仙居電站球閥移動密封環(huán)剛強(qiáng)度分析與改進(jìn)

姜鐵良， 劉晶石

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

仙居電站球閥移動密封環(huán)剛強(qiáng)度分析與改進(jìn)

姜鐵良， 劉晶石

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

針對仙居電站水電機(jī)組球閥關(guān)閉后出現(xiàn)的漏水問題，利用ANSYS有限元軟件建立了球閥內(nèi)的移動密封環(huán)及其相關(guān)部件的整體受力分析模型，分析了球閥漏水的根本原因，提出了將移動密封環(huán)與活門密封座之間的接觸方式由原來的線線接觸改成線面接觸的改進(jìn)方案。分析結(jié)果表明，仙居電站水電機(jī)組球閥漏水原因是移動密封環(huán)與活門密封座之間的接觸方式設(shè)計不合理，采用線面接觸的方式來增加接觸寬度，能夠很好地解決球閥關(guān)閉后機(jī)組的漏水問題。

球閥；移動密封環(huán)；ANSYS；接觸；漏水

在水電站中，球閥作為水輪機(jī)組的關(guān)鍵設(shè)備,對機(jī)組的事故保護(hù)及機(jī)組檢修安全有著重要作用[1,2]。仙居電站2號機(jī)組在運行中發(fā)現(xiàn)球閥關(guān)閉、移動密封環(huán)投入使用后出現(xiàn)了漏水現(xiàn)象。國內(nèi)外專家和學(xué)者對球閥和密封環(huán)漏水問題的研究都集中在加工和安裝調(diào)試方面，并沒有對球閥和密封環(huán)的設(shè)計理念以及運行過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行深入的研究[3-5]。為了查找仙居電站2號機(jī)組球閥漏水的真實原因，本文以仙居電站2號機(jī)球閥為例，利用ANSYS有限元軟件建立了球閥內(nèi)的移動密封環(huán)及其相關(guān)部件的整體受力分析模型，旨在準(zhǔn)確找出造成球閥漏水根本原因，避免今后同類水輪機(jī)組出現(xiàn)類似的情況。

1 有限元分析

1.1 有限元模型的建立

本文采用ANSYS14.0版本，球閥密封結(jié)構(gòu)如圖1所示。在圖1中取移動密封環(huán)、活門密封座、游離法蘭、部分閥體的軸截面作為力學(xué)模型，采用軸對稱單元PLANE183進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。在移動密封環(huán)與活門密封圈、移動密封環(huán)與游離法蘭、移動密封環(huán)與閥體之間的接觸面上建立接觸單元，有限元模型如圖2所示。模型的收斂準(zhǔn)則是兩次迭代結(jié)果相差不超過0.1%。

1.2 邊界條件和計算工況

邊界條件：

1) 約束活門密封座與活門接觸面上節(jié)點的所有自由度。

2)約束連接螺栓分布圓上節(jié)點的軸向自由度。

1-游離法蘭；2-螺栓；3-投入腔；4-移動密封環(huán)；5-閥體；6-活門密封座

圖2 球閥移動密封環(huán)有限元計算簡化模型圖

由于檢修密封工況比工作密封工況差，因此本文計算主要分析了檢修工況。在檢修密封投入活門關(guān)閉時，閥體、游離法蘭和移動密封環(huán)承受最大靜水壓力為5.53MPa，投入腔內(nèi)的壓力為5.53MPa。

1.3有限元計算結(jié)果分析

根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，其材料性能及許用應(yīng)力如表1所示。

有限元計算結(jié)果如表2所示，接觸應(yīng)力與壓力如圖3、圖4所示。

表1 密封部件材料特性表

表2 有限元計算結(jié)果

圖3 球閥移動密封環(huán)與活門密封座接觸壓力圖

圖4 球閥移動密封環(huán)與活門密封座應(yīng)力圖

通過有限元計算結(jié)果可以看出，移動密封環(huán)和活門密封座之間的接觸壓力值達(dá)到了550.7MPa，Mises應(yīng)力值為372.6MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了許用平均應(yīng)力150MPa，這就導(dǎo)致移動密封環(huán)出現(xiàn)了塑性變形，即移動密封環(huán)和活門密封座之間出現(xiàn)了縫隙，不能封住水，這就是球閥漏水的根本原因。球閥移動密封環(huán)與活門密封座接觸壓力大是因為設(shè)計方案中移動密封環(huán)和活門密封座接觸處均是一個圓弧線，兩者實際上是通過線線接觸的方式來實現(xiàn)密封的，會造成接觸寬度太小(接觸寬度僅有2.4mm)，出現(xiàn)了較大的應(yīng)力集中。

2 改進(jìn)方案的有限元分析

2.1 改進(jìn)方案有限元模型的建立

為了降低兩個部件之間的接觸壓力，需要增大接觸寬度，可以嘗試將兩個部件的圓弧線均改成直線，使之變成面面接觸，這樣可以增加接觸寬度，這個方法的缺點是對加工以及安裝精度要求比較高，不能保證完全實現(xiàn)。可以將移動密封環(huán)的圓弧線改成直線， 移動密封座依然采用圓弧線， 這樣就實現(xiàn)了線面接觸，不但可以增加兩個部件的接觸寬度，而且可以保證加工和安裝的便利性。原方案與改進(jìn)方案對比如圖5所示，改進(jìn)方案的有限元模型建立，邊界條件、計算工況、材料屬性均與原方案一致，有限元分析得到的結(jié)果如表3所示，應(yīng)力圖如圖6、圖7所示。

