白蓮河抽水蓄能電站球閥密封損壞原因分析與處理

楊聚偉，徐國(guó)華，張成華，李 想

（1.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 羅田 438600；2.浙江桐柏抽水蓄能有限公司，浙江 天臺(tái) 317200）

1 工程概況

白蓮河抽水蓄能電站4臺(tái)主進(jìn)水球閥 （以下簡(jiǎn)稱 “球閥”）由法國(guó)ALSTOM供貨 （韓國(guó)堵山生產(chǎn)），并對(duì)安裝、調(diào)試質(zhì)量負(fù)責(zé)。安裝由葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)公司完成。球閥過流直徑3 500 mm，是目前世界上最大的球閥。

由于抽水蓄能電站的特殊性，要求球閥既要有良好的密封效果，又要開關(guān)穩(wěn)定、可靠、迅速。球閥采購(gòu)合同中對(duì)密封性能做了明確規(guī)定：工作密封在最大靜水壓力作用下的最大漏水量，包括旁通閥的漏水量初期應(yīng)為零，保證期內(nèi)不應(yīng)大于0.4L/min，檢修密封不允許漏水；對(duì)操作次數(shù)的規(guī)定是：每天動(dòng)作次數(shù)不少于15次。電站球閥及密封技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 電站球閥及密封技術(shù)參數(shù)

2 電站球閥的主要技術(shù)問題

2.1 密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

球閥設(shè)有上、下游兩道密封，結(jié)構(gòu)基本相同。密封由嵌入閥體側(cè)空腔內(nèi)的活動(dòng)密封環(huán)與相鄰閥芯上的固定密封環(huán)組成，均采用不銹鋼鍛件，兩者相互配合形成鋼體線性密封?；顒?dòng)密封環(huán)是與鞋型類似的活塞式密封，相對(duì)于T形密封和L形密封其斷面尺寸小，剛性差，受壓變形大，但是可以較大的補(bǔ)償活門的擾度變形。活動(dòng)密封環(huán)上的非金屬密封采用槽用O形密封，固定密封環(huán)用螺栓固定，防松方式采用焊接螺栓擋板方式。

2.2 密封動(dòng)作原理

球閥密封活動(dòng)環(huán)尾部面積大于頭部，正常運(yùn)行時(shí)活動(dòng)環(huán)在兩端水壓差作用下在嵌入閥體的鋁青銅導(dǎo)環(huán)上滑動(dòng)，接觸或分離固定密封環(huán)，實(shí)現(xiàn)密封正常投退。在密封調(diào)試時(shí)通過加壓泵加壓活動(dòng)環(huán)尾部投入腔和中部退出腔來手動(dòng)控制密封投退。

球閥上游側(cè)密封為檢修密封，并設(shè)有16個(gè)機(jī)械鎖錠，在下游密封檢修或上游流道未排水而進(jìn)入蝸殼工作時(shí)手動(dòng)投入。下游密封為工作密封，隨球閥開閉自動(dòng)投退。上游密封設(shè)計(jì)行程6.25 mm，下游密封設(shè)計(jì)行程9 mm，在活動(dòng)環(huán)尾部軸向均勻設(shè)置3個(gè)位置傳感器，在密封投入腔各設(shè)一個(gè)壓力開關(guān)，共同反應(yīng)密封位置。當(dāng)前設(shè)置為檢測(cè)到壓力達(dá)到信號(hào)即認(rèn)為密封投入；同時(shí)檢測(cè)到4個(gè)位置傳感器和壓力消失認(rèn)為密封退出。較為苛刻的密封退出判據(jù)有利于防止密封未退出時(shí)球閥開啟造成密封部件損壞。

2.3 制造的技術(shù)難點(diǎn)

大型球閥本體的裝配均在制造廠進(jìn)行，密封的加工尺寸不易控制。裝配的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于合理調(diào)整閥體、鋁青銅導(dǎo)環(huán)、活動(dòng)環(huán)三者之間的間隙，若間隙過小，考慮到導(dǎo)環(huán)、活動(dòng)密封環(huán)等部件的變形情況，加壓后活動(dòng)環(huán)在摩擦力的作用下行程難以達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，若間隙過大則密封效果不易保證。

2.4 安裝的質(zhì)量控制重點(diǎn)

球閥上游湊合節(jié)鋼管焊接后，球閥上游法蘭與水流中心線的垂直度難以控制，需要在上游湊合節(jié)法蘭與球閥上游法蘭面之間設(shè)置一個(gè)工地配裝的中間法蘭。這個(gè)法蘭有一定的斜度，要能糾正球閥和上游湊合節(jié)的位置偏差。但是精確測(cè)量其尺寸和實(shí)際加工都有一定難度，安裝質(zhì)量不易保證。

