（宁夏大唐国际大坝发电有限责任公司设备工程部,宁夏青铜峡751607）
摘要：本文介绍了D600系列高压调节阀的结构特点，找出了高压调节阀十字头与门杆连接销断裂的原因，并通过分析计算得出了应力分布情况。通过应力分布与材料抗拉强度进行比较验证了结论的正确性。并对高压调节阀设备技改完成后的强度进行了校核。
关键词：高压调节阀、结构特点、应力分布、抗拉强度
Abstract: Structural features of D600 series high pressure regulating valves was illustrated to analyze the stress distribution for regulator valve crosshead and stem fractures. Validations have been done by comparisons of the distribution and the material tensile strength. Strength check was conducted for the modified valve design.
Keywords:regulating valve.Structural features.Stress distribution.Tensile strength
1 前言
随着现代汽轮机技术的不断发展，大容量、高参数汽轮机组在电网系统所占比例越来越大。因装机容量的不断增大，汽轮机转子惯性相对于驱动力矩越来越小。运行当中一旦发生发电机解列甩负荷，会造成汽轮机转速飞升，危机汽轮机安全。汽轮机高压调节阀承担着超速保护动作时快速关闭阀门使汽轮机转速保持在额定转速，并在机组事故条件下与主汽阀共同关闭切断汽源使机组快速停机的作用。正常运行条件下，高压调节阀还承担着调节机组功率、频率的作用，故其可靠性直接影响着汽轮机的安全性、可靠性、经济性。
2 D600系列汽轮机高压调节阀介绍
高压调节阀配汽机构一般由配汽传动机构与调节汽阀组成。
配汽传动机构的作用是将油动机行程转变为调节汽阀开度，实现调节汽阀开启重叠度合理分配。高参数汽轮机每个调节汽阀一般由单独的油动机进行控制以保证调节精度及安全性[1]。
D600系列汽轮机高压调节阀设计借鉴了日立600MW机组高压调节阀操纵机构连接方式。阀门关闭时高压调节阀油动机失去油压，阀门在操纵座弹簧力作用下迅速关闭，在阀门关闭时阀杆会受到瞬时冲击载荷的作用。阀门开启是通过油动机举起下杠杆来实现，阀门开启期间，操纵座弹簧被压缩，阀杆受弹簧压缩力作用，而油动机通过下杠杆传递液压力使阀门保持开启[2]，故正常运行期间，阀受到油动机传递的液压力、主蒸汽压力与操纵座弹簧力的合力共同作用。
高压调节阀十字头起到在操纵机构与调节阀之间传递力矩的作用。D600系列原设计高压调节阀阀杆与操纵座十字头采用螺纹直接连接，十字头与调节阀阀杆装配时需将阀杆旋入十字头底部并保证端面紧密贴合，无间隙，以保证阀门关闭时阀杆螺纹不受力。在阀杆接触检查无误后通过一个穿过阀杆和十字头的销固定，以减轻阀杆负荷使正下方螺纹得到更好的应力分布，如图2。
该类型阀门在运行当中多次出现阀门卡涩，关闭不到位的情况。阀门解体后发现阀杆与十字头联接固定销断裂，阀杆退出，阀杆与十字头联接螺纹咬死。综合现场解体情况分析造成阀门卡涩的原因是由于高压调节阀阀杆端面与十字头之间存在间隙，未达到阀杆与十字头端面紧贴装配要求，从而造成阀杆固定销在阀门关闭时受冲击力作用，冲击力超过了固定销的许允剪力,最终导致固定销断裂，阀杆与十字头联接螺纹咬死，调门卡涩关闭不到位。经查阅设备图纸及相关技术资料收集到高压调节阀技术数据如下：调节阀配合直径228.6mm，阀杆直径76mm，阀杆与十字套连接部分螺纹为M48×3，阀杆材料：2Cr12NiMo1W1V，抗拉强度≥930 MPa。止动销尺寸为Φ18×200，止动销材质：38CrMoAl，抗拉强度≥980 MPa。主蒸汽压力16.7MPa。
