浅议超临界锅炉炉水泵出口调节阀泄漏故障分析及处理效果

发布时间:2011-01-08  点击数:2220
    华润电力(常熟)有限公司3×600MW机组采用哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进三井巴布科克能源公司(MitsuiBabcockEnergyLimited)技术生产的超临界参数变压运行本生直流锅炉,锅炉型号为HG1952/25。4-YM1型。
    该锅炉的启动系统为带内置式汽水分离器和循环泵的启动系统,其作用是在水冷壁中建立足够高的质量流量,实现点火前循环清洗、保护蒸发受热面、保持水动力稳定、回收热量、减少工质损失等。当锅炉负荷小于35%BMCR直流负荷时,经过加热的汽水混合工质通过内置式分离器产生离心分离,分离出来的水进入贮水箱,经连接在贮水箱底部的炉水循环泵,输送至锅炉省煤器入口,形成炉水复合循环。当锅炉在35%BMCR负荷以上运行时,分离器呈干态运行。正常运行期间,分离器和炉水泵系统均承受锅炉超临界运行压力(26.8MPa以上)。
一、调节阀密封结构特点简介
    本炉型中炉水循环泵出口处采用的调节阀为美国FLOWSERVE公司生产的Valtek大口径气动调节阀(14"/CL2500。/Cv1200),主要起到贮水箱液位调节作用。该阀使用CavControl控制气蚀式阀芯阀笼组件,主要由阀塞、阀笼和阀座(圈)三部分组成。阀座圈通过阀笼被压紧在阀座体,阀芯与阀杆组成一体在阀笼内上下移动起到调节作用。运行调节时工质从阀笼外侧流入,通过阀笼壁孔向阀笼中央汇集后经阀座圈流出。
    对于现代高参数火电机组的调节阀除了满足使用功能外,其密封的严密性被越来越重视,因为即使微量的泄漏也会引起密封面的损伤,所以要求密封必须严密可靠。本Valtek大口径CavControl调节阀主要存在三处密封结构:阀杆填料密封、阀盖与阀体之间的平面缠绕垫密封、阀座圈与阀座之间的平面缠绕垫密封。
二、阀门产生(外)泄漏原因分析
    高温高压汽水阀门的泄漏(不管是内漏还是外漏)都会不同程度地导致阀门性能的下降,严重情况下还会造成阀门零部件的损坏。但由于通常情况下Valtek的CavControl阀门在本系统中主要用于流量调节作用,系统隔绝作用一般是由其他阀门来完成的,所以该调节门外部的泄漏(阀杆填料、阀盖与阀体结合面两处密封失效导致外漏)倒是现场关注的重点。主要涉及现场的文明生产等问题,严重时会被迫停运锅炉机组,造成极大的经济损失。
    1、阀杆填料的密封结构及泄漏原因分析
    阀杆与阀盖之间的动静密封一般都采用填料密封:填料装入填料函内,填料与轴、填料与填料函内壁接触面之间有一个环状微小间隙。这个间隙的大小是关系到介质泄漏量的主要因素。填料在填料函内,由于压紧力的作用而变形,从而填充环状间隙,阻止介质泄漏。在预紧力传递下,由沿程阻力所致,使每个填料圈受挤压后产生大小不等、方向相同的径向压力,外侧大内侧小。所以在填料函长度较长时,一般在中间部分加装一端间隔套,使密封预紧力能直接传递到底部密封组上(见图1)。填料密封属于动—静密封形式,其作用是防止工质外漏。

    本调节阀的阀杆填料密封结构也采用同样的结构:上下两组密封填料,中间有一长间隔套(见图2)。上填料组为混合安装的5道密封圈,两端为编织式石墨密封圈,中间为3道纯石墨环密封圈。下填料组采用2道编织式密封圈。在每组填料的两端各有一片填料支承垫片(防伸出环),可防止填料被挤压后卡进间隔套与阀杆之间的空隙中。