3 1號(hào)球閥上游密封受損處理經(jīng)過及原因分析

3.1 事件經(jīng)過

2010年3月26日，電站1號(hào)引水流道 （1、2號(hào)機(jī)組共用）首次充水后由于流道漏水偏大排空檢查。ALSTOM調(diào)試工程師應(yīng)要求退出1號(hào)球閥上下游密封并打開球閥后，發(fā)現(xiàn)上游密封活動(dòng)環(huán)和固定環(huán)密封面已嚴(yán)重刮傷。隨后再次操作檢查發(fā)現(xiàn)，球閥上游密封活動(dòng)環(huán)投退行程非常小，局部為零。

問題發(fā)現(xiàn)后,考慮密封實(shí)際劃傷情況，認(rèn)為其已經(jīng)喪失動(dòng)作能力，不具備密封功能，決定將上游密封整體更換。由于更換上游密封需要查拆除球閥本體，解體上游密封，難度較大，綜合2號(hào)機(jī)組有水調(diào)試進(jìn)度壓力，決定先用試驗(yàn)悶頭封堵上游引水，再次充水開始2號(hào)機(jī)組有水調(diào)試。安裝單位在廠家技術(shù)人員指導(dǎo)下更換了1號(hào)球閥上游密封活動(dòng)環(huán)和固定環(huán)，在2號(hào)機(jī)組30天試運(yùn)行前例行排水檢查時(shí)再次安裝，經(jīng)檢查其動(dòng)作及密封情況良好，滿足運(yùn)行需要。

3.2 事件原因分析

根據(jù)ALSTOM調(diào)試工程師事件匯報(bào)及電站調(diào)試配合人員跟蹤記錄，結(jié)合上游密封解體分析，確定事件發(fā)生的主要原因有：

（1）在上游密封退出后首次開啟球閥前沒有確認(rèn)上游密封實(shí)際位置即開啟球閥，這是導(dǎo)致球閥上游密封磨損的直接原因。盡管1號(hào)球閥及上游密封已經(jīng)在無水狀況下動(dòng)作多次，由于上游密封位置傳感器未裝，上游密封的投退僅靠作用于退出腔的加壓泵壓力來判斷，有很大的不可靠性。而在首臺(tái)球閥調(diào)試時(shí)ALSTOM調(diào)試工程師曾要求拆除DN300的球閥旁通管，派人實(shí)際檢查上游密封位置，并用高壓水槍沖洗密封環(huán)及附近管道。但因ALSTOM調(diào)試工程師的更換，這種清掃及檢查密封實(shí)際位置的方法沒有執(zhí)行，在沒有確定上游密封已可靠退出的情況下開啟球閥，導(dǎo)致了密封損壞。

（2）活動(dòng)環(huán)與其導(dǎo)環(huán)之間污物的粘滯作用限制了活動(dòng)環(huán)的自由投退，這是密封受損的根本原因。活動(dòng)環(huán)與其導(dǎo)環(huán)之間有3個(gè)密封圈，1個(gè)密封退出腔，內(nèi)部涂有潤(rùn)滑脂。由于1號(hào)球閥從出廠到調(diào)試有較長(zhǎng)的時(shí)間，密封解體后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部油脂明顯固化；同時(shí)活動(dòng)環(huán)外緣和導(dǎo)環(huán)接縫之間，尤其是下部位置有粘性雜物，這些污物的堵、拉作用同時(shí)存在限制了活動(dòng)環(huán)移動(dòng)。

（3）活動(dòng)環(huán)中部退出腔退出壓力作用面設(shè)計(jì)過小，在調(diào)試過程中難以提供足夠的壓力退出活動(dòng)環(huán)，這是事故的一個(gè)潛在原因?；顒?dòng)環(huán)的投入側(cè)面積是退出側(cè)面積與手動(dòng)退出腔面積之和，三者的面積比例約為6.5∶5.5∶1，手動(dòng)退出腔面積過小就增大了正常運(yùn)行時(shí)的退出側(cè)面積，在球閥正常運(yùn)行時(shí)雖然有足夠的壓力保證其退出，可靠性較高，但是調(diào)試提供的退出側(cè)壓力就偏小，稍有卡澀即不能保證密封退出。

4 2號(hào)球閥下游密封受損處理經(jīng)過及原因分析

4.1 事件經(jīng)過

2010年5月5日，2號(hào)球閥在無水調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)下游密封不能完全退出，操作下游密封并檢查球閥下游鋼管內(nèi)部，在退出腔壓力達(dá)到額定壓力時(shí)密封上部1/3圈間隙約4 mm，在兩倍壓力時(shí)間隙約7 mm，完全泄壓之后仍有1 mm間隙，而下部2/3圈基本上沒有間隙。將壓力水改為壓力油注入密封投退腔潤(rùn)滑，第二天重新操作，密封亦不能退出，經(jīng)檢查活動(dòng)環(huán)密封面有約500 mm長(zhǎng)較嚴(yán)重劃傷，最深處約3 mm，其他部位有較輕微的劃痕，固定環(huán)完好。退出上游密封檢查下游密封的止水效果，發(fā)現(xiàn)劃傷部位漏水嚴(yán)重。經(jīng)討論決定立即更換活動(dòng)環(huán)，全部完成后操作檢查其運(yùn)行正常。

