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不可轻视的发电厂阀门事故

    在各类管网系统中,阀门有“咽喉”之称。由于阀门性能和质量问题造成的泄漏、停产、重大事故,给工业生产的正常运行、人身安全、财产等带来了不可估量的损失(如震惊世界的美国三里岛核电站事故)。据有关资料统计,每年世界上引起的重大生产事故,其中1/3是由于阀门质量事故所造成的...


    ▲2、湖北当阳市马店矸石发电厂(事故)

    

事故前状况:湖北当阳市马店矸石发电有限责任公司,2015年1月开工建设,高压蒸汽管道安装由岳阳筑胜安装有限公司负责施工,现建有两台220t/h 高温高压锅炉和一台从原厂拆来的75t/h中压锅炉,两台220t/h高温高压锅炉设计压力9.8Mpa ,温度540°C左右,采用母管制。 

    主要设备安装2016年5月完成,从6月中旬开始进行设备调试至今。8月 11日15时20分许,马店矸石发电公司热电项目正在热能调试,高压蒸汽管道突然破裂,造成死亡21人、受伤5人(其中3人重伤)的重大安全事故。经初步调查分析,事故主要原因是:2号锅炉蒸汽出口处主管道流量计阀门焊缝裂开,大量高温高压蒸汽外溢,导致主控室玻璃破裂,造成主控室人员严重伤亡。经全力组织搜救,目前已确认死亡21人、受伤5人(其中3人重伤)。 

   

事故原因分析:从目前得到的消息主蒸汽管材料为12Cr1MOV、直径 426mm ,流量计材质也为12Cr1MOV,工作温度为540°C ,压力9.8Mp。孔径为 273*25mm12Cr1MOV工作温度不超过570?585。是高压'超高压、亚临界电站锅炉过热器、集箱和主蒸气导管广泛采用的钢种。580℃时仍具有高的热强性和抗氧化性能,有较高的持久塑性。生产工艺较简单,焊接性能良好,但对正火冷却速度较敏感,但焊前需预热至300℃,焊后需除应力处理。580℃长期使用会产生由于鱗等杂质元素在晶界处偏聚引起的第二类回火脆性。长期使用还会出现珠光体球化。

   

 2号锅炉蒸汽出口处主管道流置计阀门焊缝裂开,造成阀门焊缝失效的原因:

    1、 12Cr1MOV材质存在问题,可能性最大为主蒸汽管材质不合格或者是旧管段代替。

    2、焊接质量不过关,焊缝处理工艺不完善,焊接后未进行100%焊口探伤,事故前两天,该焊口就开始发生泄漏,现场技术人员正在研究处理方案,事故就发生了。

    3、管道布置不合理,事故管道布置在8m层,该区域是全厂主蒸汽母管和2号炉出口母管连接处,也是锅炉给水平台,大量的管道交叉布置,空间位置有限,导致管道膨胀受阻,容易产生热应力拉断焊口。

    4、运行中存在超温超压现象,该公司报装锅炉220t,实际大概为300t, 事故前机组正常运行中,进行的调试项目为热能调试,在此过程中扱有可能造成 2号锅炉蒸汽出口处主管道流量超限,应力最集中位置为流量计阀门焊缝。 

  

 事故吸取教训:

    1、操作室布置不合理,操作室布置在汽机房8m和锅炉岛之间通道上,且大门面向B列柱,背墙朝通道采用双层玻璃,通道布置大量高温高压管道,部分管道还穿越操作室顶部,是造成大置伤亡的主要原因。

    2、伤亡26人,其中当值人员为19人,另7人为该公司技术人员,正在进行调试准备处理漏点,没有按照安监总局要求的通过自动化替换人员提高安全水平的要求,提高机组自动化水平。

    3、高温高压锅炉设计压力9.8Mpa ,温度540°C左右,采用母管制,主蒸汽管材料为12Cr1MOV ,从数据上明显看出事故公司是将国家规范标准用尽用足,设备安全余量不够,特别是在自备机组同时供热的情况下,主蒸汽管道长期超限运行。

    4、事故公司有过类似压力管道爆破事故,未吸取相关教训。

    5、技术监督重视程度,特别是高压管道金属监督、支吊架、膨胀相关监督工作。

    6、从电厂审批环节看,电厂明显是边施工边设计,同时不断在变更,电厂设计单位为化工系统非专业电力设计院,锅炉为武汉锅炉厂制造。

(相关内容仅供参考,不代表本微信公众号观点,一切请以事故调查组最终结论为准)

   

