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水电站进水球阀密封设计优化

文章作者:网易电竞 发布时间:2019-07-11 15:46:40浏览次数:48

福建省某水电站是穆阳溪梯级的“核心”电站,总装机容量2×125MW,最大水头437.2m。电站1号、2号水轮机上游各安装1台Φ1720mm球阀。1号、2号球阀于2004年5月投入运行。

1 球阀基本参数

网易电竞球阀型号QF440-WY-172;公称直径1720mm;升压水头500m;最高静水头440m;额定流量39m3/s;开启关闭时间60~120s;阀门全关时的漏水量2L/min;控制电源DC220V;操作电源AC380/220V,50Hz;接力器容量1407KN-m(缸径Ø500);控制柜型号QKG-6.4/Ø40;油压设备HYZ-4.0-6.4-KF(6.4MPa)。

2 球阀设计优化

2.1 加强球阀工作密封裕量设计,解决工作密封止漏环投退相关问题

网易电竞该电站自2007年以来,2号机组偶尔会出现开机过程球阀工作密封止漏环(详见图1上II放大图的标注)无法自动退出的情况。在2007年年底机组小修后,开机过程中球阀工作密封经常出现无法自动退出故障。现场现象为:工作密封无法退出时,工作密封投入腔压力虽未下降,但球阀控制柜HV10液动阀已动作换向,排水管有水流排出,HV10液动阀本体有持续水流声音;对工作密封投入腔进行排水后,工作密封能正常退出,HV10液动阀本体持续水流声音消失。经排查,认为造成工作密封无法自动退出的原因可能是投入腔(见图2上517对应腔)与排污腔(见图2上518对应腔)之间密封不良引起。针对工作密封投入腔与球阀下游水相通情况进行分析,有三种可能:

(1)工作密封止漏环最后一道“D”型密封(见图1上II放大图标注的密封3)遭砂子等异物损坏。

(2)导环与止漏环的密封面遭到砂子等异物破坏造成局部损伤。

网易电竞(3)设计先天不足,加大最后一道密封圈的密封裕量设计。

图1 部分球阀总装配图

图1 部分球阀总装配图   下载原图


三种情况都只能待2号机小修时拆下工作密封才可以解决。

网易电竞结合2008年底该电站2号机组小修,拆下球阀工作密封进行检查,发现最后一道“D”型密封压紧量偏小,工作密封结合面没有损伤。根据检查情况,决定采取不换工作密封只更换三道“D”型密封的措施。最后一道密封换上压紧量加大0.1~0.4mm的“D”型密封后,小修做试验及刚投入运行时工作密封投退正常。机组投入运行11天,球阀在关闭流程执行完毕后出现工作密封无法自动投入到位故障,经现场检查,现象如下:

网易电竞(1)工作密封在旁通阀打开的情况下止漏环能够投入到位,工作密封投入腔水压达到4.3~4.5MPa范围。

(2)旁通阀关闭后工作密封会向下游侧退出1.1mm左右,工作密封投入腔、检修密封退出腔及蜗壳水压在2.0~2.3MPa范围,蜗壳前钢管处有尖锐的水流声,工作密封无法投到位。

(3)此时打开旁通阀执行工作密封退出操作,往往无法退出。经多次手动开关旁通阀及投退工作密封,使得工作密封止漏环投入到位情况下,工作密封才能正常退出。

(4)检查工作密封投入不到位情况下,HV10液动阀已切换到位,压力水源已进入工作密封投入腔,且HV10液动阀排水管无水流排出;检查导环与球阀结合面均无间隙;旁通阀打开,工作密封在退出状态情况下,打开工作密封投入腔排污阀无水流流出。

针对上述情况,采取了如取消行程阀及液动阀节流塞及对液动阀进行扩孔等措施,问题仍没能得到解决。考虑到工作密封密封裕量可能满足不了不利工况下设计公差情况,请厂家对最后一道“D”型密封压紧量进行全方位复核。结果表明:工作密封投入、旁通阀关闭的最不利工况下,最后一道“D”型密封不仅没压紧量,还出现一定的间隙。结合2009年10月底机组小修,采取进一步加大最后一道“D”型密封裕量设计。运行至今,2号球阀未再出现过类似工作密封止漏环投退相关问题。

