天荒坪抽水蓄能电站球阀轴承异常磨损分析及建议改造方案

郑 凯，张亚武，楼 勇，Casper Vogt-Svendsen，许立刚，姜泽界，曾 辉，顾希明，李永耀，张忠良

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江省湖州市 313302；3.挪威睿博有限公司，挪威 Kjeller；4.杭州睿博水电科技有限公司，浙江省杭州市 311215）

天荒坪抽水蓄能电站球阀轴承异常磨损分析及建议改造方案

郑 凯1，张亚武1，楼 勇2，Casper Vogt-Svendsen3，许立刚4，姜泽界2，曾 辉2，顾希明2，李永耀4，张忠良4

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江省湖州市 313302；3.挪威睿博有限公司，挪威 Kjeller；4.杭州睿博水电科技有限公司，浙江省杭州市 311215）

针对天荒坪进水球阀出现轴承钢套异常磨损的问题，分析其发生该异常磨损的原因，提出可行的处置方案并进行分析比较，最后筛选出较优的建议改造方案，同时对该处理方案需要注意的事项提出了建议。

水电站；进水球阀；轴承

0 引言

进水球阀是抽水蓄能电站的重要设备，其运行状况的优劣对整个电站机组的安全运行有着重要的影响，而作为在运行中承受力最大的球阀轴承成为球阀发生故障最多的部件，本文通过对天荒坪进水球阀轴承异常磨损的深入分析并提出相应的改造方案，为蓄能电站进水球阀的类似故障处理提供借鉴。

1 工程概述

天荒坪电站共安装 6台通流直径为 2m的球阀，其设计压力为 887m水柱。自运行以来每台球阀的开关次数已超过1万次。近年来，由于多台球阀的轴承盖和压圈处均出现漏水现象，经拆卸轴承盖检查后发现两侧轴承钢套（见图1序号3）与阀体接触环面（直径Ф820mm）出现不同程度的磨损，并在上游侧出现了间隙（见图2）。磨损使得原2道径向安装的密封圈（见图1序号9）失效。运行单位及时将该2道密封采用1道轴承端盖压紧面上的O形密封圈代替，有效地解决了轴端盖漏水的问题。但由于磨损也导致了阀轴在关闭位置时由于上游水压的作用产生水平方向上向下游侧移动，使轴承主密封U形密封圈（见图1序号8）安装腔尺寸发生了变化。虽已对U形密封圈进行了数次更换但收效不大，无法从根本上解决轴承压圈处的漏水问题，且随着运行次数的增加，漏水量有增大的趋势。为此，运行单位也采取了临时性消缺措施，于2012年在轴承钢套与阀体轴承孔之间设置了6个20mm的圆柱销，以限制运行时轴承钢套与阀体接触环面产生相对转动，同时在新的轴承盖上做出偏心结构，以适应阀轴实际的位置。在设置圆柱销后，电站对其磨损情况进行了进一步的检查，检查发现该处的磨损没有进一步的扩展。

虽然磨损没有进一步扩展，但已磨损的区域已经改变了球阀工作密封的投退距离，2号球阀在球阀检修密封投入、工作密封退出及压力钢管充水情况下测量得到工作密封环与中间环圆周间隙为（8个测点 mm）：1.35、1.30、1.0、0.49、0.30、0.80、1.65、1.61，其最小间隙为0.30mm，而随着机组的运行，序6轴套与序5轴衬间会出现正常的磨损，而该磨损会导致上述间隙值进一步减少。其后果是安装于活门上的工作密封与中间环头部干涉，导致密封环的损伤。

该磨损使活门上密封环的位置发生了改变，这种改变会影响球阀密封的效果，将导致球阀在全关时的漏水量增加，也会使密封更容易损坏。

由于临时性的消缺措施没有修正轴承的位置，因此球阀是在非正常的状态下工作，同时由于6个圆柱销的存在，轴承钢套拆卸会比较困难。如果需要更换球阀轴衬，实际工作中会导致检修工作时间的不可控。

基于上述原因，需要找出造成轴承钢套与轴承孔异常磨损的原因，并提出从根本上解决上述问题的解决方案。

图1 球阀轴承简图Fig.1 Ball bearing diagram

图2 轴承钢套磨损情况Fig.2 Bearing steel bushing wear

2 轴承异常磨损原因分析

通过检查发现，在球阀关闭检修密封投入的情况下，轴承钢套和阀体接触环面异常磨损后出现的最大间隙位于上游侧水平位置。因此可以认为，异常磨损发生在全关位置或接近全关的位置。基于这种分析，在对球阀的应力应变进行分析时，考虑了以下几种工况：

