嚴(yán)天豪，陳　勇，施一舟

（1.國網(wǎng)新源控股華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 臺州 317200；2.安德里茨（中國）有限公司，北京 100004）

1　引言

抽水蓄能電站通常在電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用等任務(wù)，因此，抽水蓄能電站的水輪發(fā)電機組較常規(guī)機組運行工況更為復(fù)雜，工況轉(zhuǎn)換也更加頻繁。進水球閥作為抽水蓄能機組實現(xiàn)動水關(guān)閉的關(guān)鍵部件，對抽水蓄能機組的安全運行起到至關(guān)重要的作用。

近年來，部分抽水蓄能電站在運行過程中出現(xiàn)了球閥密封自激振動現(xiàn)象，個別事故還對球閥密封本體造成了巨大損傷，嚴(yán)重威脅電站機組的運行安全。從后期的事故分析來看，產(chǎn)生水力自激振動的原因大多為球閥密封漏水。本文以某抽水蓄能電站球閥結(jié)構(gòu)為視角，通過球閥密封投入及退出過程工作原理分析，探討由于球閥漏水產(chǎn)生自激振動的原因，并提出相應(yīng)的抑制措施，供相關(guān)運行管理人員以及科研人員參考。

2　球閥結(jié)構(gòu)

機組球閥通常安裝于水泵水輪機蝸殼前，作為水泵水輪機截流裝置和緊急關(guān)閉裝置。為此，當(dāng)發(fā)生緊急情況時，球閥應(yīng)該能夠在不關(guān)閉導(dǎo)葉的前提下滿流量關(guān)閉，以保證機組的安全。

球閥閥體由兩部分組成，允許裝配閥芯和樞軸。上游側(cè)閥體設(shè)有閥芯軸承孔，通過螺栓與壓力鋼管法蘭連接；下游側(cè)閥體焊有兩塊支撐板，并裝有伸縮節(jié)，允許閥體有少量位移。該閥體設(shè)計通過上游側(cè)法蘭連接傳遞軸向力給壓力鋼管。球閥閥體的上、下游兩部分通過液壓拉伸螺栓連接在一起，并通過基礎(chǔ)螺栓防止閥體上抬，還在基礎(chǔ)板與閥體底腳之間裝設(shè)有助于平滑滑動的銅板，允許閥體有少量軸向位移。此外，為了便于沖洗和排水，在閥體底部裝有排水管和排水閥。

球閥閥芯通過雙油壓接力器進行操作，球閥的開啟和關(guān)閉所需油源由壓力油罐來保證。在正常情況下，閥門只在閥芯兩側(cè)平壓后才能開啟；在特殊情況下，閥門也可以在非平壓條件下開啟，但最大不平衡水壓壓力為靜水頭的30%。球閥裝有兩套活動密封系統(tǒng)，均由壓力鋼管水壓操作。在機組停機狀態(tài)下，閥體下游側(cè)的工作密封處于關(guān)閉位置。

3　球閥工作密封投退工作原理

工作密封由固定在閥芯上的不銹鋼固定環(huán)以及下游閥體內(nèi)可移動的活動密封環(huán)組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。在閥門關(guān)閉位置，密封是通過取自上游側(cè)壓力鋼管的水壓來實現(xiàn)的。只有在閥芯處于關(guān)閉位置時才可能投入工作密封。退出工作密封時，由控制閥將工作密封投入腔內(nèi)的壓力水釋放，通過作用在活動密封環(huán)上的閥體內(nèi)的水壓，密封退出。一旦閥芯離開關(guān)閉位置，控制閥將通過凸輪盤和位于閥門右側(cè)的杠桿進行機械鎖緊，以確保工作密封不會動作。工作密封活動環(huán)的位置由下游側(cè)閥體法蘭上的機械指示器顯示。

圖1　球閥工作密封結(jié)構(gòu)示意圖

球閥工作密封的具體投退過程如下。當(dāng)球閥關(guān)閉，閥芯處于關(guān)閉位置，通過打開工作密封投入腔供水管閥門，使壓力水進入密封投入腔，推動工作密封活動環(huán)向閥芯方向移動，最終到達投入位置，使工作密封活動環(huán)和固定環(huán)緊密貼合，封閉閥芯與閥體之間的縫隙，從而達到密封的作用。若要使工作密封退出，只需切斷工作密封投入腔壓力水，作用于工作密封活動環(huán)上的閥體內(nèi)壓力水將推動活動環(huán)向圖1中密封退出所指示的方向移動，最終將活動環(huán)推離投入位置，密封退出。

