仙居电站球阀移动密封环刚强度分析与改进

姜铁良， 刘晶石

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

仙居电站球阀移动密封环刚强度分析与改进

姜铁良， 刘晶石

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

针对仙居电站水电机组球阀关闭后出现的漏水问题，利用ANSYS有限元软件建立了球阀内的移动密封环及其相关部件的整体受力分析模型，分析了球阀漏水的根本原因，提出了将移动密封环与活门密封座之间的接触方式由原来的线线接触改成线面接触的改进方案。分析结果表明，仙居电站水电机组球阀漏水原因是移动密封环与活门密封座之间的接触方式设计不合理，采用线面接触的方式来增加接触宽度，能够很好地解决球阀关闭后机组的漏水问题。

球阀；移动密封环；ANSYS；接触；漏水

在水电站中，球阀作为水轮机组的关键设备,对机组的事故保护及机组检修安全有着重要作用[1,2]。仙居电站2号机组在运行中发现球阀关闭、移动密封环投入使用后出现了漏水现象。国内外专家和学者对球阀和密封环漏水问题的研究都集中在加工和安装调试方面，并没有对球阀和密封环的设计理念以及运行过程中出现的问题进行深入的研究[3-5]。为了查找仙居电站2号机组球阀漏水的真实原因，本文以仙居电站2号机球阀为例，利用ANSYS有限元软件建立了球阀内的移动密封环及其相关部件的整体受力分析模型，旨在准确找出造成球阀漏水根本原因，避免今后同类水轮机组出现类似的情况。

1 有限元分析

1.1 有限元模型的建立

本文采用ANSYS14.0版本，球阀密封结构如图1所示。在图1中取移动密封环、活门密封座、游离法兰、部分阀体的轴截面作为力学模型，采用轴对称单元PLANE183进行有限元网格划分。在移动密封环与活门密封圈、移动密封环与游离法兰、移动密封环与阀体之间的接触面上建立接触单元，有限元模型如图2所示。模型的收敛准则是两次迭代结果相差不超过0.1%。

1.2 边界条件和计算工况

边界条件：

1) 约束活门密封座与活门接触面上节点的所有自由度。

2)约束连接螺栓分布圆上节点的轴向自由度。

1-游离法兰；2-螺栓；3-投入腔；4-移动密封环；5-阀体；6-活门密封座

图2 球阀移动密封环有限元计算简化模型图

由于检修密封工况比工作密封工况差，因此本文计算主要分析了检修工况。在检修密封投入活门关闭时，阀体、游离法兰和移动密封环承受最大静水压力为5.53MPa，投入腔内的压力为5.53MPa。

1.3有限元计算结果分析

根据ASME标准，其材料性能及许用应力如表1所示。

有限元计算结果如表2所示，接触应力与压力如图3、图4所示。

表1 密封部件材料特性表

表2 有限元计算结果

图3 球阀移动密封环与活门密封座接触压力图

图4 球阀移动密封环与活门密封座应力图

通过有限元计算结果可以看出，移动密封环和活门密封座之间的接触压力值达到了550.7MPa，Mises应力值为372.6MPa，远远超过了许用平均应力150MPa，这就导致移动密封环出现了塑性变形，即移动密封环和活门密封座之间出现了缝隙，不能封住水，这就是球阀漏水的根本原因。球阀移动密封环与活门密封座接触压力大是因为设计方案中移动密封环和活门密封座接触处均是一个圆弧线，两者实际上是通过线线接触的方式来实现密封的，会造成接触宽度太小(接触宽度仅有2.4mm)，出现了较大的应力集中。

2 改进方案的有限元分析

2.1 改进方案有限元模型的建立

为了降低两个部件之间的接触压力，需要增大接触宽度，可以尝试将两个部件的圆弧线均改成直线，使之变成面面接触，这样可以增加接触宽度，这个方法的缺点是对加工以及安装精度要求比较高，不能保证完全实现。可以将移动密封环的圆弧线改成直线， 移动密封座依然采用圆弧线， 这样就实现了线面接触，不但可以增加两个部件的接触宽度，而且可以保证加工和安装的便利性。原方案与改进方案对比如图5所示，改进方案的有限元模型建立，边界条件、计算工况、材料属性均与原方案一致，有限元分析得到的结果如表3所示，应力图如图6、图7所示。

图5 原方案与改进方案对比图

表3 有限元计算结果

2.2 改进方案有限元计算结果分析及改造效果

通过表2和表3的有限元计算结果对比可以看出，在改进设计方案之后，在移动密封环和活门密封座在压力不变的情况下，两个部件之间的接触宽度明显增加，接触压力和Mises应力明显减小(相当于原方案的1/5)，并且均小于150MPa，改善效果非常显著，改进的设计方案保证了移动密封环不再发生塑性变形。根据本文提出的改进方案的有限元分析方法对仙居2号机组进行了重新设计加工，机组的运行情况良好，没有再出现漏水现象。

图6 改进方案球阀移动密封环与活门密封座接触压力图

图7 改进方案球阀移动密封环与活门密封座应力图

3 结 论

本文利用ANSYS有限元软件建立了球阀内移动密封环及其相关部件的受力分析模型，指出了仙居电站2号机组球阀漏水的根本原因，并提出了改进方案，得出了以下结论：

1)移动密封环与活门密封座之间的接触压力和Mises应力过大是导致移动密封环产生永久性变形的根本原因。

2)移动密封环与活门密封座之间的接触方式对接触压力影响显著，因此建议采用线面接触的方式来增加两者的接触宽度，以降低移动密封环与活门密封座接触压力和应力。

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[4] 杨聚伟,徐国华,张成华,等. 白莲河抽水蓄能电站球阀密封损坏原因分析与处理[J]. 水力发电,2012,38(7):77-79. YANG Juwei, XU Guohua, ZHANG Chenghua, et al. Cause analysis and treatment of spherical value seal damage in Bbaiianha pumped-storage power station[J]. Water Power, 2012,38(7): 77-79.

[5] 朴春光. 韩国青松抽水蓄能电站球阀结构特点[J]. 大电机技术,2007(4):42-44. PIAO Chunguang. Main structure feature for spherical valve of CHEONGSONG pump storage power stations in Korea[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine, 2007(4): 42-44.

(编辑 侯世春)

Analysis and improvement of mobile sealing ring stifness and strength of spherical valve in Xianju power station

JIANG Tieliang，LIU Jingshi

(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040，China)

Aimed at the water leakage problem when spherical valve of Xianju hydroelectric unit is closed, the mobile sealing ring in spherical valve and the whole analysis model of its related components are established by the ANSYS finite element software. the reason of the spherical value leakage is expounded and the improved scheme is proposed which is to change the contact form from line-to-line to line-to-area between mobile sealing ring and valve sealing ring. The analysis result shows that the reason of water leakage problem lies in the unreasonable design of contact form between mobile sealing ring and valve sealing ring. While adopting the line-to-area contact form can increase the contact width which helps to well resolve the water leakage problem when the spherical value of the unit is closed.

spherical valve; mobile sealing ring ; ANSYS; contact; water leakage

2016-11-04；

2017-02-15。

姜铁良(1988-)，男，工程师，从事水轮机大部件的结构分析和水电机组的现场振动测试分析工作。

TM621.25

B

2095-6843(2017)02-0181-03