103-JT合成气压缩机组高压透平调速阀故障分析
某大型合成氨装置新购置一台高压蒸汽透平，用于驱动合成气压缩机。在压缩机组重新启动开车时，调速阀先后3次出现故障，严重影响了整个合成氨装置的正常运行，造成重大经济损失。通过对蒸汽透平调速阀故障现象的分析、探讨，找出高压蒸汽透平调速阀故障的原因，提出了消除高压蒸汽透平调速阀故障的整改措施，为今后诊断和消除类似故障是一个有益的启迪。
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。
