高水頭大尺寸進(jìn)水球閥結(jié)構(gòu)比較分析

樓 勇，姜澤界，曾 輝，顧希明

(華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江 天荒坪 313302)

高水頭大尺寸進(jìn)水球閥結(jié)構(gòu)比較分析

樓 勇，姜澤界，曾 輝，顧希明

(華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江 天荒坪 313302)

在抽水蓄能電站中，高水頭大尺寸的進(jìn)水球閥應(yīng)用較為普遍，不同的制造廠采用了各不相同的結(jié)構(gòu)，在電站的運(yùn)行中也出現(xiàn)了各種問題，對球閥的各個主要部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出可能存在的問題和改進(jìn)建議。

水電站；高水頭；大尺寸；進(jìn)水球閥；結(jié)構(gòu)比較

在抽水蓄能電站中，使用設(shè)計(jì)壓力超過500 m， 球閥直徑超過2 m的球閥非常普遍。 這些球閥產(chǎn)品一般由主機(jī)廠家提供，在結(jié)構(gòu)上各不相同，當(dāng)然在電站實(shí)際運(yùn)行過程中，也產(chǎn)生了各種不同的問題。 基于上述原因，有必要對不同的結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較分析，為業(yè)主單位在新的球閥采購時提供參考意見。

1 進(jìn)水球閥結(jié)構(gòu)簡述

水輪機(jī)上游布置的水輪機(jī)進(jìn)水閥，對水輪機(jī)進(jìn)水起到根本的控制作用，以實(shí)現(xiàn)對電站的保護(hù)。每臺進(jìn)水閥上游通過法蘭接管與電站壓力鋼管剛性連接，下游通過伸縮節(jié)與水輪機(jī)蝸殼連接。

進(jìn)水閥安裝在電站廠房閥門廊道中。閥門采用基礎(chǔ)底板和地腳螺栓安裝在箱形混凝土基礎(chǔ)上。進(jìn)水閥設(shè)計(jì)成運(yùn)行時能沿著壓力鋼管中心線移動，以適應(yīng)閥門開啟或關(guān)閉時由于壓力的變化而引起的壓力鋼管長度的微小伸縮。

當(dāng)機(jī)組正常停機(jī)或檢修時，應(yīng)關(guān)閉進(jìn)水閥。通常情況下，進(jìn)水閥應(yīng)在壓力平衡情況下操作(即水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉)。在緊急情況下，其可在水輪機(jī)全流量下關(guān)閉，即動水關(guān)閉。

一個外接旁通管路跨接在進(jìn)水閥上，通過液壓操作針形閥控制旁通管路的開啟或關(guān)閉。在進(jìn)水閥需要開啟時，旁通管路用來平衡進(jìn)水閥前后的壓力。旁通管路也有采用內(nèi)旁通的形式。

進(jìn)水閥依靠油壓操作接力器進(jìn)行開啟和關(guān)閉，也可通過油壓接力器開啟，重錘關(guān)閉。當(dāng)然通過水操作接力器開啟和關(guān)閉也是可選的方案。

操作壓力油源來自獨(dú)立的閥用油壓裝置。進(jìn)水閥開啟或關(guān)閉時可以獨(dú)立調(diào)整，在閥門關(guān)閉位置未端還設(shè)有節(jié)流緩沖裝置。如果采用的是水操作接力器， 則高壓水可直接從進(jìn)水閥的上游接管上引出， 經(jīng)過濾后可作為壓力水源對進(jìn)水球閥的接力器進(jìn)行操作。

進(jìn)水閥和常規(guī)的球閥相類似，只是在閥體和活門之間有間隙。閥門兩端的間隙依靠不銹鋼密封圈關(guān)閉，密封圈靠壓力水控制在閥體上軸向滑動。閥體上游側(cè)密封為檢修密封，閥體下游側(cè)密封為工作密封。當(dāng)進(jìn)水閥全關(guān)時，工作密封自動投入。檢修密封通常是開啟的，僅在閥門維修時關(guān)閉。

2 結(jié)構(gòu)分析比較

2.1 閥體結(jié)構(gòu)分析比較

作為進(jìn)水球閥的主要承壓部件，閥體材料的選擇和結(jié)構(gòu)形式的選擇是非常關(guān)鍵的，從已交付電站使用的球閥看，閥體普遍使用合金鑄鋼，材質(zhì)與ZG20Mn類似。這一類鑄鋼有良好的鑄造性能及焊接性能，一般用作鑄造大截面厚壁重型鑄件，如水壓機(jī)大立柱、工作缸、法蘭、主閥等。挪威工程師的研究表明， 使用高強(qiáng)度的鋼材不會給材料的疲勞強(qiáng)度帶來好處。 從這個角度看，閥體采用ZG20Mn或類似的材料是合適的。

