650MW汽轮机主汽阀断裂事故分析及处理论文_温康

(中国核电工程有限公司)

摘要:汽轮机主汽阀断裂是电站非常严重的恶性事故,一旦主汽阀故障无法关闭,汽轮机则不能快速切断进汽而紧急停机,进而造成超速、或更为严重的飞车事故。本文结合某电站650MW汽轮机组安装后首次冲转发生的主汽阀断裂事故,对此次事故原因及处理措施进行分析和阐述,以为其他电站发生同类事故提供一些有益帮助。

关键词:电站;汽轮机;主汽阀;断裂

在大型电站汽轮机组中,针对主汽门、油动机的设计、制造、组装和现场安装每一个环节,都必须认真验证严格把关,因为该设备的质量好坏,直接关系到整个汽轮机组的安全性、可靠性、经济性和稳定性的运行。

1、事故概述

1.1.某电站650MW汽轮机1#机组是哈尔滨汽轮机厂设计制造,型号HN650-6.41;该机组2015年10月8日安装完毕后进行首次启动、冲转、试验阶段,晚23点,主控显示1号机组2号主汽阀打闸后关闭不到位,显示阀位在50%位置。安装调试等检查人员认真检查了阀门油动机液压油回路正常,并脱开了阀门摇臂与油动机的连接,油动机活塞正常复位,由此判定为阀门本体故障。现场阀门解体检查发现,阀碟脱落,阀碟与摇臂连接螺柱齐根断裂,详见图1。

1.2.现场更换同类型电站借调备件,经厂家现场指导复装主汽阀,10月18日再次进行安装后的调试,共进行了4次关闭试验,在第4次动作时发现阀门再次卡死,解体检查后发现该阀碟根部螺柱再次断裂。

2、事故原因分析

2.1、装配尺寸检查

为验证阀门是否卡涩,现场对阀杆的装配尺寸进行了检查,首先检查了阀杆轴向间隙,图纸要求最小间隙2.4mm,实测2.95mm,满足图纸要求。其次检查了蝶阀对中性,在检查此数据前,先对阀门自身零部件尺寸进行了复查,阀碟轴图示尺寸mm,实测尺寸Φ70mm,摇臂内孔图示尺寸mm,实测尺寸Φ74.6mm,均符合图纸要求。

现场采用工装测量摇臂内孔与阀座的同心度,根据现场测量数据计算同心度偏差0.65mm,摇臂内孔与阀碟轴设计有4mm多的间隙,现场测量的数据也有4.6mm的间隙,能够适应一定的偏心;而实测的偏心值为0.65mm,不影响蝶阀的对中性能,可以确认装配尺寸没有问题。

2.2、主汽阀设计复核

根据多台同类型机组经验反馈,此类型汽轮机组主汽阀在已运行电站使用多年,从未出现过类似问题,性能安全可靠,说明主汽阀的主体设计没有问题。

同时厂家设计对该阀碟进行了有限元分析,通过分析得出图2计算结果,在阀碟在关闭过程中,阀碟最大应力出现在箭头所示红色位置区域,该区域为危险区域,当蝶阀承受较大冲击应力时,该部位最危险。而现场实际出现的两次阀碟断裂,断裂部位均在此处。

设计对螺母、摇臂与蝶阀三者之间采用了球面接触并留有足够的间隙,此种设计目的是为了在蝶阀的开启和关闭过程中,能够自对中,由于间隙的存在,在阀门关闭时蝶阀在惯性的作用下,与阀座并不是完全平行的,在接触时首先局部接触,然后由于关闭力的作用,沿着球面旋转归位;由于是局部先接触,在先接触部位产生压应力,反方向产生拉应力;如果关闭力过大,则会导致阀碟应力最大部位断裂。

