抽水蓄能机组进水球阀上下游密封活动环密封选型研究

郑 智，胡广恒，黄 坤

（1.南方电网调峰调频发电公司广州蓄能水电厂，广东省广州市 510950；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761）

抽水蓄能机组进水球阀上下游密封活动环密封选型研究

郑 智1，胡广恒1，黄 坤2

（1.南方电网调峰调频发电公司广州蓄能水电厂，广东省广州市 510950；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761）

本文介绍了广州蓄能水电厂二期机组进水球阀的结构和工作原理，以及自投产以来上下游密封活动环密封损坏的问题。从活动环密封的材料、结构到日常运行状况几个方面分析了问题产生的原因，重点介绍选型研究和改造后效果。

活动环密封；内漏；选型

0 引言

广州蓄能水电厂（以下简称广蓄）位于广东省广州市从化境内，整个电站分两期建设，一、二期工程分别安装4×300MW可逆式抽水蓄能机组，单机容量（发电工况）300MW，总装机容量2400MW。一期（称A厂）工程于1994年全部建成，四台机组命名为1～4号机组。二期（称B厂）工程于1999年全部建成，四台机组命名为5～8号机组。一、二期工程于2000年3月全部投产。8×300MW机组投产后，已成为当今世界最大的抽水蓄能电厂。

1 B厂球阀的作用

可逆式抽水蓄能机组在启动、停机操作上都灵活方便，在电网峰荷时放水发电，在低谷负荷时利用系统多余的电能抽水，在电网中起到了调峰填谷的积极作用，使系统中的各种电站的负荷趋于均匀，提高了整个电力系统的经济运行。

广蓄电站是高水头、长引水管道、采用一洞四机引水方案的大型抽水蓄能电站，在水轮机蜗壳前必须设置球阀，其作用如下：

（1）开停机时开启或关闭球阀，开通或关断水流。

（2）机组检修时隔离机组与上游水道，保证检修安全与其他机组的正常运行。

（3）当机组发生故障时关闭球阀，截断水流，防止发生飞逸事故。

（4）投产初期，用做未投产机组压力钢，迅速管的堵头，保证厂房安全。

2 B厂球阀结构

球阀为横轴式双密封结构，主要球阀阀体、接力器和拐臂、延伸管和伸缩节、阀芯、轴颈和轴瓦、上下游密封等组成。

上下游密封由嵌入阀体内侧空腔内的活动密封环与相邻阀芯上的固定密封环组成。当球阀关闭时，通过来自上游钢管的水产生的压力，使不锈钢活动密封环在嵌入阀体的铝青铜表面滑动，使其接触或分离固定密封环，从而起到投、退密封的目的。

球阀上、下游侧各有一套密封。上游密封为检修密封，手动投退，带有机械锁锭装置。其作用：

（1）当需要检修下游密封或阀芯轴封时，投入上游密封及其锁锭装置，无需排空上游水道。

（2）当机组转动部分需维护或需进入尾水管时，投入上游密封及机械锁锭，作为安全隔离措施。

下游密封为工作密封，自动液压操作。其作用：机组停机时，在球阀关闭后，该密封投入，密封上游水道漏水，减少水量损失。

3 设备状况及存在问题

广蓄B厂机组投产时，厂家原设计的球阀上游密封活动环密封均采用O形Chem-ring结构（即包氟 O形圈，由一个硅胶或 Viton 胶制的内芯和相对较薄的 Te flon PFA外覆组合而成）。该密封的设置目的为形成上游密封投退密封腔，实现水压控制上游密封投退的功能。

建厂时选用的O形Chem-ring结构密封存在使用寿命不稳定的问题。在机组安装初期（2000年），8号球阀安装期间就曾发生因该密封断裂，而不得不排空上游水道检修更换的事件。2003年B厂上游水道刷环氧维护期间更换了5、6号机上游密封活动环密封。2014年11月，B厂6、8号机运行中检查发现存在球阀上游密封存在窜水现象。由此可见，该密封寿命不可控，短则在安装期间立即损坏断裂，长则使用11年失效窜水，甚至也有使用15年仍完好的情况。