4.2 事件原因分析

本次事件較1號(hào)球閥上游密封受損十分相似，解體后油脂固化及粘滯情況也相似，原因也基本類似。不同之處在于：①受損程度不同。1號(hào)球閥上游密封活動(dòng)環(huán)和固定化均有嚴(yán)重磨損，磨損基本遍布整圈，2號(hào)球閥下游密封只有活動(dòng)環(huán)輕微劃傷。原因在于活動(dòng)環(huán)投退時(shí)受到摩擦力不同。②結(jié)構(gòu)不同。球閥上游密封法蘭配裝假接縫法蘭之后由連接螺栓固定，活動(dòng)環(huán)可能變形的原因有制造和安裝兩方面的因素；而下游密封是與下游套管直接連接，下游留有橡膠密封的伸縮節(jié)，活動(dòng)環(huán)可能變形的原因只有制造原因。

5 球閥密封運(yùn)行安全性評(píng)價(jià)及防范措施

電站3、4號(hào)球閥自安裝調(diào)試以來沒有出現(xiàn)過較大事故，經(jīng)受了單機(jī)及雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)的考驗(yàn)，投產(chǎn)近兩年來運(yùn)行穩(wěn)定。1、2號(hào)球閥雖然出現(xiàn)上、下游密封受損事件，但是經(jīng)處理后運(yùn)行正常，同樣經(jīng)過單機(jī)及雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)，尤其是2號(hào)球閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)的成功，經(jīng)受了最為惡劣工況的考驗(yàn)。這表明電站球閥及其密封的選型、設(shè)計(jì)、制造、安裝及調(diào)試總體上是成功的。

但是，兩次相似的密封受損事件對(duì)工程本身造成了一定的影響，并且同期的張河灣、蒲石河抽水蓄能電站球閥密封也在調(diào)試階段出現(xiàn)類似受損事件，說明大型球閥密封部件相關(guān)技術(shù)還有待于進(jìn)一步完善，尤其是在調(diào)試階段如何避免密封受損已成為一個(gè)急待解決的課題。結(jié)合上面分析，為盡量避免球閥密封受損，在投產(chǎn)前后建議采取以下防范措施：

（1）結(jié)合密封受損事件原因分析，優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增大密封手動(dòng)退出側(cè)受力面積，不僅要考慮正常運(yùn)行的需要，同時(shí)還要兼顧在調(diào)試時(shí)期用外接操作水源操作時(shí)同樣有足夠的壓力使密封投退。

（2）確保密封制造的精度，改進(jìn)制造及裝配工藝，控制活動(dòng)密封及導(dǎo)環(huán)變形，并加強(qiáng)過程驗(yàn)收。

（3）安裝過程中要嚴(yán)格控制安裝位置，尤其重視球閥上游假接縫法蘭的測(cè)量、加工精度。

（4）調(diào)試過程中應(yīng)注意：①在安裝前清理并潤(rùn)滑球閥密封活動(dòng)部位，盡量清理干凈上游引水流道，避免污物附著在活動(dòng)環(huán)上引起卡阻；②盡量在安裝前臨時(shí)操作密封投退，確保其動(dòng)作可靠后再進(jìn)行安裝；③在調(diào)試初期，實(shí)際動(dòng)作球閥時(shí)，要確認(rèn)密封實(shí)際位置，尤其是從出廠到首次動(dòng)作有較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用鉛油等做好潤(rùn)滑、滲透處理；④盡早正確安裝密封投退位置傳感器及密封腔壓力開關(guān)，作為輔助檢測(cè)手段。

（5）在投運(yùn)后應(yīng)注意上游密封鎖定螺栓在上游壓力鋼管排水、閥芯充水時(shí)不能投入，水壓差變化可能使密封或鎖錠受力過大而損壞。

6 結(jié) 語

球閥作為水電站的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)機(jī)組的事故保護(hù)及機(jī)組檢修安全有著重要的作用，適應(yīng)了抽水蓄能機(jī)組高水頭、大容量的發(fā)展趨勢(shì)以及其開關(guān)頻繁的要求，有很好的運(yùn)行性能。

白蓮河抽水蓄能電站球閥作為目前世界上最大的球閥，從設(shè)計(jì)、制造到安裝調(diào)試，從受損密封分析處理到安全穩(wěn)定運(yùn)行，標(biāo)志著大型球閥關(guān)鍵技術(shù)上了一個(gè)新臺(tái)階，為今后大型球閥安全穩(wěn)定運(yùn)行積累了經(jīng)驗(yàn)。

［1］ 尹襄，周小南，夏曉坤，等.大型球閥制造技術(shù)研究及應(yīng)用.東方電機(jī)， 2009（2）:19-29.

［2］ 林洪德，張利民，杜江.黑糜峰蓄能機(jī)組φ2.8 m球形閥的設(shè)計(jì).東方電機(jī)，2009（4）:23-31.