從已交付電站使用的球閥看， 閥體結(jié)構(gòu)分以下幾類：

a.整體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)分兩類：一類是閥體分半鑄件，粗加工后裝入活門后焊接成一體。另一類是殼體采用鋼板，與前后法蘭焊接成與第一類相似的分半閥體，待粗加工后裝入活門后焊接成一體。對于此類結(jié)構(gòu)，由于閥體是一個整體，受力后應(yīng)力分布較為均勻， 活門和閥軸可做成一整體，簡化了活門與閥軸之間的結(jié)構(gòu)。缺點(diǎn)是由于金加工需要在閥體-活門焊接后進(jìn)行， 兩軸承孔的同軸度保證較其他結(jié)構(gòu)困難。另外，鋼板焊接結(jié)構(gòu)存在焊接后變形的風(fēng)險。如果在焊接后發(fā)現(xiàn)閥體或活門上有缺陷，活門將無法從閥體內(nèi)拆出。

圖1 閥體結(jié)構(gòu)簡圖1Fig.1 Valve body structure diagram 1

圖2 閥體結(jié)構(gòu)簡圖2Fig.2 Valve body structure diagram 2

b.閥體在軸承后分成大小兩瓣閥體，閥體間采用螺栓連接，見圖3。這種閥體是目前最常采用的結(jié)構(gòu)，加工制造較為方便，但活門和閥軸無法做成一體，必須對活門與閥軸之間的力和力矩傳遞予以充分的考慮。

c.閥體在流道中心垂直平面處左右分成兩瓣閥體，閥體間采用螺栓連接，見圖4。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是活門能與閥軸做成一整體，優(yōu)化了閥軸與活門的連接結(jié)構(gòu)。但由于閥體的分半表面不是整圓，因此其閥體的密封將較為困難。這種結(jié)構(gòu)目前已經(jīng)較少使用。

圖3 閥體結(jié)構(gòu)簡圖3Fig.3 Valve body structure diagram 3

圖4 閥體結(jié)構(gòu)簡圖4Fig.4 Valve body structure diagram 4

d.閥體在軸承中間分成前后兩瓣閥體，閥體間采用螺栓連接，見圖5。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)與結(jié)構(gòu)圖4的閥體相類似，目前使用也較少。

圖5 閥體結(jié)構(gòu)簡圖5Fig.5 Valve body structure diagram 5

2.2 活門結(jié)構(gòu)分析比較

作為進(jìn)水閥的主要部件， 活門通常采用與閥體相同的材料。而其結(jié)構(gòu)選擇通常和閥體結(jié)構(gòu)的選擇是相關(guān)的， 以下是常用的活門結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)：

a.整體結(jié)構(gòu)， 活門與閥軸成一整體，見活門結(jié)構(gòu)圖1。該類結(jié)構(gòu)可用于除閥體結(jié)構(gòu)圖3外的其他閥體，但需要注意的是，這類結(jié)構(gòu)的活門，其閥軸與活門連接的根部應(yīng)力較高，需要采取必要的措施降低該處的應(yīng)力。

圖6 活門/閥軸結(jié)構(gòu)簡圖1Fig.6 Valve rotor/bearing structure diagram 1

b.分體結(jié)構(gòu)一，活門和閥軸通過螺栓連接，通過銷套傳遞力矩。閥軸上與軸承和密封接觸的表面堆焊不銹鋼，見活門/閥軸結(jié)構(gòu)圖2。其優(yōu)點(diǎn)是連接螺栓及傳遞力矩的銷的布置較為簡單， 連接的剛性好。但缺點(diǎn)是連接螺栓/銷沒入水中，無法提供有效的防護(hù)。另外，如果與軸承接觸的不銹鋼堆焊層磨損，需要拆卸修復(fù)時較為不便。此類結(jié)構(gòu)與閥體結(jié)構(gòu)圖3中的閥體配套使用。

圖7 活門/閥軸結(jié)構(gòu)簡圖2Fig.7 Valve rotor/bearing structure diagram 2

c.分體結(jié)構(gòu)二，活門和閥軸通過螺栓連接，通過銷套傳遞力矩。閥軸上與軸承和密封接觸的表面堆焊不銹鋼，見活門/閥軸結(jié)構(gòu)圖3。此類結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是連接螺栓布置在外面，螺栓不容易銹蝕，拆裝較為方便。但缺點(diǎn)是受空間的限制較大，螺栓及傳遞力矩的銷套布置較為困難。此類結(jié)構(gòu)與閥體結(jié)構(gòu)圖3中的閥體配套使用。