    与一般国产阀门有所不同是该阀门的填料压盖与压盖法兰为分体组合式结构。这种结构有2个作用:(1)压盖法兰与填料压盖接触部分为球面,在压紧压盖法兰时,压力通过球面的过渡传递至填料压盖,使填料压盖在一定的范围内保持垂直向下运动,从而与填料能够全面接触。(2)填料压盖一般采用铜质材料,内径与阀杆保持较小的间隙,还兼作阀杆上导向套之用。
    在保证阀杆、填料函等部件没有缺陷、所用填料符合工况要求等前提下,有2个主要原因造成阀杆填料密封失效:一是运行多次过分热紧,将填料组中间的纯石墨密封环压碎,在阀杆操作过程中,石墨碎屑被带出流失,造成密封压力减少;二是填料组两端的支撑垫片被遗忘安装(或遗失),填料在壁厚较薄的填料间隔套的挤压下,变形后被挤进阀杆与填料间隔套之间的空隙中,无法再通过预紧的方法增加(或恢复)其密封压力,进一步导致该处密封的失效。
    2、阀盖与阀体之间的密封结构及泄漏原因分析
    该阀门的阀盖与阀体没有采用目前高温高压汽水阀门常见的自密封结构,而是仍采用旧式的中分面加垫圈密封形式,密封简单,拆装方便可靠。
    在阀笼外缘边的阀体中分面上有一凹槽,内部放置不锈钢金属缠绕垫。该缠绕垫安装进凹槽后略高于阀体中分面。安装时阀盖中分面(为一整平面)先压到阀笼顶面,压力先传递到阀座圈上。随着阀座圈底部缠绕垫被压缩,阀体中分面内的缠绕垫也被压缩进凹槽内。当缠绕垫被正确压缩后,阀盖与阀体中分结合面形成金属对金属相贴紧的状态,保证了缠绕垫的正确预压缩量。该密封也属于静—静密封形式,其作用是防止工质外漏。
    同样,在保证平面密封面平整无缺陷和所用的金属缠绕垫性能可靠的前提下,造成该处密封面泄漏的主要原因是装配不当。如在一次解体检修中发现阀盖与阀体结合面之间存在呈切线状的严重压痕,经分析是在前次更换垫片时不慎使不锈钢缠绕垫散开所致,导致阀盖与阀体结合面未紧密平行接触,垫片预紧程度不均匀一致,从而造成泄漏。
三、泄漏处理经验和改进措施
    1、阀杆填料的安装和改进措施
    (1)在安装前应检查确认在阀杆、填料函等部件没有缺陷,所选用密封圈应适应介质温度和压力等特点。
    (2)填料应混合安装。每组填料中两端为编织式石墨密封圈,中间为纯石墨环密封圈。
    (3)安装应确保步步到位。每放入一只密封圈,均要用专用开口套筒压实。
    (4)阀杆填料的密封压力主要靠压盖轴向预紧产生,不过预紧力也不是越大越好。预紧力过大,介质的泄漏暂时阻止了,但摩擦力增加,磨损加快,填料中的浸渍剂也加快磨耗,填料体积随之减少,径向密封力下降,便形成了新的泄漏条件,因此在阀门填料上施加的轴向预紧力适当即可。一般认为:如果在相应的阀门说明书上找得到填料压紧螺母的扭矩值,则应使用扭力扳手逐步拧紧。如果没有则可以采用标准扳手根据经验拧紧。同时应保证再次预紧的余量。
    (5)填料压盖改进(上导向套)。由于填料压盖与压盖法兰为分体式结构,如果在运行期间为了阻止已发生的泄漏而过分地压紧压盖法兰,甚至将填料压盖几乎都压入填料函室,会导致在现场检修时无法通过正常手段拆下该填料压盖。最后不得已只能通过扩大检修范围———解体阀门,拆阀盖来处理。为此,可以重新加工一只新的填料压盖并作局部的改进,在其上部加工一较大的圆弧台阶(见图3),在检修时可以方便地用撬杆撬出。

