蝴蝶阀漏水问题的处理和分析

沈春峰

(中国华电工程(集团)有限公司,北京 100035)

0 引言

大港水电站位于福建省宁德市,是七都溪流域的第 5级电站,为引水式地面厂房,厂址位于拦河坝下游 4 km处,引水隧洞长度为 986m,压力钢管长度(至#2蝴蝶阀前端位置)为 121m。水电站设计水头 81m,最高水头 87.5m,最低水头 76m。电站装机容量 2×7MW,1998年11月正式投入商业运行。

水轮机进水主阀为双平板式卧轴蝴蝶阀,型号是 PDF100-WY-150,主要参数为:直径,1 500 mm;设计最高静水头,100m;升压水头,143m;通水流量,10.07m3/s;正常操作油压,2.5MPa;最低操作油压,1.48MPa;摇摆式接力器直径,350mm;关闭时间 ,小于 2min。

1 问题的提出

2003年8月1日,由于水库水位较低,#2机组长时间不开机,为减少水轮机导水机构导叶的漏水量,18:05,值班人员去现地手动关闭#2机组蝴蝶阀。在关闭过程中,发现蝴蝶阀按正常关闭流程动作结束后,在尾水管进入门处和水机室内仍可听到较大而清晰的水流声,这说明该主阀没有完全关闭而出现了漏水现象。经技术人员现场检查发现,接力器的锁定装置没有正常投入到位,锁定装置的阀轴与锁定块内孔中心之间还有近20mm的错位。此后经多次远方自动和现地手动关闭试验,均发现存在这种问题。

由于该电站为引水式电站,且为有压引水,压力引水系统较长,却又未装设事故快速闸门,而是把水轮机蜗壳前端的蝴蝶阀作为事故闸门,所以,蝴蝶阀在电站机组的日常运行中具有重要作用,要求其在机组紧急停机时必须能及时关闭。但若蝴蝶阀在关闭时发生较大的漏水,就失去了应有的作用,会导致事故时机组转速降不下来,延长停机时间,可能使事故扩大化,故其故障已对电站设备的安全、可靠、稳定运行构成严重威胁。

2 处理过程和原因分析

由于该电站蝴蝶阀前端没有装设事故快速闸门,在钢管充满水时蝴蝶阀后端漏水量很大,无法对其进行排空后进入内部检查,因此,该问题的检查和处理经历了一个比较漫长和复杂的过程,经过多次处理才找到真正原因。

2.1 第 1次处理

发现问题后,刚开始测量对比发现接力器活塞杆未全关到位,查阅相关图纸后,怀疑是活塞在缸体内运行时有卡阻,或有可能是活塞杆与活塞连接处的固定螺母松动所致。由于固定螺母在阀体内无法看到,于是决定先用 5 t的千斤顶顶在活塞杆套头与摇臂连接处,试着加力帮助蝶阀活门的关闭,但完全没有效果,排除了卡阻的可能性。

进一步全开、全关蝴蝶阀测量接力器活塞杆行程变化,发现恰为设计行程 601mm,这说明固定螺母也未发生松动。

综合分析后,初步判断有以下几种可能性:

(1)阀体内双平板活门周围的实心橡胶密封圈(中硬夹布橡胶)在全开时被水中杂质(如泥沙、石块等)冲刷,加之水流在活门处产生紊流的长期作用,使之磨损严重;

(2)活门与阀体内壁相接处有异物(如水中的漂浮物)卡滞;

(3)连接活门与阀体的长短阀轴上的固定锥销脱落,活门跑位或活门周围的密封压板螺钉松脱等。

针对这些猜测,当时计划从蝶阀下游侧的进入门进到内部进行检查,于是检修人员打开蜗壳排水阀来放空里面的存水,放水经历了约 10h,排水阀的出水量仍不见变小,检修人员试着打开蜗壳进入门上的几颗螺栓后即有水喷出。由于漏水量较大,无法进行进一步检查,只好放弃。

2.2 第 2次处理

2004年7月29日,为了彻底查明原因以消除安全隐患,借着对引水系统进行检查的机会(按照相关规程和文件的要求,引水系统的引水隧洞和压力钢管到了检测的年限),在关闭引水隧洞进水口工作闸门、排空引水隧洞和压力钢管内的存水后,打开了蜗壳进入门进入蝴蝶阀内部进行检查,结果发现活门及其周围的橡胶密封圈基本完好,活门与阀体内壁相接处无异物,连接活门与阀体的长短阀轴上的固定锥销固定良好,从而排除了第 1次处理时的怀疑因素。

对其进行开关试验,在无水情况下开关均能到位,未发现任何间隙,锁定也能正常投入,全关后充水也无漏水现象。但在引水系统充水结束且水压平衡后,在有压情况下蝴蝶阀竟无法开启,用千斤顶等辅助工具也没用,只好再次对引水系统进行排空操作,然后在开启#2蝴蝶阀状态下(#2机组水轮机导叶已全关)对引水系统进行充水,但漏水原因最终没能查清楚。