圖5 原方案與改進(jìn)方案對比圖

表3 有限元計算結(jié)果

2.2 改進(jìn)方案有限元計算結(jié)果分析及改造效果

通過表2和表3的有限元計算結(jié)果對比可以看出，在改進(jìn)設(shè)計方案之后，在移動密封環(huán)和活門密封座在壓力不變的情況下，兩個部件之間的接觸寬度明顯增加，接觸壓力和Mises應(yīng)力明顯減小(相當(dāng)于原方案的1/5)，并且均小于150MPa，改善效果非常顯著，改進(jìn)的設(shè)計方案保證了移動密封環(huán)不再發(fā)生塑性變形。根據(jù)本文提出的改進(jìn)方案的有限元分析方法對仙居2號機(jī)組進(jìn)行了重新設(shè)計加工，機(jī)組的運行情況良好，沒有再出現(xiàn)漏水現(xiàn)象。

圖6 改進(jìn)方案球閥移動密封環(huán)與活門密封座接觸壓力圖

圖7 改進(jìn)方案球閥移動密封環(huán)與活門密封座應(yīng)力圖

3 結(jié) 論

本文利用ANSYS有限元軟件建立了球閥內(nèi)移動密封環(huán)及其相關(guān)部件的受力分析模型，指出了仙居電站2號機(jī)組球閥漏水的根本原因，并提出了改進(jìn)方案，得出了以下結(jié)論：

1)移動密封環(huán)與活門密封座之間的接觸壓力和Mises應(yīng)力過大是導(dǎo)致移動密封環(huán)產(chǎn)生永久性變形的根本原因。

2)移動密封環(huán)與活門密封座之間的接觸方式對接觸壓力影響顯著，因此建議采用線面接觸的方式來增加兩者的接觸寬度，以降低移動密封環(huán)與活門密封座接觸壓力和應(yīng)力。

[1] 于鵬飛. 馬來西亞沐若水電站進(jìn)水球閥的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 電站系統(tǒng)工程,2015,31(3):63-64. YU Pengfei. Key structure design for spherical vale of Murum power stations in Malaysia[J]. Power System Engineering, 2015,31(3): 63-64.

[2] 程詩昊. 馬來西亞沐若水電站進(jìn)水球閥結(jié)構(gòu)特點及制造過程質(zhì)量控制[J]. 設(shè)備監(jiān)理,2014(2):43-46. CHENG Shihao. Structural features and manufacturing process quality control of inlet ball used in Muruo Hydropower Station in Malaysia[J]. Plant Engineering Consultants, 2014(2): 43-46.

[3] 董曉亮,趙鋒. 桐柏抽水蓄能電站1號機(jī)球閥檢修密封投入不成功原因分析及處理[J]. 水電站機(jī)電技術(shù),2012,35(4):100-102. DONG Xiaoliang, ZHAO Feng. Cause analysis and treatment of unsuccessful input of NO. 1 Unit’s spherical value maintenance and seal in Bbaiianha pumped-storage power station[J]. Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station, 2012,35(4): 100-102.

[4] 楊聚偉,徐國華,張成華,等. 白蓮河抽水蓄能電站球閥密封損壞原因分析與處理[J]. 水力發(fā)電,2012,38(7):77-79. YANG Juwei, XU Guohua, ZHANG Chenghua, et al. Cause analysis and treatment of spherical value seal damage in Bbaiianha pumped-storage power station[J]. Water Power, 2012,38(7): 77-79.

[5] 樸春光. 韓國青松抽水蓄能電站球閥結(jié)構(gòu)特點[J]. 大電機(jī)技術(shù),2007(4):42-44. PIAO Chunguang. Main structure feature for spherical valve of CHEONGSONG pump storage power stations in Korea[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine, 2007(4): 42-44.

(編輯 侯世春)

Analysis and improvement of mobile sealing ring stifness and strength of spherical valve in Xianju power station

JIANG Tieliang，LIU Jingshi

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040，China)

Aimed at the water leakage problem when spherical valve of Xianju hydroelectric unit is closed, the mobile sealing ring in spherical valve and the whole analysis model of its related components are established by the ANSYS finite element software. the reason of the spherical value leakage is expounded and the improved scheme is proposed which is to change the contact form from line-to-line to line-to-area between mobile sealing ring and valve sealing ring. The analysis result shows that the reason of water leakage problem lies in the unreasonable design of contact form between mobile sealing ring and valve sealing ring. While adopting the line-to-area contact form can increase the contact width which helps to well resolve the water leakage problem when the spherical value of the unit is closed.

spherical valve; mobile sealing ring ; ANSYS; contact; water leakage

2016-11-04；

2017-02-15。

姜鐵良(1988-)，男，工程師，從事水輪機(jī)大部件的結(jié)構(gòu)分析和水電機(jī)組的現(xiàn)場振動測試分析工作。

TM621.25

B

2095-6843(2017)02-0181-03