蝴蝶閥漏水問題的處理和分析

沈春峰

(中國華電工程(集團(tuán))有限公司,北京 100035)

0 引言

大港水電站位于福建省寧德市,是七都溪流域的第 5級(jí)電站,為引水式地面廠房,廠址位于攔河壩下游 4 km處,引水隧洞長度為 986m,壓力鋼管長度(至#2蝴蝶閥前端位置)為 121m。水電站設(shè)計(jì)水頭 81m,最高水頭 87.5m,最低水頭 76m。電站裝機(jī)容量 2×7MW,1998年11月正式投入商業(yè)運(yùn)行。

水輪機(jī)進(jìn)水主閥為雙平板式臥軸蝴蝶閥,型號(hào)是 PDF100-WY-150,主要參數(shù)為:直徑,1 500 mm;設(shè)計(jì)最高靜水頭,100m;升壓水頭,143m;通水流量,10.07m3/s;正常操作油壓,2.5MPa;最低操作油壓,1.48MPa;搖擺式接力器直徑,350mm;關(guān)閉時(shí)間 ,小于 2min。

1 問題的提出

2003年8月1日,由于水庫水位較低,#2機(jī)組長時(shí)間不開機(jī),為減少水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)導(dǎo)葉的漏水量,18:05,值班人員去現(xiàn)地手動(dòng)關(guān)閉#2機(jī)組蝴蝶閥。在關(guān)閉過程中,發(fā)現(xiàn)蝴蝶閥按正常關(guān)閉流程動(dòng)作結(jié)束后,在尾水管進(jìn)入門處和水機(jī)室內(nèi)仍可聽到較大而清晰的水流聲,這說明該主閥沒有完全關(guān)閉而出現(xiàn)了漏水現(xiàn)象。經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn),接力器的鎖定裝置沒有正常投入到位,鎖定裝置的閥軸與鎖定塊內(nèi)孔中心之間還有近20mm的錯(cuò)位。此后經(jīng)多次遠(yuǎn)方自動(dòng)和現(xiàn)地手動(dòng)關(guān)閉試驗(yàn),均發(fā)現(xiàn)存在這種問題。

由于該電站為引水式電站,且為有壓引水,壓力引水系統(tǒng)較長,卻又未裝設(shè)事故快速閘門,而是把水輪機(jī)蝸殼前端的蝴蝶閥作為事故閘門,所以,蝴蝶閥在電站機(jī)組的日常運(yùn)行中具有重要作用,要求其在機(jī)組緊急停機(jī)時(shí)必須能及時(shí)關(guān)閉。但若蝴蝶閥在關(guān)閉時(shí)發(fā)生較大的漏水,就失去了應(yīng)有的作用,會(huì)導(dǎo)致事故時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速降不下來,延長停機(jī)時(shí)間,可能使事故擴(kuò)大化,故其故障已對(duì)電站設(shè)備的安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2 處理過程和原因分析

由于該電站蝴蝶閥前端沒有裝設(shè)事故快速閘門,在鋼管充滿水時(shí)蝴蝶閥后端漏水量很大,無法對(duì)其進(jìn)行排空后進(jìn)入內(nèi)部檢查,因此,該問題的檢查和處理經(jīng)歷了一個(gè)比較漫長和復(fù)雜的過程,經(jīng)過多次處理才找到真正原因。

2.1 第 1次處理

發(fā)現(xiàn)問題后,剛開始測量對(duì)比發(fā)現(xiàn)接力器活塞桿未全關(guān)到位,查閱相關(guān)圖紙后,懷疑是活塞在缸體內(nèi)運(yùn)行時(shí)有卡阻,或有可能是活塞桿與活塞連接處的固定螺母松動(dòng)所致。由于固定螺母在閥體內(nèi)無法看到,于是決定先用 5 t的千斤頂頂在活塞桿套頭與搖臂連接處,試著加力幫助蝶閥活門的關(guān)閉,但完全沒有效果,排除了卡阻的可能性。

