水电机组调速器分段关闭阀连接座密封换型

段水航

（三峡集团公司中国长江电力股份有限公司向家坝电厂，四川 宜宾644612）

混流式巨型水轮发电机组机械部分主要由水轮机、发电机、调速器3部分构成，其中调速器液压系统为控制机构，操作接力器和导水机构，进而控制活动导叶开关，实现机组负荷的调节。调速系统机械部分又包括若干个子系统，主要有油压装置系统、主配压系统、分段关闭系统、事故配压系统及接力器组成，通过这些系统的相互协同，很好实现了机组的正常开停机、事故状态下的紧急停机以及正常运行时机组负荷调整等操作。

国内某巨型电站水轮发电机组由于受水工结构、引水管道及机组转动惯量等因素的影响，要求调节系统导叶接力器在紧急关闭时，具有多段关闭规律特性。分段关闭装置能够按照拐点位置的设定实现不同的机组关闭规律。分段关闭系统主要由分段关闭阀、行程阀、液控换向阀和拐点控制机构等部分组成，机组采用三段关闭规律，第一段关闭时间通过调节主配压阀活塞达到调节时间的目的，第二段关闭时间通过调节分段关闭装置调节螺杆实现，第三段关闭时间通过接力器本身自带的节流装置实现。

1 调速系统内漏问题的发现

国内某巨型电站调速器油压装置系统油泵单元组由3台大油泵和1台小油泵组成，机组正常运行情况下，由小油泵长期运行为系统提供压力油，当系统油压低于6.1 MPa时，大油泵启动为系统充油补压至6.3 MPa。机组备用期间，当压力油罐油压降至6.0 MPa以下时，大油泵启动为系统充油补压至6.3 MPa。机组备用期间，调速系统内漏量和压油泵启动频次直接相关，并成正比。2017年度机组备用期间，调速器压油泵启动频次在不同时段呈现出较大的差异性，最高频次为4次/d，最低频次为0.3次/d。

机组调速系统内漏量计算：无内漏情况下，油罐油位从压力为6.3 MPa时的1 860.5 mm下降至6.0 MPa时的1 759.5 mm，用时约44 h，压油罐内截面积为4.52 m2，算得系统漏油量为10.38 L/h；存在内漏情况下，油罐油位从压力为6.3 MPa时的1 890.5 mm下降至6.0 MPa时的1 739.0 mm，用时约4 h，压油罐内截面积为4.52 m2，算得系统漏油量为171.2 L/h。

2 调速系统内漏原因分析

2.1 内漏部位查明

为查出调速系统内漏量在不同停机时段呈现出较大差别性的原因即内漏部件位置，机组停机检修中，对调速系统事故配压阀、隔离阀、分段关闭阀等插装阀（液压插装阀的密封因本身结构设计的原因易出现老化，而造成渗漏）进行打压试验，事故配压阀、隔离阀均未出现渗漏现象，分段关闭阀打压至下控制腔时（见图1），出现较严重的内漏现象，压力5 MPa时，内漏量约为2.3 L/min，表明分段关闭阀连接座下部密封出现破损。内漏部件位置可确定。

图1 调速系统分段关闭阀打压示意图

由于连接座和分段关闭阀阀体之间有上下2层密封，摩擦阻力较大，为将连接座顺利拔出，制作专用拆除装置，并获得国家实用新型专利（专利授权公告号：CN 208584495 U）。连接座拔出后，发现分段关闭阀连接座下部密封呈现“蛇形”（见图2）。连接座损坏的密封规格为：φ190×5.3的O型密封圈，矩形密封槽尺寸规格为：4.6 mm×9.0 mm，见图3。

图2 分段关闭阀连接座O型密封

2.2 分段关闭阀内漏原因分析

2.2.1 分段关闭阀连接座下密封受压情况

1）机组正常运行，导叶开度大于60%条件下，连接座下密封双向受压（见图4），上部受压6.1～6.3 MPa，下部受压 5～7 MPa（压力为接力器开腔压力，有压力脉动，且压力脉动的交变和脉冲较明显）。

图3 分段关闭阀连接座密封槽尺寸

图4 连接座下密封承压情况图示

2）机组正常运行，导叶开度小于60%条件下，连接座下密封单向受压（见图5），上部受压0 MPa，下部受压5～7 MPa（接力器开腔压力，有压力脉动，且压力脉动的交变和脉冲较明显）。

结论：机组正常运行时，导叶开度区间为50%～80%（机组分段关闭拐点为60%），机组在此开度范围内运行时，分段关闭阀上部辅助活塞经常切换油路，连接座下密封受压情况多变，对O型密封的稳定性和耐久性有较高要求。