（1）进水球阀关闭。

（2）进水球阀平压。

（3）进水球阀平压后开始开启。

制造厂在设计时，由于轴承钢套外径较大，考虑的是采用摩擦阻力使轴承钢套保持不动，因此有必要对摩擦力矩进行分析，以评估该设计在天荒坪电站进水球阀上是否合适。

2.1 进水球阀关闭工况分析

球阀活门处于全关位置，工作密封投入，阀体内部及活门上游侧（止于工作密封）承受6.673MPa的水压，活门下游侧承受0.687MPa的水压。

通过进一步分析发现，在阀门全关时，其轴衬的最高应力为125.3MPa，轴衬材料选用的是DEVA BM11 CuSnPb8213/8E，其滑动层的抗压强度为320MPa，可以满足使用要求。由于此工况为轴衬最大的受力工况，因此在后面的计算中将不再关注该应力。

在阀门全关时的轴衬位置，活门沿水流方向的最大位移分别为-0.87mm和-1.02mm。因此在轴衬位置，阀轴的变形量为0.15mm，而轴衬的尺寸为680（+0.125/0）mm，阀轴的尺寸为680（-0.29/0.37）mm，其最小间隙为0.29mm，远大于阀轴的变形量，由于活门在全关时承受最大的水推力，阀轴在这个工况下变形最大。因此在后面的计算中可以忽略阀轴变形的影响。

在全关位置时，阀体最大的向内变形尺寸为0.28mm，活门最小的向内变形为0.36mm。因此在此工况下，轴承钢套与活门之间的轴向间隙略有增加。

从以上分析可知，在这种工况下，轴承钢套应不会出现异常磨损。

2.2 进水球阀发电工况下静水开启，平压情况应力变形分析

球阀活门处于全关位置，旁通阀打开，工作密封脱开，阀体内部及活门均承受6.673MPa的水压。

按照设计图，活门与推力垫圈之间的间隙为0.2～0.4mm，分析时设定其间隙为0.2mm。通过分析发现，在平压时0.2mm的轴向间隙完全消失，垫圈表面的压应力最高为7MPa。

在这种工况下，轴承孔直径沿水平方向缩小0.14mm，在垂直方向增大0.56mm。

如果垫圈与活门接触，当活门转动时，轴承钢套上就有一个与活门转动方向相同的力矩，可能带动轴承钢套旋转。

同时由于阀体在承受内压后的变形，阀体上的轴承孔尺寸变大，导致轴承钢套与阀体轴孔的配合变松，这也可能是导致轴承钢套异常磨损的潜在原因。

2.3 发电工况下静水开启，开始开启的工况应力变形分析

球阀活门处于全关位置，旁通阀打开，工作密封脱开，阀体内部及活门均承受6.673MPa的水压。按开启时力矩平衡考虑，接力器的操作力为606473N。

通过分析发现，在开始开启时，轴承底部区域0.2mm的轴向间隙完全消失，垫圈表面的压应力最高为12MPa。

轴承孔直径沿水平方向缩小0.15mm，在垂直方向增大0.59mm。

可以发现，这个工况存在着与第二种工况相近的问题。

2.4 摩擦力矩分析

图1中序3轴承钢套外径为820mm，序5轴衬内径为680mm。轴承钢套与阀体的材料均为钢，按照文献[1]中第29篇摩擦学设计中的推荐，钢与钢之间的静摩擦摩擦系数为0.15，动摩擦系数为0.10。序6轴衬材料选用的是DEVA BM11 CuSnPb8213/8E，按照FEDERAL MOGUL公司样本的推荐，结合不同的工作工况，其摩擦系数的变化范围是 0.11～0.18。

假定序3轴承钢套与阀体之间的摩擦系数为0.1，外圈不转动，按照力矩平衡方程，序5轴衬与序6轴套之间的摩擦系数不得大于0.12。如果轴承钢套与阀体之间的摩擦系数按中间值0.125考虑，则序6轴衬与序6轴套之间的摩擦系数不得大于0.15。如轴承钢套与阀体间的摩擦系数按0.15考虑，则序6轴衬与序6轴套之间的摩擦系数不得大于0.18。

