球阀自激振动原因分析及解决方案

2018-03-31严天豪施一舟

水电站机电技术 2018年3期

严天豪，陈　勇，施一舟

（1.国网新源控股华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江台州 317200；2.安德里茨（中国）有限公司，北京 100004）

1　引言

抽水蓄能电站通常在电力系统中承担调峰、调频、调相以及事故备用等任务，因此，抽水蓄能电站的水轮发电机组较常规机组运行工况更为复杂，工况转换也更加频繁。进水球阀作为抽水蓄能机组实现动水关闭的关键部件，对抽水蓄能机组的安全运行起到至关重要的作用。

近年来，部分抽水蓄能电站在运行过程中出现了球阀密封自激振动现象，个别事故还对球阀密封本体造成了巨大损伤，严重威胁电站机组的运行安全。从后期的事故分析来看，产生水力自激振动的原因大多为球阀密封漏水。本文以某抽水蓄能电站球阀结构为视角，通过球阀密封投入及退出过程工作原理分析，探讨由于球阀漏水产生自激振动的原因，并提出相应的抑制措施，供相关运行管理人员以及科研人员参考。

2　球阀结构

机组球阀通常安装于水泵水轮机蜗壳前，作为水泵水轮机截流装置和紧急关闭装置。为此，当发生紧急情况时，球阀应该能够在不关闭导叶的前提下满流量关闭，以保证机组的安全。

球阀阀体由两部分组成，允许装配阀芯和枢轴。上游侧阀体设有阀芯轴承孔，通过螺栓与压力钢管法兰连接；下游侧阀体焊有两块支撑板，并装有伸缩节，允许阀体有少量位移。该阀体设计通过上游侧法兰连接传递轴向力给压力钢管。球阀阀体的上、下游两部分通过液压拉伸螺栓连接在一起，并通过基础螺栓防止阀体上抬，还在基础板与阀体底脚之间装设有助于平滑滑动的铜板，允许阀体有少量轴向位移。此外，为了便于冲洗和排水，在阀体底部装有排水管和排水阀。

球阀阀芯通过双油压接力器进行操作，球阀的开启和关闭所需油源由压力油罐来保证。在正常情况下，阀门只在阀芯两侧平压后才能开启；在特殊情况下，阀门也可以在非平压条件下开启，但最大不平衡水压压力为静水头的30%。球阀装有两套活动密封系统，均由压力钢管水压操作。在机组停机状态下，阀体下游侧的工作密封处于关闭位置。

3　球阀工作密封投退工作原理

工作密封由固定在阀芯上的不锈钢固定环以及下游阀体内可移动的活动密封环组成，具体结构如图1所示。在阀门关闭位置，密封是通过取自上游侧压力钢管的水压来实现的。只有在阀芯处于关闭位置时才可能投入工作密封。退出工作密封时，由控制阀将工作密封投入腔内的压力水释放，通过作用在活动密封环上的阀体内的水压，密封退出。一旦阀芯离开关闭位置，控制阀将通过凸轮盘和位于阀门右侧的杠杆进行机械锁紧，以确保工作密封不会动作。工作密封活动环的位置由下游侧阀体法兰上的机械指示器显示。

图1　球阀工作密封结构示意图

球阀工作密封的具体投退过程如下。当球阀关闭，阀芯处于关闭位置，通过打开工作密封投入腔供水管阀门，使压力水进入密封投入腔，推动工作密封活动环向阀芯方向移动，最终到达投入位置，使工作密封活动环和固定环紧密贴合，封闭阀芯与阀体之间的缝隙，从而达到密封的作用。若要使工作密封退出，只需切断工作密封投入腔压力水，作用于工作密封活动环上的阀体内压力水将推动活动环向图1中密封退出所指示的方向移动，最终将活动环推离投入位置，密封退出。

4　球阀自激振动过程分析

4.1　自激振动发生过程

某日，01∶06∶29，1号球阀工作密封下发“释放”命令，之后工作密封频繁动作，伴随有金属敲击声音。1号球阀在01∶06∶52因工作密封行程开关感应片松动偏转，释放信号消失。但现场工作密封仍在持续频繁在“释放”与“投入”状态之间动作，整个动作周期大约在360～400 ms之间，其中从“释放”到“投入”之间的动作时间大约为100～120 ms，从“投入”到“释放”之间的动作时间大约为250～270ms。2号机主进水阀工作密封于01∶06∶37开始“释放/投退”，之后也开始频繁在“释放”与“投入”状态之间动作，动作周期和现象与1号球阀类似。

现场运行人员于01∶11关闭1号球阀工作密封投入进水阀，因阀门偏紧未将其关闭。此时观察到1号机球阀工作密封油水切换阀MB40-AA001机构连杆未动作。现场运行人员于01∶13关闭2号球阀工作密封投入进水阀，动作期间也发现2号机球阀工作密封油水切换阀MB40-AA001机构连杆未动作。