2.3 第 3次处理

2005年1月3日,对#2机组扩大性检修时,在引水系统排空后,检修人员对活门进行了认真、详细的检查和处理。为了在特殊情况下不对#1机组的正常发电造成影响,特意定制了 1个和蝶阀配套的封堵头备用。

2.3.1 检查结果

(1)双平板活门上的橡胶密封圈表面已磨损掉一层,表面粗糙不堪,呈颗粒状,有的地方已开裂,并出现细小的缺口。

(2)在对活门与阀体接触的斜内壁部分用磨光机打磨,将脏物、锈迹打磨干净后,与#1蝴蝶阀进行开关比较,关闭前在 2台蝶阀阀体的斜内壁理想关闭位置处做相应的记号。比较发现,#1蝴蝶阀全关后活门顶部与理想的垂直位置向上游侧有20mm左右的倾斜,而#2蝴蝶阀全关后活门顶部向下游侧有5mm左右的倾斜。由此可知,由于接力器底板安装高程偏低,导致#2蝴蝶阀关过头了。

2.3.2 处理过程

根据偏移情况,经测算,决定在接力器底板下两侧各垫 6mm厚的紫铜垫片。垫好后在无压(水)情况下进行开关试验:油压为 2.35MPa时全关后余11mm;油压为 1.5MPa时余 13mm,后缓慢关至11mm;当活门在油压为 1.5MPa以上时全关过程中动作灵活平稳,无卡阻。全关后用塞尺检查,活门与阀体内壁接触部分基本无间隙,用 0.05mm的塞尺已塞不进去了。这说明该处理结果已基本达到相关规范和标准的要求,只是由于较长时间未充水,关闭时橡胶密封圈与阀体内壁摩擦发出较大的“吱吱”声响。

引水系统充水完成后,在全关状态下压力钢管内的水压上升至 0.6MPa时,靠活门长轴一侧内壁有小股水流出。24h后检查,漏水情况明显减少,仅有“滋滋”的水声和微量水渗出。经测量,漏水量已远小于设备厂家的要求(2.46 L/min),更远远小于相关国标的规定。另经测量,活门顶部距理想状态位置余 10mm。

3 分析及处理

该电站蝴蝶阀漏水的处理过程再次说明了控制安装质量的重要性。在安装过程中,安装技术人员的责任心、意识、经验及工程监理人员的责任心、知识、质量控制要点和土建基础件预埋时高程偏差控制等都不容轻视。

3.1 发展过程

(1)蝴蝶阀刚开始投入运行时,由于橡胶密封圈是新的,外观完好、弹性也好,即使关过了也能保证不漏水。同时,由于阀体内壁清洁、光滑,摩擦阻力很小,水轮机导叶漏水量也小,全关过一些也能正常开启,其活门的实际动作情况就被忽视了。

运行多年以后,阀体内壁出现不同程度的锈蚀、积垢,内径相应变小,摩擦阻力增大,水轮机导叶漏水量也增大,关闭时间相应延长。此后,活门在关闭过程中的动作有了一定的迟滞,尤其是在即将全关阻力最大的时候,但自动控制回路中相关继电器的动作并没有设定一定的延时,结果在指示蝴蝶阀全关状态的继电器刚一动作,活门实际上还没有完全关到位时,投入锁定的继电器就紧跟着马上动作了。

(2)由于反映蝴蝶阀活门位置的限位开关的行程开关支架是用较小的扁铁做的,强度不够,当反映活门全开全关位置的行程开关碰到随摇臂一起运动的拨杆时,被拨杆抵住而动作,由于拨杆转动的力很大,长此以往,行程开关支架容易发生移位,隔一段时间就需要调整其位置。

(3)在蝶阀的开关过程中,由于经常性地挤压、摩擦,加上全开时水流中杂物的冲刷,长此以往,活门的止水橡胶围带不可避免地受到损伤,发生老化、磨损、开裂,尽管它在实际工作中所承受的最高静水头为 88.5m,小于设计的最高静水头,但也逐渐出现渗水并一步步发展为漏水。尤其是在汛期行洪期间,水中夹杂有大量的石块、粗砂等异物,与在阀体中央的活门周围的橡胶密封圈发生碰撞,更加大了擦伤的可能性。

(4)在蝴蝶阀的安装过程中,接力器锁定位置的确定是在活门的全开全关位置确定之后才定位的,既然刚开始在活门关闭状态下,接力器锁定可以正常投入,说明该问题并不是一开始就有的,而是有一个渐进的过程。据了解,在机组每年的常规小修时,运行人员多采用手动关闭蝴蝶阀的方式,期间也曾发生过全关或全开后锁定装置未完全投入的现象,但都是差一点儿。在处理时,检修人员大都是采用在锁定块两侧螺栓孔处增加数量不等的弹簧垫圈的办法改变锁锭阀轴的运动方向,使锁定杆能顺畅地插入锁定块,没有去细想出现这种现象的深刻原因。

