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关于锅炉HPV阀的故障分析及改造建议

ASME书中第一篇的规定,直接受热锅炉过热器出口应设置压力泄放阀,其排量应不小于锅炉最大连续蒸发量的10%,它的主要作用是防止锅炉运行波动引起弹簧安全阀起跳,对弹簧安全阀进行保护。目前国内亚临界机组和超临界机组均在过热器出口设置压力泄放阀。

国电宝鸡第二发电有限责任公司总装机容量4×300MW,于1998年底开始相继投入运行。锅炉采用东方锅炉厂生产的DG1025/18.3-Ⅱ9型亚临界、一次中间再热、自然循环、平衡通风、单炉膛Π型露天布置、固态排渣、全悬吊结构燃煤汽包锅炉。每台锅炉的过热器出口管道弹簧安全阀之后设计安装了1台由美国安德森格林伍德克罗斯比(Anderson Greenwood/Crosby)调节阀公司设计制造的HPV阀。

1 HPV阀的设备规范

HPV阀设备规范如表1所示。

表1 HPV阀设备规范

2 HPV阀的结构和原理

HPV阀是先导式的电磁泄放阀,常用于管线压力高而流通能力要求不高的场合,HPV阀体由两部分组成,即主阀和先导阀。HPV阀是电动操作,依靠先导阀控制主阀动作。HPV阀的工作原理是:正常工作时主阀和先导阀在系统压力的作用下保持密闭;当电磁线圈带电时,带动线圈中央的衔铁向上运动,通过杠杆原理使先导阀(控制阀)打开,使主阀腔内产生压差,阀瓣向下运动,压缩弹簧,阀门打开;当电磁线圈失电时,线圈中央的衔铁向下运动,在系统压力的作用下先导阀和主阀先后闭合,保持密闭。这是比较经典的流体控制原理。HPV阀动作迅速,并且系统压力越大,密封面压紧力越大,密封效果越好。

国电宝鸡第二发电有限责任公司4×300MW机组自1998年投入运行以来,为缓解陕西电网的高峰用电起到了重要作用,但由于结构问题,锅炉HPV阀频繁发生故障,在使用过程中经常出现外漏和内漏现象,在线正常运行时间短,泄漏现象无法彻底解决,严重影响了机组的安全、经济、稳定运行,及时分析和解决这个问题,成为电厂十分重要的安全生产课题。本文通过自己多年实际工作经历,对HPV阀的故障及改造建议分析总结如下。

3 HPV阀的故障分析与探讨

3.1 主阀阀体密封设计有问题

HPV阀结构及部件材料分别如图1和表2所示。主阀喷嘴是通过螺纹固定在阀体上的,主阀密封圈在阀体与喷嘴之间进行密封,采用线密封方式。由于主阀经常泄漏需要解体检修,喷嘴不断的反复从阀体上拆下,主阀密封圈的线密封面与喷嘴和阀体摩擦,极易损伤造成主阀外漏,尤其是阀体上的密封面造成损伤时是无法修复的,外漏现象无法消除;另外,HPV阀的主阀密封圈是碟型镍合金的,当主阀喷嘴通过丝扣与阀体连接时,旋转很容易使密封圈划伤,且旋转时阀体密封圈压缩量没有一个准确的控制,经常导致阀体泄漏,针对此问题我们也做过一些技术改造,效果不是很明显。

图1 HPV阀结构

表2 HPV-ST型压力操纵泄放阀部件材料

3.2 阀门的动作过程多

HPV阀门的动作过程是:电磁铁动作——先导阀动作——主阀打开,电磁铁通电后通过杠杆原理传递力给先导阀,使先导阀动作,导致主阀内产生压力差,主阀打开。HPV采用电磁铁作为动力源,当通电时,由于是瞬间电流,产生瞬间力,磁力过大,速度过快,使电磁铁振动过大,造成损伤,其中任何一个环节出现问题都会导致阀门故障,经常碰到的情况是先导阀泄漏导致主阀泄漏。

3.3 先导阀的设计有问题

由于设计时只考虑到先导阀对阀门的开启起控制作用,并不需要很大的排放量,根本没有认真考虑到先导阀要承受17MPa-18MPa的系统压力,因此先导阀的体积设计很小,从设计角度讲就是在冒险,先导阀的阀体密封通过四个螺钉压紧,而现实情况是四个十毫米的螺钉无法压紧,螺钉断裂很常见,螺钉断掉后不易修复;另外,先导阀密封面太窄(只有一毫米多一些)且小,接近线密封,很容易损伤,而过热器出口压力非常高,在阀门打开时,受到高温、高压的流体冲刷,很容易短时间内冲出痕迹,一直泄漏,在线保持时间也比较短,再加上对其修复难度较大,因为密封面过小修复时不好施力,更无法保证磨出的面是平面,经常是凹面,故先导阀的设计存在诸多问题。

3.4 主阀密封位置易泄漏

先导阀泄漏后必然造成主阀密封面压紧力不足而容易引起泄漏;另外,HPV阀排气管道与阀体没有弯头阻挡,锈渣、杂质等异物会直接掉落到密封面附近,而主阀开启方式是上下开启,开启时密封面是分开的,在回座时非常容易因异物夹在密封面上而泄漏。