如图所示，运行期间汽流作用于阀杆上的力：
F=16.7×228.6×228.6×3.14÷4=685kN（1）
通常设计要求油动机提升力系数为2～4[3]，装配正常时，阀杆与十字套端面紧贴配合时，阀杆关闭时所受应力最大为：
σb=685kN×4÷76÷76÷3.14×4=604MPa（2）
当阀门装配无误，正常运行期间阀杆应力远低于该材料的许允应力，故阀杆不存在断裂隐患。
当阀杆与十字套端面未紧贴配合时，阀杆上的力全部作用于固定销，则固定销所受的剪应力为：
σb =685kN×4÷18÷18÷3.14×4=10773 MPa（3）
此时销受到的剪应力远大于该材料的许允应力，故销在运行过程中会发生断裂。
3改造背景及运行效果
综合上述技术分析，该类型阀门因结构原因要求装配时阀杆端面须与十字套端面紧贴。因此，现场对高压调节阀解体复装前，应试装一次，找正十字头销轴孔的相对位置后，确认阀杆端面完全贴合紧密，才能装入固定销。
因阀门装配技术要求高，现场装配时多不能做到阀杆端面与十字套端面紧贴要求，存在高调阀运行当中固定销断裂、螺纹咬死、阀门卡涩的隐患。另该类型阀门在解体检修时存在固定销不易拔出，调节阀阀杆和十字头连接螺纹咬死、倒牙等无法解体，垫环锈蚀、热变形难以拆卸等问题，故对该阀门联接型式进行了改造。
通过与制造厂沟通及技术改造调研，最终确定对阀杆与十字套部分做如下改造：将阀杆上端设计成有一定角度的椎体，并与配套的锥形衬套进行过盈配合（锥套材质为38CrMoAIA, 抗拉强度≥980 MPa，锥套与十字套接触面积约11053mm2），衬套顶部通过一锁紧螺母锁死，再加装一带槽螺母锁死锁紧螺母防止松动。在完成上述装配工作后将锥衬套连同阀杆装入十字头并用6个M18×80的螺钉（螺钉材质：20Cr1Mo1VNbTiB，抗拉强度≥835MPa）连接为一体。
改造后阀门结构与原设计相比：阀杆与十字头无直接连接关系，阀门与十字头拆卸、维修方便，只需拆除连接螺钉，便完成了十字头与阀杆的分解工作。
运行过程中力首先传递至锥形套部分，连接螺钉仅起到固定、传递部分轴向力作用。现对改造后的阀门应力分布进行简单核算，阀门运行期间受力情况保持不变，改造后阀门受力平均分布在锥形套与十字头接触面上，则锥形套与连接螺栓承受最大应力为：
σb=685KN×4÷11053=248MPa（4）
根据计算结果分析：改造后锥形套与连接螺栓所受应力为最大为248MPa，低于锥形套与连接螺栓材料抗拉强度值，故改造是安全可行的。
4结论
我公司6号机组2013年按上述技术方案进行了高压调节阀改造，运行过程中高压调节阀调节正常，未出现调门卡涩、关闭不到位情况，改造效果良好。高压调节阀改造提高了高压调节阀运行的安全可靠性，且较原设计有拆卸、维修方便的优点，值得有同类型高调阀结构的单位借鉴技改。
参考文献：
[1]黄树红,孙奉仲,盛德仁,等.汽轮机原理.中国电力出版社,2008,265～268
[2]NZK600-16.7/538/538型汽轮机维护说明书
[3]黄树红,孙奉仲,盛德仁,等.汽轮机原理.中国电力出版社,2008,263
论文作者:王爱华
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/4/28
标签：调节阀论文; 阀门论文; 汽轮机论文; 高压论文; 字头论文; 端面论文; 抗拉强度论文; 《电力设备》2017年第35期论文;