3.2 安装中可能存在的问题

由于接力器活塞杆行程一定,摇臂的转动角度(90°)一定,活门的运动行程也一定(也是旋转90°),若活门全关过头,那么在全开状态下就必然没有真正到水平位置,这样就与水流方向有一定的夹角,必然会增大水流阻力,进一步增加了水力损失。可见,安装时如何保证活门全开、全关位置的准确性是关键。在实际工作中往往存在以下可能性:

(1)安装人员在进行设备安装时,活门在全开情况下是否恰好在水平位置要借助于相关仪器(如方型水平仪等)进行判断,肉眼观察易出现误差。对于中小机组,由于压力钢管体积小,阀体内空间狭小,工作人员转身困难,在其内工作需要弯腰和爬行,极其不方便,且最多能容纳 3人,再加上照明亮度不够,往往影响安装精度。

(2)根据 SDJ 249.3—1988《水利水电基本建设工程单元工程质量评定标准》(试行)的规定,在蝴蝶阀安装的单元工程中,对阀体中心、阀体水平度及垂直度、活门关闭时间隙、接力器水平度及垂直度和动作试验(无水)的要求较高,均为影响单元工程整体质量的主要检查项目(即主控项目)。其中对盘形阀密封面间隙的要求是:合格为不超过 0.05mm,优良为不超过 0.02mm。对动作试验(无水)的要求是:动作平稳,活门在全开位置的开度偏差不得超过±1°。但在实际的安装工作中,由于 0.02mm的塞尺偏软,易发生卷曲,使用不方便,故安装或检修人员进行测量工作时多用 0.05mm的塞尺代替,靠个人的手感及遇到的阻力大小来判断,有意无意地降低了安装的精度。

3.3 安装和检修建议

由于蝴蝶阀本身就存在全关状态时易漏水的缺陷,减少其漏水量成了考核安装质量高低的重要指标之一。

(1)安装时,除了在全开时用方形水平仪进行校准外,在全关情况下,可通过在阀体斜内壁上最理想关闭位置(斜内壁与直内壁交接线处)上、下各画线作记号,然后用一精度较高(如精确到 0.5mm等)的钢板尺测量确定活门的垂直度是否在允许范围之内,并根据活门实际关闭位置距记号线的距离来确定接力器底板的高度。该法比较方便、精确且易于分析判断。当然,2种方法相互配合,可进一步提高安装质量。

(2)活门开度偏差按要求不应超过 ±1°,但为负偏差时,即蝴蝶阀关过后,会导致开启时摩擦力和阻力过大,如果再加上活动导叶漏水量大,上下游压力不平衡等因素,在扭矩不够大时,就可能导致蝴蝶阀活门无法开启。对该电站来说,#2蝴蝶阀全关后活门顶部向下游侧仅有 5mm左右的倾斜,尽管远小于安装和验收规范的要求(针对该电站经换算后小于 13mm即可),但一段时间后也不能正常开启了,因此,尽量以正偏差为好。

(3)对#1蝴蝶阀来说,活门顶部向上游侧有 20 mm左右的倾斜,已大于安装和验收规范的要求了,建议有机会对其进行适当的调整,以延长橡胶围带等的使用寿命。

3.4 防范措施

为了保证蝴蝶阀能有好的工作状态,除了严控安装质量外,在日常运行中还应做好以下几个方面的工作:

(1)限位开关的动作机构采用牢靠的固定支架,行程开关采用防水、抗振、测量稳定、动作可靠性高的产品;

(2)经常性地检查各密封部分渗漏情况,发现异常及时处理;

(3)定期对蝴蝶阀阀体内壁、活门及其密封压板等进行除垢、除锈,并喷涂新型耐磨、防锈结垢材料等维护工作;

(4)定期进行开关检测,以防锈蚀卡紧而在紧急停机时操作失灵;及时更换橡胶密封圈,对阀体两端轴承定期加注黄油等;

(5)定期检查并调整导水机构活动导叶相关间隙,尽量减少漏水量,使蝴蝶阀前后压力更接近于平衡。

4 结束语

经过 3年多的运行,#2蝴蝶阀再未出现明显的漏水情况,说明该处理方法是正确的。为了处理该缺陷,对引水系统进行了 3次充放水,浪费了大量的时间、人力和物力,仅放空引水系统弃掉的水量就少发电约 5686 kW·h。鉴于蝴蝶阀活门上的密封圈老化、磨损严重,部分地方已开裂,且已接近自然寿命,安全性已大为降低,建议择机更换,并尽量选用优质的高弹性、耐久性的橡胶密封圈,提高止水的效果和使用寿命。同时,建议通过进一步完善蝴蝶阀开关自动控制回路,更换行程开关及固定支架等,提高蝴蝶阀工作的可靠性。