 ▲3、电厂阀门故障

    在各类管网系统中,阀门有“咽喉”之称。由于阀门性能和质量问题造成的泄漏、停产、重大事故,给工业生产的正常运行、人身安全、财产等带来了不可估量的损失(如震惊世界的美国三里岛核电站事故)。据有关资料统计,每年世界上引起的重大生产事故,其中1/3是由于阀门质量事故所造成的。具体到电力行业,由于阀门不能正常工作带来的经济损失也是相当可观的。电站阀门是与电站主辅机设备和系统紧密关联、相互依存,而又不能为通用阀门所取代的特殊阀门。在由锅炉和汽机等设备组成的热力、供水等管网系统中,各种阀门分别分布在主蒸汽系统、给水系统及旁路系统中。

  面向电站用的阀门在生产和设计中历来存在较大难度,制造上,电站阀门具有批量小、规格型式多、制造难度大等特点。由于大量的阀门工作在恶劣的工况下(如电站中的高温高压阀、核电站中某些阀门控制放射性流体),对阀门材料要求严格。发电厂的统计表明,发电厂失效的阀门主要是汽轮机前端的主蒸汽阀门及旁路系统阀门,这是由这些位置的工况决定的。

    

▲4、对阀门进行研究的必要性

    60年代之前,对阀门的研究并未引起人们足够的重视,直到美国发生了三里岛核电站事故后,才渐渐被政府及研究人员所重视。目前,随着电网和发电厂的不断改造,阀门方面面临的问题也被提上了议事日程,分析其原因有三个方面:

    (1)工况的变化:近几年,在国内外新建的电厂中,采用了超临界机组等新技术,随着大机组参与调峰和超超临界机组投产运行,使得阀门的运行工况更加恶劣。在日本,原超临界汽轮机的蒸汽参数标准为24.2 mpa、538/566℃,现在已经提高到超超临界的31.1 mpa、593℃,温度还将进一步提高到600/610℃[3]。由此可见,高参数的工况对阀门的各方面性能提出了更高的要求。

  (2)经济性方面:作为电站辅机的一个重要组成部分,一般情况下,一台机组的配套阀门约几千只,如果是超临界机组大约有1/10的阀门是工作在超临界状态。数量众多的阀门产生的能量损失是可观的。能量损失主要有泄漏和由于阀门节流特性产生的损耗2种。当前开展的多项研究都是围绕生产的经济性以减小能量损耗为目标进行的。对于泄漏问题可通过加强泄漏的监测、提高阀芯控制精度或改变密封结构、研制新型的密封材料等手段解决;至于节流特性造成的损失,要通过改进结构解决。

  (3)面临的问题多,对阀门失效机理开展的研究较少:从阀门的应用中可以看出阀门面临的问题具有多面性(阀门的强度、密封性、寿命、控制系统的可靠性不能满足要求以及阀门工作时产生的振动对机组具有耦合效应等)。多年来由于存在重主机,轻辅机的观念,对阀门开展的研究没有放到重要的位置上来。国内有多家研究机构开展这方面的研究,取得了不小的进步,但与国外先进技术相比仍存在较大的差距。

    

▲5、电站阀门面临的技术问题

    衡量阀门质量有以下几个指标:密封可靠性、动作响应能力、强度、刚度及寿命等,将阀门作为整个热力设备系统中的基本单元考虑,又存在流固耦合振动和振动控制的要求。要保证这些指标,首先需要解决如下几个主要问题。 

    5.1 控制(决定阀门动作的可靠性)

  主汽阀和再热汽阀的控制系统故障是汽轮机五大事故之一,主要表现在阀门开度与设计不符,包括传动机构失灵、行程超前、滞后,这些影响到阀门的强度和振动。阀门的开度控制直接影响到汽机的工作状况,因此受到高度重视,已成为研究的核心问题之一。

  近年来,在研究阀门的可靠性方面,智能型阀门是研究的主攻方向,智能型阀门具有自行判断工况,并实时地进行自我调节的功能。智能型阀门中的关键部件是数字定位器,数字定位器用微处理器使阀门的执行器准确定位,监视和记录阀门的有关数据。

    5.2 强度(应满足寿命、刚性要求)

  机组的频繁启动对阀门强度及阀门使用寿命的影响尤为突出,特别是用调节阀调速的汽轮机,以往研究的重点放在阀门的控制问题上,现在看来强度问题也不容忽视。《power engineering》杂志副主编carolann giovando撰写文章强调科研工作者不应把全部的注意力都集中在控制问题上,应注意加强对阀门强度、寿命、密封性的研究,因为它们是阀门工作最基本的条件。

    (1)由于机组的频繁启动,原来的主汽阀有可能不能满足新的运行要求。因为一般的主蒸汽阀门是按基本负荷设计的,设计过程中只按静压、温度、蠕变考核其强度,不存在低周疲劳寿命问题。现在工况变化了,原设计就不一定满足要求。为此,设计过程中有必要考虑低周疲劳寿命计,使设计工况与运行工况相一致,以达到延长寿命的目的。