2号机主进水阀工作密封于01∶18停止投退，在此之后，1号、2号机主进水阀振动以及工作密封频繁投退现象于01∶18∶30消失，整个球阀自激振动过程停止。

4.2　自激振动产生原因分析

由于机组上游侧球阀密封压力引自其上游侧近处的管道。当球阀渗漏时，如果有一个微小的扰动，引起球阀的渗漏面积减小，由水击的理论可知这将导致上游管道压力的增大；由于球阀密封压力与球阀上游管道近处的水压力同步，因此上游管道处的压力增大将进一步导致球阀密封压力的增大和渗漏面积的减小，于是又导致管道压力的增大。此过程相当于控制系统中的正反馈，管道中的水压力振幅将不断增大，整个管道系统发生自激振动。也可说此时阀门渗漏处呈现柔性阀门特性，这种特性将导致振动迅速发展。

从图1可以看出，正常情况下，球阀工作密封活动环上的密封会将工作密封投入腔与退出腔、退出腔与阀体内压力水之间的水路联系完全隔离。然而，当球阀工作密封运行多年后，密封材料老化导致渗水甚至漏水后，从阀体内压力水或者工作密封投入腔中的水渗漏到退出腔，将会导致原来活动环投入和退出过程中的水压平衡被打破，形成球阀自激振动的激发条件。以下针对图1中密封一和密封二漏水可能产生的自激振动进行具体分析。

（1）投入腔与退出腔之间密封（密封一）

正常情况下，投入腔的压力水取自上游侧压力钢管，当投入腔供水管阀门打开后，由于上游侧压力钢管中的压力水进入投入腔，活动环退出腔内没有压力，因此活动环向退出腔侧移动。若此时密封一旦发生漏水，则投入腔内的水便会流向退出腔，使得活动环在投入过程中所受到退出腔侧的水压越来越大，并逐渐使腔体内水压和退出腔水压之和与投入腔侧水压相当，在最终大于投入腔侧水压后，将推动活动环向投入腔移动，从而中断活动环的投入过程；而退出腔内由于密封漏水所产生的水压在活动环向投入腔侧移动过程中会逐步减小，当腔体内水压和退出腔水压之和小于投入腔水压后，活动环便又会向退出腔侧移动，再次开始工作密封投入过程，开始下一轮的反复。因此可见，当密封一漏水后，工作密封的活动环可能会在投入过程中在投入动作和退出动作之间反复交替，从而产生振动，导致球阀自激振动的发生。

（2）退出腔与阀体内压力水之间密封（密封二）

正常情况下，工作密封投入后，活动环应该封住球阀阀芯和球阀阀体之间的缝隙，将阀体内的压力水封闭在阀体内，不会流至下游管道中。若此时密封二发生漏水，便会使阀体内的压力水渗漏到密封退出腔中，使活动环退出腔侧的水压逐渐增大，最终导致腔体内水压和退出腔水压之和超过投入腔侧的水压，推动活动环向投入腔侧移动，使工作密封进入退出过程。在工作密封退出过程中，退出腔内水压逐步减小，当水压小于投入腔水压后，活动环又开始向退出腔侧移动，重新进入投入过程，开始下一轮的反复。因此可见，当密封二漏水后，工作密封的活动环也会在投入过程中在投入动作和退出动作之间反复交替，从而产生振动，导致球阀自激振动的发生。

从上面的分析可以看出，球阀可能因为工作密封活动环上密封老化或密封面损伤导致的漏水，在执行投入操作过程中，由于密封投入腔和退出腔水压的交替变化，导致活动环在投入和退出的行程中往复交替，进而形成振动，并引起球阀内管路中水压振动，形成球阀自激振动。

5　工作密封漏水的处理措施

球阀密封漏水是管路系统发生自激振动的扰动源，是球阀产生自激振动的根本原因。因此，要根本解决该抽水蓄能电站球阀自激振动问题，就需要解决球阀密封漏水问题，对球阀的密封进行全面修复，其主要的工作断面示意图如图2所示。

图2　球阀工作密封漏水处理工作断面示意图

首先需要更换新的球阀密封，为延长更换后密封的使用年限，考虑到聚氨基甲酸酯（polyurethane，简称PU）作为一种新型的高分子材料，比聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，简称 PTFE）材料的性能更为优良，因此考虑将原来采用PTFE材料制作的密封改为采用PU材料的密封。

此外，需要在下右侧阀体上重新堆焊和加工密封面。阀体原有密封面为铝青铜S-ALBZ8材料，具有良好的减磨性，且在大气、淡水和海水中抗蚀性比较好。但是，由于铝青铜与钢的熔点、热导率、线膨胀系数以及力学性能都有很大的差别，焊接时，低熔点的铝青铜先熔化，而高熔点的钢仍处在固体加热状态，二者难以熔合。焊接过程中接头处会产生较大的热应力，增大裂纹倾向。而铝青铜在焊接过程中容易造成材料中铝的氧化，生成致密而难熔的三氧化二铝薄膜，覆盖在熔滴和熔池表面，进而在焊缝中产生夹渣、气孔和未熔合等缺陷。因此，为保证重新堆焊后球阀密封面的机械性能，对球阀密封面堆焊的现场实施提出了较高的技术条件，操作难度较大。考虑采用与球阀本体材料相近，并与铝青铜耐磨性能相当的马氏体不锈钢（13%Cr，4%Ni）作为密封面堆焊材料，以降低球阀密封面现场堆焊的技术要求，减小现场实施的操作难度。