103-JT合成气压缩机组高压透平调速阀故障分析

    某大型合成氨装置中合成气压缩机（位号：103-J）是合成氨装置的关键设备，由单缸、反动式抽汽凝汽式蒸汽透平驱动（蒸汽透平位号103-JT）。蒸汽透平的具体参数如下：
    进汽压力（正常/最大）：10.1/10.3MPa（a）
    进汽温度（正常/最大）：440/455℃
    进汽流量（正常/最大）：274/295t/h
    抽汽压力（正常/最大）：3.92/4.22MPa（a）
    抽汽流量（正常/最大）：220/244t/h
    工作转速（正常/最大）：10423/10872r/min
    功    率（正常/额定）：17738/20429kW
    机组采用两侧全周进汽且上排汽的结构。透平径向轴承为五块可倾瓦轴承，止推轴承为金斯伯雷型。
    1 调速阀故障现象及处理措施
    在合成氨装置开车初期，由于种种原因装置的负荷只能在85%~90%范围内运行，这时对应透平转速为10030~10040r/min。2009年，装置满足全负荷运行条件，透平开始升速，打开全部调节阀，即调节阀处于全开状态，发现透平转速仅为9893r/min，达不到设计转速10423r/min。于是装置停车检修，对103-JT透平调速阀解体检查，发现调速阀第4个调节阀阀杆断裂（正常阀头与阀杆是螺纹连接，并用销钉锁死）。调节阀阀头位置及断裂情况见图1~3。

图1 阀杆部分凸出阀梁部分凹进阀梁

图2 阀杆

图3 阀头

    在对断裂的调节阀整套阀梁组件更换后（图4所示），装置再次开车对103-JT透平进行加负荷提速实验，当调速阀阀位由76%开至95%时，透平转速变化仅为40r/min，最高仅为9910r/min。具体实验数据见表1。

    
图4 第一次更换的整套阀梁组件
表1 实验数据

    于是装置再次停车，对103-JT透平调速阀解体检查，发现4#调节阀阀杆断裂、阀头脱落，断裂情况见图5~6。

图5 断掉的阀杆

图6 阀杆横断面

    于是又采取的措施是改造阀梁组件（图7所示），阀梁两端的横断面改为弧线形，4#阀头的行程由原设计27.0±0.30mm，改为17.0±0.30mm（即3#、4#阀头同时开启）。  

  
图7 第二次更换的阀梁组件   

  
    更换新型阀梁组件后，装置再次开车，调节阀全部打开，103-JT透平转速最高升为9366r/min后不再继续升速，还是没有达到设计转速。于是再次停车对103-JT调速阀组件解体检查，发现东侧的调速阀提干断裂，西侧的调速阀提杆弯曲，调速阀杆阀头完好。情况如图8，9所示。

图8 正常阀杆

图9 断裂的阀杆

    2 调速阀故障分析及措施
    透平调速阀的结构大体有以下三种，即阀杆是全部凸出阀梁的、阀杆部分凸出部分凹进阀梁和阀杆全部凹在阀梁内。103-JT透平调速阀采用的是部分凸出部分凹进阀梁结构。
    由于103-JT透平调速阀采用的是部分凸出和部分凹进梁结构，使得透平升速过程中各阀头阀杆受力不均匀。103-JT阀梁组件共有4个阀头（具体分布见图1），其中1#、3#阀杆凹进阀梁，2#、4#阀杆凸出阀梁。正常运行时，4#阀头是最后开启的，此时透平进蒸汽量最大，阀头部分受力最大，阀头受力约5t，致使阀头与阀座紧密结合，凸出阀梁的阀杆受气流冲击力，产生振动或摆动，使阀杆与阀头螺纹连接处受到横向交变力，导致阀杆断裂。
    同时，在分析103-JT透平调速阀4#阀头故障原因时，也对其他同规模合成氨装置类似条件下运行的机组透平4#阀头组件进行了分析比较，发现尽管机组透平调速阀阀杆也有采用凸出阀梁结构的，但采用凸出梁结构的调节阀阀头阀杆直径一般较大，而且阀杆与阀头是整体锻造结构；而103-JT透平阀杆直径较小，刚性自然较差，承受侧向气流冲击力的能力较小，且阀头与阀杆是螺纹连接的分体式结构。
    改进措施：通过上述分析，认识到103-JT透平调速阀4#阀头多次出现断裂的原因，改进阀头组件的结构（图10所示），加大各阀头阀杆的直径，从原来的33mm增加至42mm。整改后装置再次开车，机组最高转速达到10166r/min，装置负荷为93%，此时4#阀头全部处于开启状态，机组运行良好，调速阀组件状况良好。

图10 改造后的第4#阀头组

     
    3 结论    
    103-JT高压蒸汽透平调节阀故障主要原因是阀头组件结构和设计缺陷造成。103-JT透平调节阀是引进国外技术、国内消化吸收后自行设计制造的。希望在今后的技术引进及消化过程中，要开展大量艰苦、细致的工作，要知其然更要知其所以然，在熟练应用国内外各种设计计算软件的前提下，不断开发研制大量先进的设计计算软件，用以验证设计产品的安全可靠性，否则用户将付出惨重的经济和安全代价，给整个社会造成极大的浪费。