進(jìn)一步全開、全關(guān)蝴蝶閥測量接力器活塞桿行程變化,發(fā)現(xiàn)恰為設(shè)計(jì)行程 601mm,這說明固定螺母也未發(fā)生松動(dòng)。

綜合分析后,初步判斷有以下幾種可能性:

(1)閥體內(nèi)雙平板活門周圍的實(shí)心橡膠密封圈(中硬夾布橡膠)在全開時(shí)被水中雜質(zhì)(如泥沙、石塊等)沖刷,加之水流在活門處產(chǎn)生紊流的長期作用,使之磨損嚴(yán)重;

(2)活門與閥體內(nèi)壁相接處有異物(如水中的漂浮物)卡滯;

(3)連接活門與閥體的長短閥軸上的固定錐銷脫落,活門跑位或活門周圍的密封壓板螺釘松脫等。

針對(duì)這些猜測,當(dāng)時(shí)計(jì)劃從蝶閥下游側(cè)的進(jìn)入門進(jìn)到內(nèi)部進(jìn)行檢查,于是檢修人員打開蝸殼排水閥來放空里面的存水,放水經(jīng)歷了約 10h,排水閥的出水量仍不見變小,檢修人員試著打開蝸殼進(jìn)入門上的幾顆螺栓后即有水噴出。由于漏水量較大,無法進(jìn)行進(jìn)一步檢查,只好放棄。

2.2 第 2次處理

2004年7月29日,為了徹底查明原因以消除安全隱患,借著對(duì)引水系統(tǒng)進(jìn)行檢查的機(jī)會(huì)(按照相關(guān)規(guī)程和文件的要求,引水系統(tǒng)的引水隧洞和壓力鋼管到了檢測的年限),在關(guān)閉引水隧洞進(jìn)水口工作閘門、排空引水隧洞和壓力鋼管內(nèi)的存水后,打開了蝸殼進(jìn)入門進(jìn)入蝴蝶閥內(nèi)部進(jìn)行檢查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)活門及其周圍的橡膠密封圈基本完好,活門與閥體內(nèi)壁相接處無異物,連接活門與閥體的長短閥軸上的固定錐銷固定良好,從而排除了第 1次處理時(shí)的懷疑因素。

對(duì)其進(jìn)行開關(guān)試驗(yàn),在無水情況下開關(guān)均能到位,未發(fā)現(xiàn)任何間隙,鎖定也能正常投入,全關(guān)后充水也無漏水現(xiàn)象。但在引水系統(tǒng)充水結(jié)束且水壓平衡后,在有壓情況下蝴蝶閥竟無法開啟,用千斤頂?shù)容o助工具也沒用,只好再次對(duì)引水系統(tǒng)進(jìn)行排空操作,然后在開啟#2蝴蝶閥狀態(tài)下(#2機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)葉已全關(guān))對(duì)引水系統(tǒng)進(jìn)行充水,但漏水原因最終沒能查清楚。

2.3 第 3次處理

2005年1月3日,對(duì)#2機(jī)組擴(kuò)大性檢修時(shí),在引水系統(tǒng)排空后,檢修人員對(duì)活門進(jìn)行了認(rèn)真、詳細(xì)的檢查和處理。為了在特殊情況下不對(duì)#1機(jī)組的正常發(fā)電造成影響,特意定制了 1個(gè)和蝶閥配套的封堵頭備用。

2.3.1 檢查結(jié)果

(1)雙平板活門上的橡膠密封圈表面已磨損掉一層,表面粗糙不堪,呈顆粒狀,有的地方已開裂,并出現(xiàn)細(xì)小的缺口。

(2)在對(duì)活門與閥體接觸的斜內(nèi)壁部分用磨光機(jī)打磨,將臟物、銹跡打磨干凈后,與#1蝴蝶閥進(jìn)行開關(guān)比較,關(guān)閉前在 2臺(tái)蝶閥閥體的斜內(nèi)壁理想關(guān)閉位置處做相應(yīng)的記號(hào)。比較發(fā)現(xiàn),#1蝴蝶閥全關(guān)后活門頂部與理想的垂直位置向上游側(cè)有20mm左右的傾斜,而#2蝴蝶閥全關(guān)后活門頂部向下游側(cè)有5mm左右的傾斜。由此可知,由于接力器底板安裝高程偏低,導(dǎo)致#2蝴蝶閥關(guān)過頭了。

