深圳抽水蓄能电站球阀结构及试验工艺分析

杨 昭，顾志坚，陈泓宇

（中国南方电网调峰调频发电公司深圳蓄能发电有限公司，广东 深圳 518115)

0 前言

深圳抽水蓄能电站位于深圳市东北部的盐田区和龙岗区内，距深圳市中心约20 km，是一座日调节的纯抽水蓄能电站。电站的总装机容量1 200 MW，平均水头448.30 m，设4台立式单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机组，单机容量（发电工况）300 MW。枢纽工程由上水库、下水库、输水系统、地下厂房洞室群及开关站等部分组成。输水系统为一管四机，每台机组蜗壳进水口前设置1台球阀。1台机组检修，不影响其他机组正常运行。

深蓄电站4台球阀由安德里茨设计，其中2号、4号由东方电机生产供货，1号、3号由安德里茨生产供货，并对安装调试质量负责。安装由葛洲坝集团机电建设公司完成。由于抽水蓄能电站的特殊性，机组高水头、球阀启停频繁，要求球阀既要有良好的密封效果，又要开关稳定、可靠、迅速，因此有必要对其结构装配及试验等进行深入分析。

1 球阀的主要设计参数

直径：Φ2 300 mm

设计压力7.06 MPa

接力器活塞直径：Φ480 mm

接力器操作方式：水压操作

接力器数量：2

开启时间：40～80 s可调

关闭时间：40～80 s可调

2 球阀主要部件结构特点

球阀安装在引水管下游端的电站厂房内，球阀上游侧设有一个进水接管，进水接管通过两节凑合节与引水压力钢管相连，采用焊接方式相连。下游侧通过伸缩节与蜗壳延伸管相连。

球阀本体由整体的阀体(由分半的左阀体、右阀体铸件焊接为一体)、活门、自润滑轴承及检修密封、工作密封、2个Φ480摇摆式接力器等零部件组成。附属设备有上游连接管、下游伸缩节、球阀充水平压用的旁通阀系统、压力钢管排水管路等。结构见图1。

图1 球阀结构图

2.1 阀体

阀体采用沿水流方向垂直分半整铸而成，材料为铸钢20SiMn。在活门装入两半阀体后，用窄缝焊将分半阀体焊为整体，提高了阀体强度。阀体和活门可以进行同加工，保证了活门上密封环安装面和阀体上止漏环的接触面位置准确，具有可靠的密封性能。这种结构使阀体刚性更好，省略了分半结构阀体中间的分半面法兰，减少了分半面处大量的加工工序，减轻了重量，节约了加工成本。同时使周圈密封加工方便，加工公差易于保证，密封效果好。

2.2 活门

活门采用铸钢20SiMn整体铸造，过流通径与压力钢管相同，并经机加工，以减小通过球阀的水头损失。左右阀轴与活门铸造为一体，提高了活门强度。阀轴和活门不再须用螺栓把合，两阀轴支承中心的距离明显减小，由上游推力产生的作用在阀轴上的弯矩也相应减小，从而改善了阀轴的受力状况。活门支撑采用DEVA自润滑轴承，阀轴与轴承和轴端密封贴合的表面有不锈钢衬套。

2.3 球阀密封

主密封包括上游侧检修密封与下游侧工作密封，由一个T型活动密封环和一个固定密封座组成。活动密封环和固定密封座的密封表面采用数控加工，保证了密封面形状，并且阀体和活门上的密封环安装面采用同加工，保证了同轴度。阀体上与活动密封环相接触的表面堆焊不锈钢层，使工作密封更加可靠，提高了密封性能。密封环采用压力钢管中的水作为操作介质，为了显示密封环的工作情况，安装有检测密封环投入情况的行程开关。

相比惠蓄、广蓄A厂等电站采用的D型密封，虽然D型密封于安装槽完全贴合，具备几何尺寸的稳定性，有抵抗扭矩的能力，但同时D型密封结构存在磨损量小的缺陷（D型底部撑满了密封槽，无压缩空间），D型头部的过盈量磨损消耗后，即会产生渗漏，因此在深蓄电站密封圈的选型上采用组合密封结构，由一个抗磨的聚氨酯环和O形圈组成。同时O形圈提供预紧力，使组合密封具有很大的伸缩性，当阀体与密封环由于受力变形，密封间隙变大时，能起到很好的补偿作用，保证了密封性能。见图2。