4　球閥自激振動過程分析

4.1　自激振動發(fā)生過程

某日，01∶06∶29，1號球閥工作密封下發(fā)“釋放”命令，之后工作密封頻繁動作，伴隨有金屬敲擊聲音。1號球閥在01∶06∶52因工作密封行程開關(guān)感應(yīng)片松動偏轉(zhuǎn)，釋放信號消失。但現(xiàn)場工作密封仍在持續(xù)頻繁在“釋放”與“投入”狀態(tài)之間動作，整個動作周期大約在360～400 ms之間，其中從“釋放”到“投入”之間的動作時間大約為100～120 ms，從“投入”到“釋放”之間的動作時間大約為250～270ms。2號機主進水閥工作密封于01∶06∶37開始“釋放/投退”，之后也開始頻繁在“釋放”與“投入”狀態(tài)之間動作，動作周期和現(xiàn)象與1號球閥類似。

現(xiàn)場運行人員于01∶11關(guān)閉1號球閥工作密封投入進水閥，因閥門偏緊未將其關(guān)閉。此時觀察到1號機球閥工作密封油水切換閥MB40-AA001機構(gòu)連桿未動作?，F(xiàn)場運行人員于01∶13關(guān)閉2號球閥工作密封投入進水閥，動作期間也發(fā)現(xiàn)2號機球閥工作密封油水切換閥MB40-AA001機構(gòu)連桿未動作。

2號機主進水閥工作密封于01∶18停止投退，在此之后，1號、2號機主進水閥振動以及工作密封頻繁投退現(xiàn)象于01∶18∶30消失，整個球閥自激振動過程停止。

4.2　自激振動產(chǎn)生原因分析

由于機組上游側(cè)球閥密封壓力引自其上游側(cè)近處的管道。當(dāng)球閥滲漏時，如果有一個微小的擾動，引起球閥的滲漏面積減小，由水擊的理論可知這將導(dǎo)致上游管道壓力的增大；由于球閥密封壓力與球閥上游管道近處的水壓力同步，因此上游管道處的壓力增大將進一步導(dǎo)致球閥密封壓力的增大和滲漏面積的減小，于是又導(dǎo)致管道壓力的增大。此過程相當(dāng)于控制系統(tǒng)中的正反饋，管道中的水壓力振幅將不斷增大，整個管道系統(tǒng)發(fā)生自激振動。也可說此時閥門滲漏處呈現(xiàn)柔性閥門特性，這種特性將導(dǎo)致振動迅速發(fā)展。

從圖1可以看出，正常情況下，球閥工作密封活動環(huán)上的密封會將工作密封投入腔與退出腔、退出腔與閥體內(nèi)壓力水之間的水路聯(lián)系完全隔離。然而，當(dāng)球閥工作密封運行多年后，密封材料老化導(dǎo)致滲水甚至漏水后，從閥體內(nèi)壓力水或者工作密封投入腔中的水滲漏到退出腔，將會導(dǎo)致原來活動環(huán)投入和退出過程中的水壓平衡被打破，形成球閥自激振動的激發(fā)條件。以下針對圖1中密封一和密封二漏水可能產(chǎn)生的自激振動進行具體分析。

（1）投入腔與退出腔之間密封（密封一）

正常情況下，投入腔的壓力水取自上游側(cè)壓力鋼管，當(dāng)投入腔供水管閥門打開后，由于上游側(cè)壓力鋼管中的壓力水進入投入腔，活動環(huán)退出腔內(nèi)沒有壓力，因此活動環(huán)向退出腔側(cè)移動。若此時密封一旦發(fā)生漏水，則投入腔內(nèi)的水便會流向退出腔，使得活動環(huán)在投入過程中所受到退出腔側(cè)的水壓越來越大，并逐漸使腔體內(nèi)水壓和退出腔水壓之和與投入腔側(cè)水壓相當(dāng)，在最終大于投入腔側(cè)水壓后，將推動活動環(huán)向投入腔移動，從而中斷活動環(huán)的投入過程；而退出腔內(nèi)由于密封漏水所產(chǎn)生的水壓在活動環(huán)向投入腔側(cè)移動過程中會逐步減小，當(dāng)腔體內(nèi)水壓和退出腔水壓之和小于投入腔水壓后，活動環(huán)便又會向退出腔側(cè)移動，再次開始工作密封投入過程，開始下一輪的反復(fù)。因此可見，當(dāng)密封一漏水后，工作密封的活動環(huán)可能會在投入過程中在投入動作和退出動作之間反復(fù)交替，從而產(chǎn)生振動，導(dǎo)致球閥自激振動的發(fā)生。