分析问题原因。密封的使用环境分为静密封、动密封两类，动密封又可细分为圆周方向转动、轴线方向往复运动。分析可知，广蓄球阀上游密封活动环密封的使用环境即为轴线方向往复的动密封环境。进一步分析，因O形的Chem-ring结构密封截面为圆形，在方形的密封安装槽内结构稳定性差，故在轴线方向往复运动时易发生局部扭转。扭转程度轻则造成偏压、偏磨，导致密封窜水；扭转程度严重至超出其弹性回复力上限，则会在扭转处发生拉伸断裂。而扭转是否发生、扭转的严重程度则是偶然性事件，由此造成了密封寿命的不可控。

综上，广蓄B厂现用的O形的Chem-ring结构密封存在设计缺陷，密封寿命的不可控，造成了上述故障断裂、窜水。需对B厂球阀上游密封活动环密封的结构形式进行改造，同时改善密封材料，目的是将密封使用寿命维持在一个较长期的稳定值。

4 选型设计

经过选型分析，计划采用H-ECOPUR（耐油、耐水、耐磨聚氨酯）密封材料，特殊D形密封结构形式GK35-PH，实施球阀上游密封活动环密封的技术改造。可行性论述具体如下：

4.1 密封结构型式比选

常用的球阀活动环动密封形式如图1所示。本技改计划使用密封结构（c）实施技改。

图1 常用球阀活动环动密封形式

密封结构（a）为B厂原用密封结构，使用同结构的还有改造前的天荒坪抽蓄。O形密封结构作为静密封使用时，压缩性好，密封性强；但不适合作为动密封使用。

密封结构（b）结构为20世纪90年代至21世纪初的众多抽蓄电站设计应用，如广蓄A厂、惠蓄、清蓄等。D形密封与安装槽完全贴合，具备几何尺寸的稳定性，因此有抵抗扭转的能力；但同时该结构存在可磨损量小的缺陷（D形底部撑满了密封槽，无压缩空间），D形头部的过盈量磨损消耗后，即会产生渗漏。

密封结构（c）为21世纪至今的众多抽蓄电站设计应用，顶部换为宝塔形的亦包含在此类。如蒲石河抽蓄、仙居抽蓄、回龙抽蓄，及实施技术改造后的天荒坪抽蓄。该结构为D形密封的改进型，继承了抗扭转能力；同时，因其底部预留了可供压缩、回弹的空间，故该结构密封不仅可依靠密封本身的过盈量，还可以通过密封本身的弹性进行补偿，达到延长密封使用寿命的效果。

密封结构（d）也为当今众多抽蓄电站所应用。上部为蝶形结构（也有长方形等），主体类似D形，继承了抗扭转能力。其下部设置了O形密封圈（一般为丁腈材质），目的是提供更好的弹性补偿，使得密封预计使用寿命更长。但由于密封（d）采用组合结构，故需要活动环具备更深的密封安装槽。而广蓄活动环密封安装槽设计较浅，若换用密封（d）结构，根据估算需将安装槽至少车深约2.5mm。如此活动环最薄处将仅剩32mm，使得活动环整体强度、抗变形能力变差。该方案需对主设备进行结构变更，对设备安稳运行影响较大。综上所述，随着水力水电行业的发展与实践，参照水电站球阀活动环密封技术的逐步改造完善的经验，密封（c）结构为当前最为合理、最符合广蓄改造需求的结构。

4.2 密封材料参数比选

常用的球阀活动环动密封材料可分为包氟O形圈、丁腈橡胶、聚氨酯三种。本技改计划采用的H-ECOPUR（耐油、耐水、耐磨聚氨酯）密封材料由两家国外公司总部针对水电行业设备特性共同开发，并由其中一家原厂加工生产，专门应用于水电站主进水阀的聚氨酯密封材料。其设计初衷即为取代水电设施中的橡胶材料密封。对比密封材料性能如表1所示。