2.3.2 處理過程

根據(jù)偏移情況,經(jīng)測算,決定在接力器底板下兩側(cè)各墊 6mm厚的紫銅墊片。墊好后在無壓(水)情況下進(jìn)行開關(guān)試驗(yàn):油壓為 2.35MPa時(shí)全關(guān)后余11mm;油壓為 1.5MPa時(shí)余 13mm,后緩慢關(guān)至11mm;當(dāng)活門在油壓為 1.5MPa以上時(shí)全關(guān)過程中動(dòng)作靈活平穩(wěn),無卡阻。全關(guān)后用塞尺檢查,活門與閥體內(nèi)壁接觸部分基本無間隙,用 0.05mm的塞尺已塞不進(jìn)去了。這說明該處理結(jié)果已基本達(dá)到相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的要求,只是由于較長時(shí)間未充水,關(guān)閉時(shí)橡膠密封圈與閥體內(nèi)壁摩擦發(fā)出較大的“吱吱”聲響。

引水系統(tǒng)充水完成后,在全關(guān)狀態(tài)下壓力鋼管內(nèi)的水壓上升至 0.6MPa時(shí),靠活門長軸一側(cè)內(nèi)壁有小股水流出。24h后檢查,漏水情況明顯減少,僅有“滋滋”的水聲和微量水滲出。經(jīng)測量,漏水量已遠(yuǎn)小于設(shè)備廠家的要求(2.46 L/min),更遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相關(guān)國標(biāo)的規(guī)定。另經(jīng)測量,活門頂部距理想狀態(tài)位置余 10mm。

3 分析及處理

該電站蝴蝶閥漏水的處理過程再次說明了控制安裝質(zhì)量的重要性。在安裝過程中,安裝技術(shù)人員的責(zé)任心、意識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及工程監(jiān)理人員的責(zé)任心、知識(shí)、質(zhì)量控制要點(diǎn)和土建基礎(chǔ)件預(yù)埋時(shí)高程偏差控制等都不容輕視。

3.1 發(fā)展過程

(1)蝴蝶閥剛開始投入運(yùn)行時(shí),由于橡膠密封圈是新的,外觀完好、彈性也好,即使關(guān)過了也能保證不漏水。同時(shí),由于閥體內(nèi)壁清潔、光滑,摩擦阻力很小,水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量也小,全關(guān)過一些也能正常開啟,其活門的實(shí)際動(dòng)作情況就被忽視了。

運(yùn)行多年以后,閥體內(nèi)壁出現(xiàn)不同程度的銹蝕、積垢,內(nèi)徑相應(yīng)變小,摩擦阻力增大,水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量也增大,關(guān)閉時(shí)間相應(yīng)延長。此后,活門在關(guān)閉過程中的動(dòng)作有了一定的遲滯,尤其是在即將全關(guān)阻力最大的時(shí)候,但自動(dòng)控制回路中相關(guān)繼電器的動(dòng)作并沒有設(shè)定一定的延時(shí),結(jié)果在指示蝴蝶閥全關(guān)狀態(tài)的繼電器剛一動(dòng)作,活門實(shí)際上還沒有完全關(guān)到位時(shí),投入鎖定的繼電器就緊跟著馬上動(dòng)作了。

(2)由于反映蝴蝶閥活門位置的限位開關(guān)的行程開關(guān)支架是用較小的扁鐵做的,強(qiáng)度不夠,當(dāng)反映活門全開全關(guān)位置的行程開關(guān)碰到隨搖臂一起運(yùn)動(dòng)的撥桿時(shí),被撥桿抵住而動(dòng)作,由于撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)的力很大,長此以往,行程開關(guān)支架容易發(fā)生移位,隔一段時(shí)間就需要調(diào)整其位置。