HPV阀出现的上述问题,我们也进行了一系列技术改进,只有对阀体密封改造略有成效,其它由于其原始设计原因,无法改进。追究原因,是当时的技术水平所限,所以只能应用这种原始的理念:电磁铁动作——先导阀动作——主阀打开。

随着现代技术的发展,一种可以替代HPV阀且能够更好的、无泄漏的在线运行的的阀门应运而生,它就是ERV阀门——一种球阀(直接由执行器驱动)。

4 ERV阀的可行性分析与探讨

ERV阀门原理简单,动作迅速,结构设计针对HPV阀的缺点进行了改进,从结构上避免和消除了HPV阀结构上的缺点,使它的使用性能更好、更稳定,并且结构简单、检修方便,所需备件少、价格便宜,日常维护费用低。

球阀通常用于完全流通及快开要求非常严格的场合,就位置而言很适合用于压力泄放阀这个位置。ERV阀解决掉了所有HPV阀的问题,性能优良,并且有气动、电动和液动多种类型执行器可供选择,以便能非常精确的控制阀门,便于操作。

4.1 ERV阀的结构和原理

ERV阀结构和材料分别如图2和表3所示。

图2 ERV阀结构

表3 ERV阀部件材料表

ERV阀既可电动操作也可气动操作,依靠执行器控制主阀动作。工作时通过控制执行器使主阀开启和关闭。

4.2 ERV阀的优点

4.2.1 ERV阀优于HPV阀

(1)ERV阀门使用执行器控制主阀的开启和关闭,代替了先导阀,既保证了动作的可靠性,又完全消除了最容易泄漏的先导阀这一泄漏点。

(2)ERV阀门采用高性能金属密封球阀结构,密封面宽大,更不容易泄漏;密封面的开启和关闭是滑动的而不是分开的,即使有锈渣等异物掉落到密封面上,也不会夹进密封面,它可以将密封面上的杂质推开,有自清洁作用,减少了密封面夹渣的几率。

(3)ERV阀门的主阀密封圈在阀体和出口组件之间靠螺栓、螺母的压紧力压紧形成密封的,出口组件和阀体通过螺栓法兰连接,在解体和组装时不存在摩擦损伤从而破坏阀体密封面的问题。

(4)ERV阀门的控制部分还采用了高灵敏度的可编程控制器控制阀门的起跳和回座,使阀门的灵敏度更高,起跳压力、回座压力的调整更简便。

ERV阀是一种高性能的球阀,它除了克服HPV阀的缺点外,还克服了传统球阀的三大问题。

4.2.2 ERV阀优于传统球阀

(1)阀球采用火箭喷涂技术,涂层粒子分布致密均匀,经过去剩余应力,还经过氢气燃烧试验,保证了阀球不会脱落。

(2)阀体密封采用双面弧形密封,很好的补偿了由于阀杆转动时产生轴向扭矩,使上阀体产生应力发生微变形而造成的泄漏。

(3)阀杆密封采用新材料,阀杆密封一直是球阀的一大缺点,但是ERV阀采用良好填料,将这一缺点大为改观,是泄漏率大为降低。

以上的优势使ERV阀比HPV阀具有更少的泄漏点、更长的在线正常运行时间,即使出现内漏或外漏现象,也可以通过解体检修彻底得到解决。

4.3 ERV阀比HPV阀具有整体效益方面的优势

HPV阀内部结构复杂,有主阀喷嘴、主阀弹簧、主阀阀芯、主阀密封圈、先导阀、先导阀弹簧、先导阀阀座、卡簧、垫片等数量众多的备品备件,由于压力泄放阀的特殊工况,压差较大,经过一段时间的运行,检修时大部分的备件都必须更换,不但增加了工作量,备件更换的成本也随之增高,而且,众多的备件,在储备存放和领取更换的过程中丢失的可能性也相应增大;相比HPV阀,ERV阀门的内部构造就简单得多,内外部备件只有阀球、阀杆、阀球座、蝶型弹簧、盘根和出口组件。虽然ERV阀也要承载很大的压差,但特殊的阀门设计和制造工艺,使检修更加方便,备件的更换频率较之HPV阀也要低得多,不但节省了宝贵的检修时间,同时也降低了检修成本。ERV阀全套备件价格比HPV阀全套备件价格要低50%,加之节约下来的检修用时,使用ERV阀HPV阀整体效益至少要提高60%以上。

5 改造建议

实践是检验真理的唯一标准,通对国电石嘴山(4×300MW)等使用HPV阀电厂的考察调研,发现各个电厂HPV阀都存在问题,已经让电厂焦头烂额了,目前正在或已经改造完成。同时,仍有多家电厂准备近期改造使用ERV阀。通过对西北大部分使用ERV阀电厂(大唐户县二电(2×300MW)、德源府谷(2×600MW)、华能平凉(4×300MW)、甘肃张掖(4×300MW)、大唐韩城二电二期(2×600MW)等)的考察调研,ERV阀目前运行良好,使用稳定、可靠,状况良好。据有关资料显示,2004年后的新机组在锅炉过热器出口采用的基本上都是ERV类型的阀门。

提出将HPV阀改造为ERV类型阀门的建议,必须通过上述HPV阀的故障分析和ERV阀的可行性分析探讨,并结合自己实际工作的经验及考察调研情况。