因广蓄水温处于16～35℃，且呈碱性，因此上述材料的热性能、耐化学性能均满足使用需求，重点在于机械性能的对比。而包氟O形圈作为一种组合型密封材料，性能介于丁腈橡胶、氟橡胶之间。

由表中参数对比可见，H-ECOPUR聚氨酯的材料性能是全面优于包氟O形圈、丁腈橡胶的。具体表现在：

（1）抗拉强度、断裂伸长率值高。该材料作为动密封使用时不易被翻转、扭断。

（2）撕裂强度高。该材料密封接触面不易受摩擦力剪切而产生脱层，可确保使用寿命稳定。

（3）弹性回复率高。密封性能好，在密封槽内滑动时可根据密封槽尺寸的细微变化而回弹，保证在整个动密封槽内均能保持较好的压缩余量。

（4）磨损量低。即摩擦系数低。该密封材料的启动压力小，不易与相配合的金属表面发生黏结。在经历较长时间的静止后，再次动作时不会发生因密封黏结固定部件而局部撕裂脱层。特别使用于球阀上游密封这种长期静止、偶尔动作的工况。而且磨损量低，必然会使得设计使用寿命增长。

表1 H-ECOPUR聚氨酯与常用的丁腈橡胶、氟橡胶的性能参数对比表

5 改造后的运行情况

广蓄B厂四台机组球阀系统于2015年12月完成大修，使用了上述H-ECOPUR（耐水、耐磨聚氨酯）密封材料，采用特殊D形密封结构形式GK35-PH，实施了球阀上下游密封活动环密封的技术改造，从实际运行情况来看，活动环投退腔打压试验无发现漏水，上下游密封投退试验中活动环动作顺畅，机组调试期间球阀上下游密封正常动作，设备运行状况良好。

6 结束语

通过以上选型改造，总结出大型水力发电机组的进水球阀上下游密封活动环密封在设计过程中应引起足够重视的两点为：①必须选取耐水及耐磨性较好的密封材料；②必须选取结构形式较优的密封形式。通过不断的探索和努力，广蓄对B球阀上下游密封活动环密封进行了改进，取得了一定的成效。希望本文能为在建或待建的水力发电机组的进水球阀相关设计提供参考。

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[2]杨平，张延智，王世魁.小浪底水电站6号机组筒阀系统更新改造［J］.水电与抽水蓄能，2016，2（3）：34-37.

[3]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.

[4]张鹏，等.小浪底水电站机组筒阀系统更新改造［J］.水电与抽水蓄能，2015，1（1）：86-90.

郑 智（1979—），男，大学本科，工程师，主要研究方向：水轮发电机组运行维护与检修。E－mail：talentzz@qq.com

胡广恒（1982—），男，大学本科，工程师，主要研究方向：水轮发电机组运行维护与检修。E－mail：huguangheng@qq.com

黄 坤（1984—），男，大学本科，高级工程师，主要研究方向：水轮发电机组运行维护与检修。E－mail：kun-huang@sgxy.sgcc.com.cn

Study on Type Selection of the Sealing Moving Ring on the Spherical Valve Upstream and Downstream Seal in Pumped Storage Units

ZHENG Zhi1，HU Guangheng1，HUANG Kun2
（1.CSG Power Generation Company Guangzhou Pumped Storage Power Station，Guangzhou 510950，China; 2.State Grid Xinyuan Co.，Ltd.Beijing 100761，China）

This paper introduces the spherical valve in the GPSPS’ phase Ⅱ Units structure and working principle，and since it was put into operation on the sealing moving ring on the spherical valve upstream and downstream seal damage.The causes of the damage are analyzed from the aspects of the material，the structure of the sealing moving ring and the daily operation; focus on the type selection and transformation effect.

sealing moving ring;Internal leakage;type selection