根据要求，检修密封还具有投入腔失压后的防开启自锁功能，以及在下游侧无压状态、退出腔建压后的防开启自锁功能。因此相比同类球阀如仙游机组球形阀，检修密封取消了机械锁定，简化了结构。检修密封环同样采用上游压力钢管中的水作为操作介质，手动操作。见图3。

图2 组合密封结构示意图

图3 检修密封结构图

2.4 轴承及其密封装置

轴承及其密封装置由自润滑轴瓦、钢套、U形密封圈、压垫盖等零部件组成。自润滑轴瓦采用德国DEVA公司的BM型轴瓦，具有良好的自润滑性能，摩擦系数低，抗压强度高。轴承共采用两道密封，内侧密封主要是防止泥沙污物进入轴承摩擦表面，但水能透过该道密封而进入轴承表面对轴承起润滑作用。这样可确保轴承的润滑水是清洁的，防止损坏轴承。主要的封水密封位于轴承的外侧，采用进口的U形聚氨酯密封圈，能确保阀轴上无泄漏。在不排空压力钢管，检修密封投入的情况下，可以更换轴承密封。

2.5 球阀操作机构

操作机构接力器的直径为Φ480 mm，行程为1 390 mm，直缸摇摆式结构,额定操作水压为16 MPa，双接力器操作。除去臂柄、支座等连接件，接力器主体全英国进口。接力器的活塞杆通过臂柄与活门轴相连接，接力器的下端盖与支座之间用销轴铰链连接，可自由摆动。接力器操作力通过基础板及地脚螺栓传递给混凝土基础。

2.6 旁通管路

深蓄电站进水阀同惠蓄、清蓄相比一个重要特点就是有旁通阀。旁通管路自进水接管跨阀体连接到下游伸缩节上，由两个Φ250液压操作针形阀组成。球阀开启前，需先通过旁通管路来平衡阀门前后压差。上游针形阀为检修阀门，处于常开状态，当下游侧工作针形阀需要检修时关闭。见图4。

图4 旁通管路结构图

进水阀正常开关：在上游侧检修密封处于全开位置时，打开旁通阀，向蜗壳充水，使活门前、后水压趋于平衡（活门前、后压差不大于30%），然后打开下游工作密封，最后开启活门。活门全开后，关闭旁通阀。正常关闭时，应先关闭水轮机导叶，再转动活门。当活门到全关位置时，关闭工作密封。

3 验收试验问题情况及改进意见

为了检验球阀相关零部件设计的合理性和加工质量，保证球阀工地安装的顺利进行，在球阀总装完成后出厂之前进行球阀装配试验出厂验收。

验收现场球阀装配试验工装设施基本完善，进水接管、中间环、密封环、止漏环、伸缩节、阀体和活门等呈整体装配状态。见证项目为整体压力试验、工作密封漏水试验、检修密封漏水试验、检修密封自锁功能试验、止漏环动作及行程试验、活门动作试验、止漏环和密封环硬度测量、部分装配尺寸等。

3.1 深蓄1号球阀验收情况

2016年11月2日，根据验收检查记录卡试验操作流程在安德里茨装配车间进行1号机球阀整体压力试验，当压力升高至3.5 MPa，打开连通工作密封和阀体内腔的阀门时，在工作密封9点-10点之间位置处出现泄漏，状态为多点流态溢出。安德里茨分析原因为平压操作不当所致，紧急将工作密封投入腔升压至约5.5 MPa后泄漏状态为滴水状，继续升压至10.6 MPa压力。鉴于整体压力试验过程中出现多点流态溢出泄漏，为检查密封面情况，2016年11月3日完成球阀排水后，转动活门检查密封面，主要情况如下：

1）在工作密封3点钟、9点钟附近发现有相对位移引起的擦痕，8点钟位置附近有多处超出密封啮合线宽度擦压痕迹，见图5；

2）阀体内清洁度差，内部有铁屑等异物，见图6。

图5 超出密封啮合线擦压痕迹

图6 阀体内部清洁情况

3.2 原因分析

擦痕及漏水产生的原因如下：

1）泄露试验要求通过泵与阀体及止漏环的投入腔和退出腔接通升压，模拟现场工况。但此升压过程在实际运行操作时是不存在的。首先应在止漏环投入腔加压，保证阀体充水不泄露，然后当阀体充满水时，给阀体加压，当阀体打压升压至与止漏环投入腔平压状态过程中，止漏环投入腔压力会迅速上升，需通过泄压阀控制,如通过手动控制，压降速度与幅度成非线性的变化，结合升压与降压的过程，止漏环与固定密封环在啮合的情况下会在上下游方向反复运动，易造成划伤。一旦产生泄露，阀体与止漏环同时泄压，平压破坏，恶性循环。但在现场实际运行时，不会因为泄露而出现阀体与止漏环同时失压的状态。