2.3材料分析

2.3.1原材料分析

核实断裂阀碟进厂原材料检验文件,蝶阀材料化学成份分析显示NI元素和Mn元素有些超标;机械性能检验合格;原材料无损探伤采用超声波探伤检查也合格。

2.3.2断口分析

1)目测 阀碟断裂部位位于阀瓣与摇臂连接螺柱根部;蝶阀整体表面黑灰色。

2)宏观分析 蝶阀断面比较平坦,基本与螺柱垂直,断口附件没有宏观塑性变形;断面整体分为两个区域,一个位于断面边缘对称位置的两个月牙形平坦区域,呈黑色和灰色;另一个区域为一次断裂区,呈深灰色,局部区域呈铁锈色,断面上发散楞线明显;阀碟阀瓣边缘存在摇臂磕碰痕迹。

3)断口微观分析 在55扫描电子显微镜下观察阀碟断口微观形貌,我们把断面分为4个区域,详见图3,对每个分区进行分析,结果如下:

A区和D区呈黑色,A区宽度约4mm,两区域均起裂于断面边缘,可见发散棱线和疲劳弧线,呈现疲劳断口特征,断面氧化严重。

B区呈灰色,为典型的一次性开裂断口,该区域起裂于B区和A区交界处,可见明显发散棱线,源区和两侧螺柱边缘为韧窝形貌,内部放射区为准解理断口。

C区亦呈灰色,为典型的一次性开裂断口,起裂于C区与D区交界处,可见明显发散棱线,断面内部放射区为准解理断口。

B区和C区交界线处为韧窝形貌,B区和C区面积约占整个断面面积的90%以上。

从以上材料分析,阀碟材料基本满足标准要求;从断口分析结果可知,断面分为疲劳区和一次性断裂区两个区域,一次性断裂区域面积超过90%,说明阀碟本身承受较大的工作应力。阀碟的断裂是在裂纹萌生扩展至一定区域后受到较大冲击力而一次性脆性断裂。

2.4阀门执行机构检查

根据2.3.2.4的材料分析结论,蝶阀的断裂是在受到较大冲击力而发生的一次性脆性断裂。为验证蝶阀是否受到较大的冲击力,我们对其执行机构进行了检查。

现场复核厂家提供的油动机加工图纸,发现油动机油缸活塞杆缓冲段尺寸为Φ39.8mm,油缸缓冲段孔径为50mm,这样活塞杆缓冲段与油缸尾缸配合间隙单边约5mm左右,这与技术规格书上活塞杆和尾缸内孔间隙0.2mm的要求不符。从而导致油动机缓冲功能丧失,阀门关闭时间过快。经与制造厂了解,油动机加工图纸是参考上一个同类型电站绘制而成,而上一个电站针对油动机的关闭时间,电站业主方有过调整要求,进而改变了油缸尺寸;在参考绘制过程中,由于设计人员的疏忽,部分尺寸未改回原有设计。

根据上述分析,主汽阀装配尺寸、结构设计、力学分析、材料等都基本符合设计要求,唯有油动机缓冲段间隙不符合设计要求,使得阀门关闭时瞬间线速度过快,导致冲击力过大,是阀门断裂的主要原因。

3、处理措施

现场将油动机拆除,返回制造厂进行重新加工,消除活塞杆和尾缸孔间隙过大的问题。拆借2#机组阀碟,做无损检测,确认合格后挪用至1#机组;对1#机组主汽阀内部磕碰部位进行位置、尺寸记录,然后打磨抛光,做PT检查,确认无隐患后按照厂家指导要求进行阀门复装。油动机修复完毕后运回现场重新安装,并按要求测量阀门行程,调整阀门关闭时间曲线以满足设计要求。

4、结语

通过该电站主汽阀断裂事故分析,我们找到该事故的主要原因,并采取了相应的处理措施,最终,该问题得以顺利解决;保证了整个电站的建设进度。同时,这也给我们一次学习的机会,积累了宝贵的经验。再次证明任何事故的发生都有一个主要原因,在原因未查清楚前,不能盲目采取处理措施,否则只会导致事故的再次发生或产生其他更大的事故。

论文作者:温康

论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期

论文发表时间:2017/6/13

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