圖8 活門/閥軸結(jié)構(gòu)簡圖3Fig.8 Valve rotor/bearing structure diagram 3

2.3 工作密封結(jié)構(gòu)分析比較

作為進(jìn)水球閥日常工作時的主要密封部件，工作密封由安裝于閥體下游法蘭內(nèi)的可滑動的止漏環(huán)和安裝于活門上的固定密封環(huán)組成。止漏環(huán)和密封環(huán)采用不同硬度的不銹鋼鍛件或鑄件。目前，在電站中常用的工作密封結(jié)構(gòu)有以下幾種。

a.密封形式一。此類工作密封的特點(diǎn)是止漏環(huán)安裝在閥體法蘭與中間環(huán)之間，斷面尺寸小，即使安裝于活門上的密封環(huán)在全關(guān)位置發(fā)生一定的彈性變形，止漏環(huán)在水壓的作用下能很好地與安裝在活門上的密封環(huán)貼合，具有較好的密封性能。

圖9 工作密封結(jié)構(gòu)簡圖1Fig.9 Valve service seal structure diagram 1

b.密封形式二。此類工作密封的特點(diǎn)是止漏環(huán)安裝在閥體法蘭內(nèi)的流道中，與第一種結(jié)構(gòu)相比，止漏環(huán)斷面尺寸大，剛性好。對于高水頭大尺寸的球閥，必須對止漏環(huán)的斷面尺寸予以充分考慮，防止因閥體變形和止漏環(huán)變形的雙重影響，造成密封失效。

圖10 工作密封結(jié)構(gòu)簡圖2Fig.10 Valve service seal structure diagram 2

c.密封形式三。此類密封與第一類的密封形式類似，區(qū)別是第一類是雙作用密封，投入和脫開密封均需外部的水壓介入，而對于這種密封來說，投入密封需要外部水壓的介入，而脫開密封僅需要釋放密封投入腔的壓力，通過閥體內(nèi)的水壓把密封脫開。通過一個二位三通閥就可以實(shí)現(xiàn)工作密封的控制，因?yàn)椴僮鹘橘|(zhì)是水，無法采用適用于液壓油的滑閥式換向閥。二位三通閥較二位四通閥容易獲得。

圖11 工作密封結(jié)構(gòu)簡圖3Fig.11 Valve service seal structure diagram 3

2.4 檢修密封結(jié)構(gòu)分析比較

檢修密封一般用于進(jìn)水球閥工作密封、軸承及閥門下游側(cè)其他部件檢修時用。一般由安裝于閥體上游側(cè)法蘭內(nèi)的可滑動的止漏環(huán)和安裝于活門上的固定密封環(huán)組成。止漏環(huán)和密封環(huán)采用不同硬度的不銹鋼鍛件或鑄件。檢修密封結(jié)構(gòu)一般與工作密封結(jié)構(gòu)類似，有區(qū)別的是，為保證檢修工作人員的安全，檢修密封均要求設(shè)置手動鎖錠。目前，在電站中常用的檢修密封及其鎖錠裝置的結(jié)構(gòu)有以下幾種。

a.密封結(jié)構(gòu)一。密封結(jié)構(gòu)與工作密封結(jié)構(gòu)一基本相同，鎖錠結(jié)構(gòu)如圖所示。這種結(jié)構(gòu)需要注意的是鎖錠僅起到保護(hù)作用，檢修密封使用時，檢修密封投入腔引入壓力鋼管的壓力水，止漏環(huán)投入，然后投入鎖錠，但鎖錠投入不宜過緊，以免損傷鎖錠。在需要脫開鎖錠時，一般要求上游側(cè)的水壓高于或等于投入時的壓力， 否則鎖錠容易卡死。

圖12 檢修密封結(jié)構(gòu)簡圖1Fig.12 Valve maintenance seal structure diagram 1

b.密封結(jié)構(gòu)二，從密封結(jié)構(gòu)與工作密封結(jié)構(gòu)二基本相同，鎖錠結(jié)構(gòu)如圖所示。對于這種結(jié)構(gòu)，其鎖錠桿的受力優(yōu)于第一種結(jié)構(gòu)，不容易出現(xiàn)鎖錠卡死的情況。

圖13 檢修密封結(jié)構(gòu)簡圖2Fig.13 Valve maintenance seal structure diagram 2

c.密封結(jié)構(gòu)三，從密封結(jié)構(gòu)與工作密封結(jié)構(gòu)三基本相同，鎖錠結(jié)構(gòu)如圖所示。對于這種結(jié)構(gòu)，其鎖錠桿的受力與第二種結(jié)構(gòu)類似，操作較為方便。