通过上面的有限元分析，可以看到序3轴承钢套与阀体之间存在较大的间隙。该区域接触表面的粗糙度较好且达到Ra3.2，而装配时该间隙采用油脂润滑以利于装配，转动时该区域充满水，润滑条件较好。因此可以认为轴承钢套与阀体之间的摩擦系数较小，该摩擦系数不足以可靠地使轴承钢套与阀体保持不转动。

3 大修可选方案

针对天荒坪轴承出现的问题，必须采取措施以限制轴承钢套的转动。同时由于阀体轴孔已经磨损，因此必须对球阀进行大修，以解决上述问题。对此，建议采用以下两种方案。

（1）方案一：为限制转动，可将轴承钢套和轴承盖做成一体，如图3所示。由于阀体上轴承孔已经磨损，其轴承孔直径由820mm扩大为835mm（见图3）。

（2）方案二：仍按原方案将轴承钢套和轴承盖做成分开的两个零件，但轴承钢套和轴承盖之间装入平键限制轴承钢套的转动，如图4所示。由于阀体上轴承孔已经磨损，其轴承孔外径由820mm扩大为835mm（见图4）。

图3 轴承大修方案一Fig.3 Bearing overhaul plan 1

图4 轴承大修方案二Fig.4 Bearing overhaul plan 2

4 方案比较

由于阀体上轴承孔已经磨损，则需要加大轴承孔的尺寸，而且对于方案一来说，轴承盖与轴承钢套连接成一体，上述方案改变了阀体和活门的受力情况。因此需要对阀体和活门的强度做出分析。

阀体和活门按以下几种工况进行分析：

（1）活门处于关闭位置，工作密封投入。

（2）上下游平压，活门处于关闭位置，工作密封脱开，接力器加压（阀门开始开启的工况）。

（3）制造厂在设计压力下进行试验的工况。

（4）制造厂在试验压力下进行试验的工况。

（5）检修密封投入时的工况，对于方案二，考虑投入检修密封后，拆去轴承盖的情况。

4.1 强度比较分析

通过有限元分析，发现上述两种方案各工况下的应力水平见表1。

表1 不同工况下的应力水平Tab.1 The Stress level under different working conditions

从上述两种方案有限元分析的结果可知，阀体的应力水平较低，活门的峰值应力较高，但仍在ASME VIII允许的范围。因此，上述两种轴承大修方案，从应力的角度均能满足使用要求。

4.2 方案综合比较分析

虽然从应力角度看，上述两种改造方案均能满足要求，但从疲劳寿命的角度看，活门的应力水平较高。按照ASME标准，活门的寿命与阀体相比，其寿命更短。因此，为保证阀门在设计上有较长的寿命，则首先需要考虑活门有较长的使用寿命，从这个角度看，方案二活门的应力水平较低，方案二优于方案一。

从电站日常维护的角度看，方案一如果轴承钢套上的密封损伤造成漏水，必须需要通过引水钢套排水才能检修。而方案二的密封设置在轴承盖上，如果该密封损伤，则只需要通过投入检修密封和尾水闸门，排空阀体内的水就可以检修。

从以上两点看，方案二优于方案一，如果需要对轴承进行大修，建议采用方案二。

5 修复方案执行时的关注点

为保证修复后的球阀能满足各种运行工况的要求，对球阀的修复，需要关注以下几点：

（1）在球阀拆去密封装配和轴承装配后，必须对球阀高应力区域（阀轴根部及阀体上分半焊缝）进行无损检测，以消除潜在的缺陷。

（2）需采用工装保证活门和阀体上工作密封安装环面保持同心，同时按照设计值调整活门与阀体的相对位置。测量检修密封侧活门与阀体的同轴度，以及密封环安装面与阀体法兰平面的距离，检验活门与阀体的相对位置。

（3）调整阀体与活门的相对位置，使阀体轴承孔与阀轴保持同心，以阀轴的中心为基准进行轴孔的加工。

（4）加工后必须进行压力试验、漏水试验和动作试验，以验证产品是否满足要求。

6 结束语

在设备的运行过程中，与其他部件相比，进水球阀的轴承是比较容易产生问题的部件。因此在设计阶段，必须充分考虑球阀的受力情况、轴承的应力水平、阀轴的应力水平、轴衬的类型等因素，避免在运行阶段带来潜在的风险。

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]葛军强.凑合节在球阀安装中若干问题的研究[J].水电与抽水蓄能，2016，2（2）：25-27.GE Junqiang.The Research on some Problems of Adjuster of Steel Pipe during Spherical Valve Installation[J].Hydropower and Pumped Storage，2016，2（2）：25-27.