（2）退出腔與閥體內(nèi)壓力水之間密封（密封二）

正常情況下，工作密封投入后，活動環(huán)應(yīng)該封住球閥閥芯和球閥閥體之間的縫隙，將閥體內(nèi)的壓力水封閉在閥體內(nèi)，不會流至下游管道中。若此時密封二發(fā)生漏水，便會使閥體內(nèi)的壓力水滲漏到密封退出腔中，使活動環(huán)退出腔側(cè)的水壓逐漸增大，最終導(dǎo)致腔體內(nèi)水壓和退出腔水壓之和超過投入腔側(cè)的水壓，推動活動環(huán)向投入腔側(cè)移動，使工作密封進入退出過程。在工作密封退出過程中，退出腔內(nèi)水壓逐步減小，當(dāng)水壓小于投入腔水壓后，活動環(huán)又開始向退出腔側(cè)移動，重新進入投入過程，開始下一輪的反復(fù)。因此可見，當(dāng)密封二漏水后，工作密封的活動環(huán)也會在投入過程中在投入動作和退出動作之間反復(fù)交替，從而產(chǎn)生振動，導(dǎo)致球閥自激振動的發(fā)生。

從上面的分析可以看出，球閥可能因為工作密封活動環(huán)上密封老化或密封面損傷導(dǎo)致的漏水，在執(zhí)行投入操作過程中，由于密封投入腔和退出腔水壓的交替變化，導(dǎo)致活動環(huán)在投入和退出的行程中往復(fù)交替，進而形成振動，并引起球閥內(nèi)管路中水壓振動，形成球閥自激振動。

5　工作密封漏水的處理措施

球閥密封漏水是管路系統(tǒng)發(fā)生自激振動的擾動源，是球閥產(chǎn)生自激振動的根本原因。因此，要根本解決該抽水蓄能電站球閥自激振動問題，就需要解決球閥密封漏水問題，對球閥的密封進行全面修復(fù)，其主要的工作斷面示意圖如圖2所示。

圖2　球閥工作密封漏水處理工作斷面示意圖

首先需要更換新的球閥密封，為延長更換后密封的使用年限，考慮到聚氨基甲酸酯（polyurethane，簡稱PU）作為一種新型的高分子材料，比聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，簡稱 PTFE）材料的性能更為優(yōu)良，因此考慮將原來采用PTFE材料制作的密封改為采用PU材料的密封。

此外，需要在下右側(cè)閥體上重新堆焊和加工密封面。閥體原有密封面為鋁青銅S-ALBZ8材料，具有良好的減磨性，且在大氣、淡水和海水中抗蝕性比較好。但是，由于鋁青銅與鋼的熔點、熱導(dǎo)率、線膨脹系數(shù)以及力學(xué)性能都有很大的差別，焊接時，低熔點的鋁青銅先熔化，而高熔點的鋼仍處在固體加熱狀態(tài)，二者難以熔合。焊接過程中接頭處會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，增大裂紋傾向。而鋁青銅在焊接過程中容易造成材料中鋁的氧化，生成致密而難熔的三氧化二鋁薄膜，覆蓋在熔滴和熔池表面，進而在焊縫中產(chǎn)生夾渣、氣孔和未熔合等缺陷。因此，為保證重新堆焊后球閥密封面的機械性能，對球閥密封面堆焊的現(xiàn)場實施提出了較高的技術(shù)條件，操作難度較大?？紤]采用與球閥本體材料相近，并與鋁青銅耐磨性能相當(dāng)?shù)鸟R氏體不銹鋼（13%Cr，4%Ni）作為密封面堆焊材料，以降低球閥密封面現(xiàn)場堆焊的技術(shù)要求，減小現(xiàn)場實施的操作難度。

6　結(jié)論

通過對某電站球閥結(jié)構(gòu)以及球閥工作密封漏水導(dǎo)致球閥自激振動發(fā)生機理的研究分析，認(rèn)為導(dǎo)致球閥產(chǎn)生自激振動的主要原因是球閥密封漏水。提出通過更換密封，并重新堆焊密封面的方法徹底解決球閥密封漏水問題。考慮到現(xiàn)場實施因素，建議球閥密封面采用馬氏體不銹鋼（13%Cr，4%Ni）作為密封面堆焊材料。

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