圖14 檢修密封結(jié)構(gòu)簡圖3Fig.14 Valve maintenance seal structure diagram 3

2.5 操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析比較

進(jìn)水球閥的操作機(jī)構(gòu)， 用于進(jìn)水球閥的開關(guān)操作， 常用的有以下幾種形式：

a.重錘和接力器：結(jié)構(gòu)如圖15所示。關(guān)閉時依靠重錘的力矩完成90%的關(guān)閉，最后10%通過接力器和重錘聯(lián)合作用進(jìn)行關(guān)閉，采用油壓作用于接力器開啟腔，使接力器在上下游平壓的情況下開啟。當(dāng)然從設(shè)計(jì)上來說，更優(yōu)的方案是采用純重錘進(jìn)行關(guān)閉，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)在油壓裝置失壓的情況下，能實(shí)現(xiàn)進(jìn)水球閥可靠的關(guān)閉。

b.油操作接力器：結(jié)構(gòu)見圖16。進(jìn)水球閥的開啟和關(guān)閉均通過油壓操作接力器完成。此類結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是占用的空間小、維護(hù)方便，缺點(diǎn)是其開關(guān)必須要有壓力油源，如果壓力油源出現(xiàn)問題，進(jìn)水閥將無法實(shí)現(xiàn)關(guān)閉。

圖15 操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖1Fig.15 Valve operating mechanisms structure diagram 1

圖16 操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖2Fig.16 Valve operating mechanisms structure diagram 2

c.水操作接力器：其結(jié)構(gòu)形式與油操作接力器類似。進(jìn)水球閥的開啟和關(guān)閉均通過水操作接力器完成，而其壓力水源來自于閥前的壓力鋼管。其可靠性優(yōu)于油壓操作的接力器。但由于操作介質(zhì)為水，其控制系統(tǒng)的電磁閥、換向閥不能采用常規(guī)的產(chǎn)品，可供選擇的產(chǎn)品較少，成本也較高。

2.6 其他部件

在進(jìn)水球閥中，一些比較小但又非常重要的部件， 同樣需要予以關(guān)注。

a.進(jìn)水球閥軸承。目前的進(jìn)水球閥中普遍采用了自潤滑軸承，自潤滑軸承的種類較多，從目前的使用情況看，銅基鑲嵌石墨自潤滑軸承和DEVA-BM或類似材料的軸承應(yīng)用較多，使用效果也較好。從電站運(yùn)行維護(hù)的角度看，大尺寸高水頭電站的進(jìn)水球閥尺寸大、重量重，軸承更換時需要排空引水鋼管，實(shí)際檢修時會碰到軸承難以拆出等一系列問題。因此,盡可能延長軸承的使用壽命是非常必要的。有效的途徑是增大閥軸的直徑，降低軸承工作時的應(yīng)力水平。當(dāng)然閥軸直徑的增大會使閥門開關(guān)所需的操作力矩增加，使制造成本增加。

b.密封位置指示。進(jìn)水球閥目前采用的密封指示有兩種：一種是機(jī)械式的，指示桿隨止漏環(huán)的位置移動而變動， 指示桿引出到外部，與行程開關(guān)接觸發(fā)出投入脫開信號。另一種采用耐高壓的接近開關(guān)，通過接近開關(guān)感應(yīng)止漏環(huán)位置發(fā)出投入/脫開信號。這兩種結(jié)構(gòu)均是可行的，但需要注意的是， 密封位置指示的設(shè)置位置必須考慮方便更換。

c.工作密封和檢修密封上的軟密封。目前投運(yùn)的進(jìn)水球閥中，普遍采用了D形密封和組合密封，早期的進(jìn)水球閥采用了O形圈，但由于O形圈在工作時容易扭曲、擠出破壞，已經(jīng)很少采用。

3 結(jié)語

進(jìn)水球閥對機(jī)組的事故保護(hù)和檢修起著重要的作用，其運(yùn)行性能將直接影響電站的經(jīng)濟(jì)效益和安全性。因此，在進(jìn)行進(jìn)水球閥設(shè)計(jì)時，必須從材料選擇、強(qiáng)度、剛度、制造、試驗(yàn)和運(yùn)行、維護(hù)多個角度全方位進(jìn)行考慮和比較，為電站的安全運(yùn)行提供有力保障。

[1] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[K].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

Comparison analysis on inlet ball value in jumbo size of high water head

LOU Yong, JIANG Ze-jie, ZENG Hui, GU Xi-ming

(East China Tianhuangping Pumped Storage Co., Ltd., Tianhuangping 313302, China)

In pump storage power station, it is very common to use high water head and jumbo size turbine inlet valve. Different structures have been used in different suppliers, and some issues have been caused during the operation. The structure of main components of the ball value is analyzed, and the existing problems and improvement solutions are proposed in this paper.

Hydropower station; High water head; Jumbo size; Inlet ball valve; Structural comparison

2016-09-14

樓勇(1973-)，男，工程師。

TK730.47

A

1674-8646(2016)24-0052-05