[3]胡栋，龙庆亮，陈侠.华东桐柏抽水蓄能电站1号机组球阀密封投退失灵原因分析及处理[J].水电与抽水蓄能，2015，1（4）：70-74.HU Dong，LONG Qingliang，CHEN Xia.The Working Failure Analysis and Treatment of the Seal of the Inlet Valve in East China Tobai Pumped Storage Power Co.Ltd.Unit[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（4）：70-74.

[4]刘聪，杨绍爱，程利平，王熙.湖北白莲河抽水蓄能电站球阀枢轴故障的分析处理[J].水电与抽水蓄能，2015，1（4）：65-69.LIU Cong，YANG Shaoai，CHENG Liping，WANG Xi.The analysis and Treatment of Trunnion Damage in Bailianhe Pumped-storage Power Station[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（4）：65-69.

[5]QINA Fei，et al.，Flowmeter Automatic Verification System Based on Virtual Instrument[A].United States：Institute of Electrical and Electronics Engineers，2010.4256-4260.

[6]李长胜，董政淼，罗胤.蓄能机组泵工况启动过程中球阀动水力矩分析[J].水电与抽水蓄能，2016，2（2）：42-45.LI Changsheng，DONG Zhengmiao，LUO Yin.Analysis on MIV Hydraulic Torque During Pumped Storage Unit Startup Under Pump mode[J].Hydropower and Pumped Storage，2016，2（2）：42-45.

[7]李润春，王露纲，刁志昆.GIS组合电器的安装工艺及关键控制要点[J].电力建设，2010，31（1）：（37-39，44）.LI Runsheng，WANG Lufang，DIAO Zhikun.GIS Combined Electrical Apparatus Installation Technology and Key Control Points[J].Electric Power Construction，2010，31（1）：（37-39，44）.

Bearing Abnormal Abrasion Analysis and Repair Soluation for Main Inlet Valve of Tianhuangping Pump Storage Power Station

ZHENG Kai1，ZHANG Yawu1，LOU Yong2，Casper Vogt-Svendsen3，XU Ligang4，JIANG Zejie2，ZENG Hui2，GU Ximing2，LI Yongyao4，ZHANG Zhongliang4
（1.State Grid XinYuan Company LTD，Beijing 100761，China；2.North China Tian Huangping Pumped Storage Power Station Company LTD，Tianhuangping 313302；Norway Rainpower ASA，Norway Kjeller； Rainpower Hangzhou company LTD，Hangzhou 311215）

This article analyze the abnormal abrasion on bearing of main inlet valve for Tianhuangping Pump Storage Power Station.Two repair proposals to be raised and analised.The better solution has been selected based on analysis and cautions has been given for fixed solution on workshop.

hydro Power Station；main Inlet Valve； bearing

TV738 文献标识码：A 学科代码：570.3520 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.004

2016-8-23

郑 凯（1982—），男，本科，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站水力机械设备技术管理。E-mail：18032155099@189.cn

张亚武（1973—），男，本科，高级工程师，水电站（含抽蓄）运维检修管理。E-mail：yawu-zhang@sgxy.sgcc.com.cn

楼 勇（1973—），男，本科，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站水力机械设备技术管理。E-mail：louyong1109@126.com

Casper Vogt-Svendsen（1956—），男，挪威籍，硕士，机械工程科学研究，曾参与鲁布革、天荒坪、三峡等项目的水电建设，主要研究方向：技术和风险控制的管理工作。

许立刚（1971—），男，本科，工程师，一直从事水电站进水阀门设计。E-mail：roger71@qq.com

姜泽界（1981—），男，本科，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站水力机械设备运维管理。E-mail：thppjeremy@126.com

曾 辉（1975—），男，本科，高级工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站水力机械设备技术管理。E-mail：thpyjbzh@163.com

顾希明（1982—），男，本科，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站水力机械设备运维管理。E-mail：1924843474@qq.com

李永耀（1965—），男，本科，高级工程师，主要研究方向：水（泵）轮机研究设计工作。E-mail：yongyaoli@vip.qq.com

张忠良（1968—），男，本科，工程师，主要研究方向：水力设计、机械设计和市场营销工作。E-mail：447253365@qq.com