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摘要：本文由一次核电站“跳机”事件入手，逐步分析问题与原因，不仅阐明了“跳机”与再热蝶阀卡涩故障之间的关系，同时也介绍了某种型号再热蝶阀的结构与工作原理，找到了再热蝶阀卡涩故障的根本原因，并最终解决了问题。
关键词：核电汽轮机；再热蝶阀；卡涩故障
核电汽轮机组的最大特点是正常运行于湿蒸汽区，由于进汽参数比较低，相应有效热焓降较小，导致进汽质量流量比较大。比较成熟的百万千万级核电汽轮机组和百万千万级火电机组后，可以看出其进汽流量几乎相当于相同火电机组的一倍。这也是核电汽轮机组的尺寸（包括进出主管道）比相同功率火电机组大得多的原因。湿蒸汽汽轮机一旦甩去全负荷（或甩负荷到厂用电及调试中的甩50%负荷）后，由于高压主汽阀的迅速关闭，使贮存在汽轮机腔室内的凝结水随附加的蒸汽在汽轮机内共同做功，所以湿蒸汽汽轮机在甩负荷后一般比相同容量的火电机组所产生的对转子扭矩要大得多。蒸汽在核电汽轮机组高压缸做功后，在蒸汽排入中、低压缸前，对高压缸排汽需要进行除湿及再热，即高、中压缸之间或高、低压缸之间设置汽水分离再热器（MSR）来实现这个功能，同时在MSR进入中压缸之前的管道上设置中压蝶阀以进行快关和调节操作，以避免汽轮机超速过高以及避免引起MSR超压。
1轴向位移超标的几种可能性
1.1转子轴向位移与测量
蒸汽进入汽缸后会膨胀做功，推动转子旋转，同时对转子产生推力，推力的方向与蒸汽的流通方向一致。该核电站1号机组的汽轮机采用高中压合缸型式，高压缸与中压缸的进汽方向是相反的，因此蒸汽做功对高压转子和中压转子产生的推力方向是相反的。正常运行状态下，高压与中压转子所受推力基本可以抵消，转子的位移量在设计范围内（0~+0.57mm），因此转子轴向位移不会超标，也不会发生汽轮机动静部件之间（转子与汽缸）的碰磨。
汽轮机高中压转子前端（左端）设置有死点位置，转子只能往正向移动，转子末端（右端）设置轴向位移测点，用来测量转子轴向位移量。
1.2轴向位移超标的可能原因
从转子轴向位移与测量的原理分析，导致轴向位移超标的可能原因有两种，一是轴向位移测量探头出现问题，导致测量结果不准；二是中压转子承受了额外推力，使中压转子产生额外位移。
2轴向位移超标的原因
2.1位移测量探头问题排查
现场实际检查后，并未发现探头存在问题。因此，排除了位移测量探头问题导致轴向位移测量数据不准的可能性。
2.2转子额外受力与位移检查
翻查“跳机”时间前后的运行记录后，发现在试验期间，有一只再热蝶阀的运行记录显示异常：没有完成指定的“快闭”动作。进一步调阅记录显示，该蝶阀的快闭时间实际为1.4s，而规定的快闭时间为0.5s，也就是说这只再热蝶阀延迟关闭0.9s。
再热蝶阀延迟关闭的直接后果是：正常情况下应当留在高压缸和管道中的蒸汽中，有一部分进入了中压缸。这部分进入中压缸的蒸汽（简称“漏汽”），会在中压缸中膨胀做功，漏汽膨胀做功使中压转子承受了额外推力。
根据核电站运行记录，再热蝶阀延迟关闭时的阀门开度为80%，延迟关闭时间为0.9s，由此可以估算出漏汽量，然后估算出漏汽膨胀做功后对中压转子产生的正向推力和正向位移。经过计算，漏汽使中压转子产生约0.15mm的正向位移。这额外的0.15mm的正向位移，足以使得转子轴向位移超标，引发汽轮机“跳机”。
3再热蝶阀故障分析
3.1再热蝶阀延迟关闭原因
为了找出再热蝶阀延迟关闭的原因，在现场对再热蝶阀进行了拆解，重点检查再热蝶阀容易发生卡涩故障的旋转机械部分。在拆解再热蝶阀后，发现再热蝶阀非驱动端的组成部件受损严重，其中端盖、卡环以及阀轴颈和阀轴头都明显磨损，特别是卡环，几个接触面均磨损严重，从再热蝶阀拆解的实际情况判断，再热蝶阀延迟关闭的原因基本可以确定为非驱动端的端盖部分（卡环）发生卡涩故障。
