的水滴将对高旁阀阀芯产生冲击，尤其是通过高旁阀座后流速升高，破坏力增大，阀门内部节流装置（降噪笼）底板焊缝产生隐性裂纹；在后续机组甩负荷试验时，高旁阀瞬间开启，大量蒸汽通过旁路至再热器，冲击节流装置底板，造成底板整体脱落，此后蒸汽直接进入高旁阀后管道，高温、高压的蒸汽流速远远超出设计值，产生高频振动和噪音。
4 处理方案
制造厂对阀门的内部结构进行改进设计：阀芯由圆筒型改为抛物线型，改善低开度工况时阀芯的微调控制品质，并将第二级节流装置（降噪笼）与第三级节流装置分离，第二级降噪笼尺寸缩小、厚度增大且与阀座为整体锻造结构，同时第三级降噪笼增加体积尺寸和底部封板厚度（如图4所示）。
5 实施效果及新问题
（1）通过更换上述改进结构设计的新阀体，高旁阀经过2015年运行检验，此前曾因高频振动而反复发生的故障，例如：
①高排逆止阀后疏水袋水位计取样管座断裂。
②高旁出口温度计A、B断线。
③高旁管支吊架装置螺丝松动。
④高旁调节阀后压力测点二次门后取样管振断。 ⑤高旁减温水管座焊缝断、裂漏汽（西南、北侧两处完全断裂，东侧局部开裂）。
⑥高旁阀后垂直段弹簧支座部分螺母松脱、支架侧位，6块加强肋板一块断裂、5块根部产生裂纹。
⑦高排逆止阀操作气缸底部压缩气管震断。
上述故障在更换新阀体后，没有再发生相同或类似缺陷，证明了该方法可以有效地解决阀门运行中受夹带水滴的湿蒸汽冲击而损坏的问题，此前由于阀门内部节流装置损坏所引起的高频振动和噪音问题得以解决。
（2）上述改进结构的阀体虽然增加了强度，没有再次发生节流装置损坏的故障，但是机组冷态启动时，尤其是锅炉试水压后过热器中留存了大量液态水，主蒸汽温度处于湿蒸汽区运行长达2～3h，蒸汽混夹的水滴仍对高旁阀阀芯、阀座产生冲击，经过多次冷态启动后，高旁阀又出现了新的问题，即阀门内漏。
7号机组2016年1月5日停机后，高旁阀后温度从253℃升至最高357℃，说明阀门内漏严重。
解体检查，发现阀芯、阀座均存在不同程度吹损，如图5所示。
后续采取激光补焊司太立合金修复阀芯、阀座密封面，但每次修复后经过机组1～2次冷态启动，即又出现不同程度的内漏，无法根本解决问题。
6 高旁阀阀芯、阀座防冲刷结构改造方案及效果
实际运行、检修情况证明，此前更换的新阀体虽然解决了阀门内部结构的强度问题，却无法避免湿蒸汽对阀门密封面的冲刷破坏，为了彻底处理阀门内漏缺陷，再次研究决定采取阀芯、阀座防冲刷结构改造方案，如图6所示，阀芯密封面背对蒸汽流动方向。
上述改造于2016年底实施后，7号机组于2017年（截至发稿日期）进行了5次冷态启动（其中有两次冷态启动前锅炉进行了水压试验），运行中高旁阀后温度与高压缸排汽温度的偏差在1℃以内，停机后高旁阀后温度没有异常升高，有效解决了高旁阀频繁内漏问题。
7 结语
茂名热电厂7号机组旁路阀从基建到投产的五年时间内，先后发生了油缸驱动力不足阀门无法开启、高频剧烈振动引起阀门及管系焊缝开裂、噪音超标污染、阀门内漏等多种问题，通过阀体结构改造、阀芯阀座防冲刷结构改造等一系列技术方案，历时五年，终于有效地解决了上述缺陷问题，消除了高温高压设备的安全隐患，避免了高品质蒸汽内漏造成的大量能耗损失。为了尽量延长设备寿命和检修周期，運行中还应采取以下措施：
（1）在机组启动前开启旁路阀门，在启动初期限制最小阀位不低于25%，直到高旁阀前主蒸汽和低旁阀前再热蒸汽超过50℃的过热温度后再对阀门进行小开度操作；或者高低压旁路阀门保持25%开度直至过热蒸汽参数达到机组冲转压力要求，再转入压力控制模式。
（2）在机组启动前确认低压旁路阀前疏水阀门投入自动模式，即机组负荷小于某一设定负荷（例如133MW）低压旁路阀前疏水阀处于开启状态。
（3）机组启动过程尽量缩短主蒸汽温度接近湿蒸汽区的运行时间，以减少蒸汽中夹带水滴对高旁阀的破坏，主蒸汽升温速率上限为5℃/min。
参考文献
[1] 宋汉武.汽轮机旁路系统，火力发电设备技术手册，第四卷火电站系统与辅机[M].北京：机械工业出版社，1998.
[2] 洪勉成.阀门设计计算手册[M].北京：中国标准出版社，1994.
[3] 徐灏.机械设计手册（第三卷）[M].北京：机械工业出版社，1993.