    (6)填料间隔套改进。考虑到填料被挤入阀杆与间隔套之间的间隙也是造成该处密封失效的原因之一,因此在安装时应注意填料支承垫片(防伸出环)的正确安装。如果现场备件缺失,可以将旧的填料间隔套截短,在两侧各增加一只壁厚较厚的间隔套,这样在填料安装时新增的壁厚较大的间隔套能起到支承填料的作用。另外如将间隔套总长度缩短,还可以在下部填料组中间添加一只石墨密封圈,以增强密封效果。
    2、平面密封缠绕垫片的安装
    经分析,在解体中发现不锈钢缠绕垫散开并挤入阀盖与阀体结合面之间是造成该处泄漏的主要原因,因此在安装时必须细心谨慎,防止缠绕垫散开,关键在于要均匀压缩密封垫片。
    安装密封垫片的作业是穿插在阀座圈、阀笼、阀杆阀芯组件、阀盖回装的过程中进行的。首先根据该阀门的结构特点,在阀座圈、阀笼、阀杆阀芯组件等依次就位后,将不锈钢缠绕垫放入凹槽内,确保垫片应没有任何的歪斜或突出。然后,可以将阀盖慢慢吊装就位(要防止在安放过程中移动或损坏缠绕垫片),暂时先用手拧紧阀盖螺栓即可。
    接着需安装阀门气动执行装置,并接通控制气源上下来回操作二三次,这样可以确保在最终拧紧阀盖螺栓前,阀杆、阀芯、阀笼及阀座圈保持同心对中。这一步骤的顺序不能颠倒,否则可能会导致组件不同心,一方面会造成运动部件的卡涩,另一方面可能使缠绕垫片受力不均。
    最后在拧紧阀盖螺栓时应进行编号,每次拧紧180o相对的两个阀盖螺栓1/6圈。按这一方式逐步对角均匀拧紧全部螺栓。当阀盖以金属对金属的形式坐入阀体时,阀盖与阀体中分面凹槽内的不锈钢缠绕垫将被正确压缩。这需要很大的力,但是当阀盖与阀体相抵时,很容易通过扳手感觉到。同时在拧紧螺栓过程中,可以通过用游标卡尺(或百分表)随时测量(推算)阀盖与阀体结合面之间相对间隙(或位移),来衡量密封缠绕垫是否被均匀压缩。
四、结论
    经过对华润电力(常熟)有限公司2号炉炉水循环泵出口大口径CavControl调节阀的现场检修处理,消除了外漏和卡阀两大缺陷,目前该阀门一直处于正常运行状态。同时也可以得到一些经验,为同类型阀门检修提供参考。
    1、在阀门检修过程中由于存在缺乏专用扭力扳手、缺乏技术数据、螺栓润滑不足等因素,造成密封预紧力的偏差。当预紧力不足时,随着压力和温度的慢慢升高,在阀门系统的投运初期就会发生泄漏。另外在实际运行状态下,由于温度和压力的变化产生的应力变化、工质的瞬间冲击震动、长期高温状态下的材料蠕变等因素,螺栓上产生的预紧力有可能会下降,从而造成泄漏。
    2、本阀门的密封结构并不复杂,关键在于理解和重视安装过程中的步骤和工艺。同时在组件回装阶段可进行一些必要的测量,从而可以了解部件之间的配合关系,特别是对推算密封元件的压紧程度有极大的帮助。另外针对存在的问题,可对密封部件结构进行局部小改进,以更切合现场实际的要求。
    由于超临界机组运行压力高,汽水阀门稍有泄漏,对阀门密封面的吹损将相当严重,同时也会大大增加阀门的维修难度,因此应该重视阀门的初期泄漏。对于阀门的初期泄漏(这里主要指外漏),建议可以采用适度热紧的方法来处理。特别对于新更换密封垫片的阀门,在机组启动初期,一般可在低压、中压状态分别进行一次复紧检查,能够确保其在超临界压力下正常运行。

    参考资料
    郭延秋。大型火电机组检修实用技术手册-锅炉分册(M)。北京:中国电力出版社,2003。
    杨源泉。阀门设计手册(M)。北京:机械工业出版社。