3.2非驱动端的工作原理
图1是再热蝶阀非驱动端的结构示意图，从图中能够看出，非驱动端主要由端盖、卡环、轴承与阀轴等构成。卡环对阀轴起到止推和限位的作用，实际上是阀轴的轴向推力轴承，阀轴的重量由支持轴承承受。
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图1再热蝶阀非驱动端结构示意图
正常运行情况下，当阀门静止不动时（维持一定开度时），卡环的BDEF面与周围部件发生接触与受力，卡环的A、C面与轴颈不受力；当阀门动作时（阀轴转动时），卡环、端盖、支持轴承是静止的，阀轴头与卡环有相对运动，即卡环B面与阀轴头正常摩擦。
3.3卡环卡涩的原因分析
从卡环与各部件的实际磨损情况看，除了卡环B面磨损属于正常现象外，卡环A、C、D、E、F面均有不同程度的非正常的磨损。可以看出，再热蝶阀转动时，原本应静止不动的卡环随着阀轴一起转动，与周边部件发生了非正常摩擦。正常运行状态下，为保证卡环静止不动，图4中的装配公差C1与C2需要满足一定关系。C1是阀轴与支持轴承之间的装配公差（径向间隙），C2是阀轴颈与卡环之间的装配公差（径向间隙）。只有当C1<C2时，阀轴的重量才能全部落在支持轴承上，卡环的A面才能与阀轴不接触受力，阀门才能正常工作。如果C1>C2，阀轴的重量全部落在卡环上，卡环充当了支持轴承，阀门工作不正常。从图纸上查到，装配公差C1为0.34~0.57mm，装配公差C2为0.355~0.715mm，理论上不能保证C1<C2。
本次再热蝶阀卡涩故障，正是发生了C1>C2的情况：当卡环受到径向力的作用，产生摩擦力，摩擦力使卡环与轴颈不断摩擦、发热，进而引发金属粘连，最终“连”成一体。卡环随阀轴转动又与端盖及轴承发生摩擦、损伤。当所有产生的非正常摩擦力之和大于执行机构提供的轴驱动力时，阀门发生卡涩。因此，卡环卡涩的原因可以确定是装配公差的设计问题。
4再热蝶阀故障处理
这种型式的再热蝶阀非驱动端的结构简单合理，卡环充当阀轴的推力轴承设计巧妙，但装配公差的控制要求严格，难度较大，一旦公差控制不好，就会出现卡环卡涩的故障，本文所述情况即是如此。
为解决再热蝶阀卡涩的故障，提高运行可靠性和降低制造难度，蝶阀的制造商对再热蝶阀非驱动端进行了3处设计修改：（1）卡环内径增大，不再起到止推和限位的作用；（2）增设盖板，代替卡环起到推力轴承的作用。盖板与阀轴通过螺栓固定，避免盖板与阀轴的非正常摩擦；（3）卡环与盖板的接触面进行表面硬化处理，减少材料磨损，保证卡环与盖板的正常摩擦。修改后的非驱动端结构，从根本上避免了卡环与盖板同周围部件的非正常摩擦，提高了非驱动端的运行可靠性。
5结论
再热蝶阀是汽轮发电机组中非常重要的阀门，它的非正常运行可能引起汽轮机“跳机”，甚至导致更为严重的影响。本文由一次核电汽轮机“跳机”事件引发，证明了再热蝶阀卡涩故障对汽轮机安全运行的重要性。通过分析卡涩原因，对再热蝶阀进行了结构修改，避免了类似卡涩故障的发生，提高了再热蝶阀运行的可靠性，从而提高了核电汽轮发电机组的运行可靠性。
参考文献
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论文作者:刘哲
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年21期
论文发表时间:2020/2/27
标签：卡环论文; 蝶阀论文; 转子论文; 位移论文; 汽轮机论文; 核电论文; 推力论文; 《建筑学研究前沿》2019年21期论文;