(3)在蝶閥的開關(guān)過程中,由于經(jīng)常性地?cái)D壓、摩擦,加上全開時(shí)水流中雜物的沖刷,長此以往,活門的止水橡膠圍帶不可避免地受到損傷,發(fā)生老化、磨損、開裂,盡管它在實(shí)際工作中所承受的最高靜水頭為 88.5m,小于設(shè)計(jì)的最高靜水頭,但也逐漸出現(xiàn)滲水并一步步發(fā)展為漏水。尤其是在汛期行洪期間,水中夾雜有大量的石塊、粗砂等異物,與在閥體中央的活門周圍的橡膠密封圈發(fā)生碰撞,更加大了擦傷的可能性。

(4)在蝴蝶閥的安裝過程中,接力器鎖定位置的確定是在活門的全開全關(guān)位置確定之后才定位的,既然剛開始在活門關(guān)閉狀態(tài)下,接力器鎖定可以正常投入,說明該問題并不是一開始就有的,而是有一個(gè)漸進(jìn)的過程。據(jù)了解,在機(jī)組每年的常規(guī)小修時(shí),運(yùn)行人員多采用手動(dòng)關(guān)閉蝴蝶閥的方式,期間也曾發(fā)生過全關(guān)或全開后鎖定裝置未完全投入的現(xiàn)象,但都是差一點(diǎn)兒。在處理時(shí),檢修人員大都是采用在鎖定塊兩側(cè)螺栓孔處增加數(shù)量不等的彈簧墊圈的辦法改變鎖錠閥軸的運(yùn)動(dòng)方向,使鎖定桿能順暢地插入鎖定塊,沒有去細(xì)想出現(xiàn)這種現(xiàn)象的深刻原因。

3.2 安裝中可能存在的問題

由于接力器活塞桿行程一定,搖臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度(90°)一定,活門的運(yùn)動(dòng)行程也一定(也是旋轉(zhuǎn)90°),若活門全關(guān)過頭,那么在全開狀態(tài)下就必然沒有真正到水平位置,這樣就與水流方向有一定的夾角,必然會(huì)增大水流阻力,進(jìn)一步增加了水力損失。可見,安裝時(shí)如何保證活門全開、全關(guān)位置的準(zhǔn)確性是關(guān)鍵。在實(shí)際工作中往往存在以下可能性:

(1)安裝人員在進(jìn)行設(shè)備安裝時(shí),活門在全開情況下是否恰好在水平位置要借助于相關(guān)儀器(如方型水平儀等)進(jìn)行判斷,肉眼觀察易出現(xiàn)誤差。對(duì)于中小機(jī)組,由于壓力鋼管體積小,閥體內(nèi)空間狹小,工作人員轉(zhuǎn)身困難,在其內(nèi)工作需要彎腰和爬行,極其不方便,且最多能容納 3人,再加上照明亮度不夠,往往影響安裝精度。

(2)根據(jù) SDJ 249.3—1988《水利水電基本建設(shè)工程單元工程質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(試行)的規(guī)定,在蝴蝶閥安裝的單元工程中,對(duì)閥體中心、閥體水平度及垂直度、活門關(guān)閉時(shí)間隙、接力器水平度及垂直度和動(dòng)作試驗(yàn)(無水)的要求較高,均為影響單元工程整體質(zhì)量的主要檢查項(xiàng)目(即主控項(xiàng)目)。其中對(duì)盤形閥密封面間隙的要求是:合格為不超過 0.05mm,優(yōu)良為不超過 0.02mm。對(duì)動(dòng)作試驗(yàn)(無水)的要求是:動(dòng)作平穩(wěn),活門在全開位置的開度偏差不得超過±1°。但在實(shí)際的安裝工作中,由于 0.02mm的塞尺偏軟,易發(fā)生卷曲,使用不方便,故安裝或檢修人員進(jìn)行測量工作時(shí)多用 0.05mm的塞尺代替,靠個(gè)人的手感及遇到的阻力大小來判斷,有意無意地降低了安裝的精度。