2.2 加强球阀检修密封工作面及操作水压设计,避免工作面损坏问题发生

网易电竞2016年底,该电站2号机进行小修,球阀检修密封投退正常。2017年3月该机进行检查性D修,投入检修密封后密封漏水量明显增大,阀体底部排水阀有带压排水的现象。经综合分析认为是电站计算机监控系统程序错误,导致2号机发生动水关球阀,检修密封工作面发生损坏。该问题影响机组检修时球阀之后的水轮机导水机构、转轮、尾水管等设备的检查与维修。为此,电站决定2017年底对12.5km引水隧洞进行排空,对球阀检修密封进行拆卸更换。从现场拆卸的情况来看,球阀检修密封损坏均发生在水平中心线以下,左右基本对称,长度各为约450mm。

从金属密封相互摩擦而形成的擦伤痕迹来看,基本可以肯定这种痕迹是在阀门关闭过程中产生的,且可以看出其是一次性产生的。所以可以排除在静水开启或关闭时产生擦伤的可能性。故下面的分析是基于阀门动水关闭的情况考虑的。

网易电竞经对各零部件和系统在动水关闭时的受力和变形情况分析,阀体顶部方向的变形和阀体水平中心线向外侧方向的变形量均不超过0.2mm,这个变形量对D形密封不会产生任何影响。止漏环与水接触的表面,由于活门在全开位置时检修密封投入和退出腔均通排水,故按无压考虑,这个表面受到4.4MPa的水压作用。止漏环受到向外径方向的扩张力和一个朝向上游侧的一个水推力的作用,这个水推力是由于面积差引起的。这二个力使得止漏环贴紧上游侧进水接管法兰,同时向外径方向扩张贴近检修密封衬环。这种情形对D形密封圈的密封效果应该是有利的。

从上述的分析情况来看,止漏环与固定密封环在静水工况下开启或关闭不会产生任何干涉现象,在动水关闭初期也不会产生干涉。但注意到活门在接近全关位置(还未完全关闭)时,止漏环周边的水压力分布情况会发生改变。从流体力学角度来看,由于下游水轮机导叶处于开启位置,当阀门处于全关位置时,将会有高速水流流过止漏环与密封环之间的环形区域。这股高速水流导致了止漏环下游侧鼻端低压区的产生,由于此时止漏环投入腔和退出腔均无压力,所以止漏环(详见图1上I放大图的标注)将在上下游压差的作用下自动投入。

网易电竞需要说明的是,阀门从全开位置开始动水关闭的过程中,这个间隙是逐步形成的。在阀门接近全关位置的某个角度,该临界间隙形成,止漏环上、下游侧的压力平衡被打破,止漏环自动向下游侧移动而导致更小的过水间隙产生,这将加速将止漏环推向下游侧直至与正在转动的固定密封环发生干涉;由于阀门还未完全关闭,密封环水平中心线以上的部分和干涉区以下的区域还未完全到达啮合区,这就解释了为何干涉发生的损坏区域均出现在水平中心线以下且左右基本对称。同时也与球阀在动水关闭过程中曾出现的卡滞现象相吻合。这个问题的产生是由于液压系统原始设计考虑不周而导致的,最后将球阀机械液压系统图(图2)的检修密封操作水管路沿标号12345管路改为标号1直接接到标号5的管路上,同时将检修密封投入腔(见图2上514对应腔)排污阀V57(即中间排污阀门)由常闭改为常开,保证球阀在机组或本体非检修工况下,检修密封退出腔(见图2上515对应腔)始终保持有压态。这样,即使发生球阀动水关闭,也不会造成检修密封固定密封环与止漏环因撞击造成工作面损坏问题。

图2 部分球阀机械液压系统

图2 部分球阀机械液压系统   下载原图


2.3 注重球阀伸缩节松套法兰密封设计,防止因安装位置超差密封失效问题

根据电站安装的施工安排,一般情况下,压力钢管与球阀、水轮机蜗壳是属于不同施工单位。安装顺序是压力钢管先安装、蜗壳后安装,最后安装球阀。安装过程中混凝土变形及支撑等问题,都可能造成球阀伸缩节松套法兰中心与蜗壳中心不一致、松套法兰与蜗壳法兰连接面不平行问题,当超差量超过普通密封的密封裕量时,机组投入运行后,松套法兰密封面将会漏水。为此,结合现场实际,更换使用了新设计的自适应密封(详见图3),可从根源上将漏水问题予以解决。

图3 自适应密封

网易电竞图3 自适应密封   下载原图


3 结束语

网易电竞该电站球阀多个问题的分析与处理总结如下:

(1)技术管理人员在掌握丰富实践经验及多方面知识后,可以在设计、制造、检修工艺及国家相关标准等基础上进行各方面的方案优化,有效促成现场问题的解决,促进相关标准的修订。

网易电竞(2)对电厂或生产车间的泄漏问题,可结合各种密封特点,进行巧妙设计组合,可从本质上促进无泄漏工厂的创建。