    (2)由于执行机构行程控制的不准确性,阀芯对阀座产生冲击载荷。有电厂曾经出现过阀座碎裂,裂块被冲进汽机,造成汽轮机出力急剧下降,转子严重受损的故障。

  另外,对于高压阀门等,还有气蚀现象、阀体的原始铸造缺陷、阀体出现裂纹后的寿命分析与预测等课题都值得进一步研究。

    5.3 振动

  阀门开度变化、执行机构的动态性能不佳和阀体存在泄漏都是产生振动的原因,振动对阀门本身伤害很小,但对整个机组影响很大,表现在产生低频振荡。

  机组的低频振荡分为两种:一种是油膜振荡,这是机组在升速或空载运行中,由支撑轴承的油膜产生的;另一种是蒸汽振荡,它比油膜振荡复杂,在蒸汽激振力作用下振动,常在机组带负荷后发生。阀门开度变化和泄漏是产生蒸汽振荡的重要原因。有资料表明,美国和德国都发生过蒸汽振荡毁机事故,我国也发生过50 mw和200 mw汽轮机的毁机事故,由于当时缺少实时的数据记录,所以故障原因不能确定,但怀疑与两种低频振荡有关。由此可见,消除和减小蒸汽振荡非常重要,这要依赖于对阀门开度变化和对由泄漏所产生的激振力做系统的研究。通过合理的设计阀门开闭行程,可以减小蒸汽振荡的几率。

    5.4 泄漏(内漏和外漏)

   (1)泄漏不仅是产生振动的原因,而且外漏还会造成污染,内漏还会造成能量损失。解决泄漏问题,在一定程度上可以避免系统发生振动,同时也可延长设备的寿命,提高效率。

   (2)超临界机组的高压阀门寿命有时很短,启动几次就要更换填料。研究新的密封填料或设计新的有效密封形式,对于延长这类高压阀门的寿命,提高运行可靠性是必须的。

  目前,阀门的成套水平不断提高,只有很好地解决以上几个问题,才能保证阀门的综合性能和较好的整体质量。

    

▲6、对策探讨

    国内外技术工作者为解决以上的难题开展了大量的研究工作,提出了面向操作和维修的指导思想。从根本上说其目的在于:节约能源、简化维修、安全操作、提高阀门工作的可靠性。

    6.1 开展控制、振动、强度等问题的相关性研究

    从上面提到的问题不难看出阀门的控制、振动及强度具有较强的相关性,由于这些因素的共同作用,决定了发电厂阀门面临问题的复杂性。因此,在开展强度、振动、泄漏等问题单向研究的同时,开展各问题之间的相关性研究课题具有特殊的意义,有利于了解产生问题的本质和机理。全面的研究应包括多工况共同作用下的静力、耐磨、抗震防火、全天候、热态、动态、稳定性等分析。 

    6.2 对重要阀门进行状态监测

  在线监测技术被广泛地应用于工业生产的各个行业,但对阀门实行状态监测还处于较低的水平,在线监测不仅可以获得阀门工作的实时数据而且也是减少维修费用和改善操作性能的最佳手段,同时适应了阀门业发展的需要,以实现与国外先进技术的接轨。国外越来越多的阀门制造厂把他们的注意力放在控制系统的改进和实时的故障诊断上,并且获得了巨大的经济效益。美国田纳西州的一个发电厂应用智能型阀门,每年减少了60%的维修工作量及10万美元的维修费用;底特律的爱迪逊公司开发了一套阀门监测系统,估计每年可以为发电厂减少15%~20%的维修费用。  


在国内,状态监测的研究更少,主要困难在于:

   (1)监测需要的关键信号无法直接求得,或取得的信号不能反映真实情况,例如阀门内压力信号的获得,通常可以取得进口压力和出口压力,但在阀门内部由于节流特性的影响,压力分布非常复杂,很难得到其真实的分布规律;

   (2)涉及的技术面广,其中包括声学、数控技术、通讯技术等,完全解决问题需要多学科的联合工作;

   (3)未引起足够的重视。

    

▲7、未来

    综上所述,现在使用的阀门是一类涉及机械、电子、控制、振动及材料科学等多个学科的机电产品,在使用过程中还面临不少的难题,解决面临的难题具有一定的难度。

  展望未来,通过科学工作者的不断努力,随着新技术特别是数字技术和控制技术的发展,以及多学科联合攻关的协作研究,人们将找到更多的办法以解决发电厂阀门面临的难题,提高系统工作的可靠性及运行效率,增加企业的生存力。


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