3.3 安裝和檢修建議

由于蝴蝶閥本身就存在全關(guān)狀態(tài)時(shí)易漏水的缺陷,減少其漏水量成了考核安裝質(zhì)量高低的重要指標(biāo)之一。

(1)安裝時(shí),除了在全開時(shí)用方形水平儀進(jìn)行校準(zhǔn)外,在全關(guān)情況下,可通過在閥體斜內(nèi)壁上最理想關(guān)閉位置(斜內(nèi)壁與直內(nèi)壁交接線處)上、下各畫線作記號(hào),然后用一精度較高(如精確到 0.5mm等)的鋼板尺測量確定活門的垂直度是否在允許范圍之內(nèi),并根據(jù)活門實(shí)際關(guān)閉位置距記號(hào)線的距離來確定接力器底板的高度。該法比較方便、精確且易于分析判斷。當(dāng)然,2種方法相互配合,可進(jìn)一步提高安裝質(zhì)量。

(2)活門開度偏差按要求不應(yīng)超過 ±1°,但為負(fù)偏差時(shí),即蝴蝶閥關(guān)過后,會(huì)導(dǎo)致開啟時(shí)摩擦力和阻力過大,如果再加上活動(dòng)導(dǎo)葉漏水量大,上下游壓力不平衡等因素,在扭矩不夠大時(shí),就可能導(dǎo)致蝴蝶閥活門無法開啟。對(duì)該電站來說,#2蝴蝶閥全關(guān)后活門頂部向下游側(cè)僅有 5mm左右的傾斜,盡管遠(yuǎn)小于安裝和驗(yàn)收規(guī)范的要求(針對(duì)該電站經(jīng)換算后小于 13mm即可),但一段時(shí)間后也不能正常開啟了,因此,盡量以正偏差為好。

(3)對(duì)#1蝴蝶閥來說,活門頂部向上游側(cè)有 20 mm左右的傾斜,已大于安裝和驗(yàn)收規(guī)范的要求了,建議有機(jī)會(huì)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以延長橡膠圍帶等的使用壽命。

3.4 防范措施

為了保證蝴蝶閥能有好的工作狀態(tài),除了嚴(yán)控安裝質(zhì)量外,在日常運(yùn)行中還應(yīng)做好以下幾個(gè)方面的工作:

(1)限位開關(guān)的動(dòng)作機(jī)構(gòu)采用牢靠的固定支架,行程開關(guān)采用防水、抗振、測量穩(wěn)定、動(dòng)作可靠性高的產(chǎn)品;

(2)經(jīng)常性地檢查各密封部分滲漏情況,發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理;

(3)定期對(duì)蝴蝶閥閥體內(nèi)壁、活門及其密封壓板等進(jìn)行除垢、除銹,并噴涂新型耐磨、防銹結(jié)垢材料等維護(hù)工作;

(4)定期進(jìn)行開關(guān)檢測,以防銹蝕卡緊而在緊急停機(jī)時(shí)操作失靈;及時(shí)更換橡膠密封圈,對(duì)閥體兩端軸承定期加注黃油等;

(5)定期檢查并調(diào)整導(dǎo)水機(jī)構(gòu)活動(dòng)導(dǎo)葉相關(guān)間隙,盡量減少漏水量,使蝴蝶閥前后壓力更接近于平衡。

4 結(jié)束語

經(jīng)過 3年多的運(yùn)行,#2蝴蝶閥再未出現(xiàn)明顯的漏水情況,說明該處理方法是正確的。為了處理該缺陷,對(duì)引水系統(tǒng)進(jìn)行了 3次充放水,浪費(fèi)了大量的時(shí)間、人力和物力,僅放空引水系統(tǒng)棄掉的水量就少發(fā)電約 5686 kW·h。鑒于蝴蝶閥活門上的密封圈老化、磨損嚴(yán)重,部分地方已開裂,且已接近自然壽命,安全性已大為降低,建議擇機(jī)更換,并盡量選用優(yōu)質(zhì)的高彈性、耐久性的橡膠密封圈,提高止水的效果和使用壽命。同時(shí),建議通過進(jìn)一步完善蝴蝶閥開關(guān)自動(dòng)控制回路,更換行程開關(guān)及固定支架等,提高蝴蝶閥工作的可靠性。