2）试验进水孔在底部，止漏环整圈压力不均匀。

3）阀体内部清洁不到位。

4）压力泵内部未清理。

2.青年价值观的含义及其构成要素。世界观给予我们对所处世界的一般性看法，人生观是人们对人生目的、意义的认识和态度。青年价值观是青年人生观的体现，是在具体的人生观的指导下形成、发展的。在我国，青年人生观一般可以分为两类：即无产阶级人生观和非无产阶级人生观。《共产党宣言》中指出：“过去的一切运动都是少数人的或者为少数人谋利益的运动。无产阶级的运动是绝大多数人的、为绝大多数人谋利益的独立的运动”［1］。“为绝大多数人谋利益”由马克思、恩格斯提出，被毛泽东凝练成“为人民服务”，这正是无产阶级政党的宗旨，也是无产阶级人生观概念的升华。

3.3 处理及改进意见

1）更换处理后的固定密封环，重新试验。

2）增加新的齿轮泵。接止漏环投入腔和退出腔。保证止漏环压力稳定。

3）增加止漏环投入腔注水点。

4）采用两套泵，分别对阀体和止漏环投入腔加压，保证压力上升平稳。

5）彻底清理阀体内部。

4 试验数据与有限元计算分析

自2016年10月份至2017年1月份，在安德里茨装配车间分别完成了深蓄球阀1号和3号球阀的工厂验收试验。在试验过程中，测量活门沿下游方向的变形相比于单独的活门的有限元结果基本吻合，对深蓄球阀阀体和活门整体进行了有限元计算，针对变形的问题进行进一步的分析。

4.1 试验、单独活门有限元计算和阀体与活门整体

（1）球阀工厂验收试验放置状态：水平放置在支撑上，投入转臂上的锁锭销。

（2）单独活门有限元计算：由于水压力引起的活门力通过轴套传递到轴承中心点。在中心点施加位移约束Ux=Uy=0,见图7。

图7 单独活门有限元计算

（3）阀体与活门整体有限元计算：考虑活门与推力轴承之间0.4 mm的间隙。其余边界条件依据（1）试验，阀体与活门整体有限元计算见图8。

图8 阀体与活门整体有限元计算

其中阀体与活门整体有限元计算工况:一是阀体与活门与水接触的表面施加7.06 MPa的压力，同时考虑静水压力；二是阀体与活门的重量；三是工作密封投入腔的阀体表面施加8.5 MPa压力，同时考虑工作密封投入腔压力8.5 MPa时，工作密封作用于活门的力。

4.2 计算结果与试验数据比较分析

将试验数据同有限元计算作比较，对比结果见表1。

表1 试验数据与有限元计算结果对比表 单位：mm

根据表1对比结果，我们可以得出以下结论：

1）活门中心水流方向变形的计算结果与1号、3号球阀活门试验测量数据趋于一致。

2）排除锁锭销与销孔间隙引起活门转动的影响（6点变形+12点变形实测值与计算结果比较），1号，3号球阀活门12点和6点位置的变形与计算值趋于一致。

3）通过有限元分析可以看出，在活门中心不同部位架表，变形量的大小不一样，最大、最小变形量差值在0.30 mm左右。因此，百分表架设的部位不一样，其读数会存在一定差异。总体上来说，活门的变形趋势是与有限元分析吻合的。

5 结束语

深圳抽水蓄能电站进水阀采用安德里茨公司成熟设计，东方电机和安德里茨各制造2台，借鉴和吸收了广蓄、惠蓄、仙游、清蓄等运行经验加以改进完善，目前4台进水阀已全部通过出厂验收，其中整体压力试验、检修密封试验、工作密封试验漏水量远小于合同要求0.1 L/min。其设计、制造、验收的成功经验对其他同类电站进水阀有借鉴意义。

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