俄供1000MW汽轮机组高调门阀杆脱落故障分析及优化

俄供1000MW汽轮机组高调门阀杆脱落故障分析及优化
摘要：针对某核电站俄供1000MW汽轮机组高调门运行期间阀杆脱落问题分析
了原因，并提出了检修优化方案及检修注意事项，为同类型高调门的故障分析及
检修提供了可供借鉴的经验。

关键词：高调门；阀杆脱落；原因分析；优化方案；
某核电站#1、#2汽轮机组为俄罗斯列宁格勒金属工厂制造，型号为K-
1000/60-3000，整个汽轮机组由一个高压缸与四个低压缸组成，四个低压缸对称
布置于高压缸两端。

两台机组在运行期间各出现过一次高调门阀杆脱落缺陷。

1.高调门脱落原因分析
1.1．高调门简介
每台汽轮机组配置四台高压调节汽门，对称布置在高压缸两侧。

高调门由油
动机的拉力开启，油动机的弹簧作用力关闭。

汽门与油动机的连接结构如图1.1
所示，汽门阀杆通过螺纹与球头连接，球头固定在油动机联轴器上，并在汽门阀
杆与球头之间打入圆柱止动销（Φ6×100mm）防止连接螺纹松动。

图1.1 图1.2
1.2.原因分析
下面以发生在#2机组的缺陷为例分析缺陷发生的原因。

缺陷发生后现场检查，阀杆脱落，阀门关闭，油动机处于打开位置。

球头与阀杆之间垫片、断裂的止动
销散落在阀门上部顶盖上。

目视检查阀杆及球头螺纹变形严重，圆柱销表面磨损严重并变形后断裂。

对
球头销孔进行测量，两端销孔分别为6.5mm、7.5mm，比标准分别扩大0.5mm、1.5mm。

对缺陷球头螺纹进行测量，螺纹内径为62mm，新球头螺纹内径为
60mm，球头螺纹磨损量为2mm。

对脱落阀杆进行测量，阀杆上螺纹外径为
62mm，新阀杆螺纹外径为64mm，螺纹磨损量为2mm。

说明螺纹严重磨损失效、止动销断裂是阀杆脱落缺陷发生的直接原因。

螺纹磨损、止动销断裂的根本原因有：
1）止动销图纸要求直径为6mm，材质为20号钢，韧性大，但强度不够高。

止动销装配要求在球头与阀杆螺栓螺纹紧固后进行。

现场检修时为了保证球
头销孔与阀杆销孔对齐，检修人员未按要求在球头与阀杆间安装厚度合适的垫片，导致球头与阀杆之间螺纹在止动销安装后未处于紧固状态。

或者检修时已紧固球
头与阀杆之间螺纹，但球头销孔与阀杆销孔之间未对齐，检修人员直接手工修磨
止动销，导致止动销与销孔之间存在间隙。

机组运行后，蒸汽流动对阀芯产生冲
击振动，在振动作用下，阀杆与球头之间产生相对转动。

球头与阀杆产生相对转动后，螺纹间产生间隙。

同时，由于汽流冲击阀芯产
生轴向激振力，造成螺纹接触应力的变化，使螺纹接触面碰磨形成磨屑，磨屑的
形成加剧了螺纹接触面磨损，如此循环造成螺纹空行程增大。

螺纹空行程增大，
轴向剪切力增大，最终造成限位销断裂。

限位销断裂后，球头与阀杆失去限位，相互磨损加剧，长时间运行导致螺纹
磨损尺寸变小。

螺纹尺寸的减小加之阀杆振动，造成阀杆与球头之间螺纹连接失效，最终造成阀杆脱落。

2）如图1.1所示，阀杆与油动机联轴节之间没有刚性联结，球头与阀杆之间螺纹要承受阀门打开或关闭时的冲击力，如果螺纹松动，则止动销要承受冲击力。

在机组运行期间由于蒸汽的轴向激振力及阀门开度频繁变化，冲击力直接传
递到螺纹及止动销上，长时间运行后会造成螺纹损伤，止动销变形或断裂。

机组
停机时、停机后以及启动期间汽轮机要做数次调速系统实验，需要频繁打闸，调
门要在很短时间内关闭，关闭时阀芯与阀座之间的巨大冲击力全部由连接螺纹和
止动销来承受，止动销在巨大轴向剪切力作用下可能会断裂。

综合以上分析，可以得出结论：高调门阀杆出现的脱落故障是一个量变引起
质变的过程，主要原因是安装或检修工艺不当，缺乏检修经验，检修程序中检查
项目不完备，以后检修中只要严格检修工艺，完善检修程序，保证螺纹始终处于
紧固状态，螺牙单边受力，高调门脱落故障就可以避免。

2检修工艺优化
针对检修工艺中存在的问题，将从下面几个方面进行优化：
1）调整止动销材质及尺寸。

将止动销材质由2 0号钢改为15Cr11MoV合金钢，该合金钢强度高、韧性好。

止动销直径由6mm增加至10mm，增加止动销
强度。

高调门油动机动力活塞部分如图1.2所示，机组日常运行期间高调门开度在
80mm-120mm之间波动，该开度下提升力主要由小活塞提供。

油缸直径D0为
220mm，运行时活塞动力油压Pave=3.3MPa，由公式 1-1计算得出油动机提升力
为125.4KN。

图1.3
3）安装止动销。

止动销正式回装前应进行试装，确保配合良好，如间隙过大，需重新
加工止动销。

止动销安装时应用铜棒轻轻打入，严禁用大锤强行打入。

3后续优化措施
为了彻底杜绝阀杆脱落缺陷的发生，拟从下面几个方面进行研究改进：
1）改变球头与阀杆之间连接方式，增加约束，防止螺纹间发生相对转动。

2）改造阀杆和球头。

螺纹规格由M64X4，改为粗牙M64X6，增加螺纹长度。

在销子不
承力的情况下，改为粗牙后虽然总的承载能力有所降低，但牙型的承载能力会提高，且总承
载力还是有充足的裕量。

按20%油动机提升力进行结构受力分析：
计算结果如图1.3所示，可以看到，最大峰值应力为32.6MPa，大部分的应力在15MPa
以内。

远小于材料屈服强度，满足强度要求。

3）采用新型强力弹性垫片。

在阀杆与球头之间安装强力弹性垫片，保证螺纹球头始终
处于旋紧状态、螺纹单边受力，杜绝螺纹承受方向相反的交变力。

4）改变止动销形式，将止动销由贯穿形式改为紧固支头螺钉，增强抗剪切能力。

4结论
保证设备的安全、正常、稳定运行，不仅需要制造厂合理的设计，更需要检修单位采用
正确的工艺进行检修。

因很多设备故障的案例都说明，严重的缺陷往往都是由检修人员一个
小小的疏忽造成的。

在目前发电企业越来越强调安全、质量、进度的背景下，更应该要求相
关设备检修人员不能忽略检修工艺，否则一个小的细节错误都会为机组安全稳定运行埋下隐患。

参考文献
[1]蒋国元，《WWER-1000核电站设备与系统》，保定：中国核工业出版社，2009：42-43。