图5 连接座下密封承压情况图示

2.2.2 分段关闭阀连接座下密封尺寸及沟槽尺寸选型分析

查《GB3452.3-2005-T液压气动用O形橡胶密封圈_沟槽尺寸》，线径为5.3 mm的径向静密封，不加挡圈时的沟槽宽度为7.1 mm（见图6），而实际连接座下密封槽宽度测量为9.0 mm，比设计值大1.9 mm。连接座下密封承受不规则交变和脉冲的压力变化，密封圈被反复拉伸，弯曲，并产生永久变形，最终形成“蛇形”，造成内漏。分段关闭阀辅助活塞上下往复运动时，“蛇形”密封回位后所保持状态不同，造成分段关闭阀内漏量的较大差异。

图6 O型圈径向静密封沟槽宽度尺寸

b：O型圈沟槽宽度（无挡圈）；b1：加1个挡圈的O型圈沟槽宽度；b2：加2个挡圈的O型圈沟槽宽度。图中单位：mm。

3 优化方案提出及比选

3.1 采用O型密封的选型

3.1.1 连接座上、下密封O型密封圈尺寸选型

目前连接座下密封沟槽尺寸为：4.6 mm×9.0 mm，考虑到沟槽尺寸不能缩小，只能增大的实际问题。查《GB3452.3-2005-T液压气动用O形橡胶密封圈_沟槽尺寸》，缸内径d4为200 mm（不考虑公差），采用一般用途的O型密封圈（G系列）标准，选定通用尺寸线径d1为7.0 mm时，O型密封内径应选为185 mm。

连接座上、下O型密封圈建议选用型号为：O型密封圈185×7-G-N-GB/T3452.1-2005。

3.1.2 连接座上、下密封O型密封圈沟槽尺寸选型

查《GB3452.3-2005-T液压气动用O形橡胶密封圈_沟槽尺寸》，线径d1为7.0 mm的活塞径向静密封，无挡圈时的沟槽宽度为9.5 mm，连接座原矩形沟槽宽度为9.0 mm，需把上、下密封沟槽宽度各增加0.5 mm。

查GB3452.3-2005-T，线径d1为7.0 mm的活塞径向静密封，沟槽深度为5.85 mm。国标中备注说明：密封槽深度（t）考虑O型橡胶密封圈的压缩率，允许活塞密封沟槽深度值按实际需要选定。

查国标中液压气动静密封压缩率曲线，线径为7.0 mm的液压气动静密封圈的压缩率（W）范围为10.5%～24%。结合实际应用中，活塞径向静密封承受压力脉动时，O型密封的压缩率取低值（W=10%～15%）。压缩率W可取原O型密封圈压缩率13.2%，计算得出，密封沟槽的深度t为6.07 mm。

连接座上、下O型密封矩形沟槽建议选定尺寸为：9.5 mm×6.07 mm。可将原连接座上、下密封沟槽重新加工。

图7 O型圈液压、气动静密封压缩率曲线图

结论：连接座上、下O型密封圈建议选用型号为：O型 密 封 圈 185×7-G-N-GB/T3452.1-2005，对应矩形沟槽尺寸为：9.5 mm×6.07 mm。密封材料可选用邵氏A70-A75中等硬度的丁腈橡胶或氟橡胶。

3.2 O型密封和挡圈组合优化方案

挡圈是挤压型密封件（如O型密封圈）的补充，使用挡圈的目的是减少O型圈低压侧的间隙，以增加密封效果。当压力仅从一侧施加时，在O形圈的下游侧安装1个挡圈即可满足密封要求，当O型圈承受来自双侧压力时，必须使用2个挡圈，见图8。

图8 O型圈和挡圈组合形式图示

结合前述分段关闭阀连接座下O型密封受压变化情况，可在O型密封的上侧加1个聚四氟乙烯材质的开口挡圈，和原φ190×5.3的O型密封圈配合使用，原矩形沟槽尺寸满足使用要求，不需重新加工。

3.3 哑铃型密封换型方案

分段关闭阀连接座的上部辅助活塞控制管路经常切换油路，连接座密封两侧受压情况多变，并承受不规则交变和脉冲的压力变化，针对此种结构存在的密封内漏问题，设计一种哑铃型密封结构。

哑铃型密封件在工程机械液压领域有应用，主要用于动活塞径向密封，但在水电站液压系统中目前无应用。哑铃型密封件和O形圈或O形圈/挡圈组合形式相比较，具有耐挤压、耐扭曲、寿命长的特点。

首先利用有限元软件分析了分段关闭阀内漏部位密封结构在两侧压力交变情况下的接触变形和应力分布，并研究哑铃型密封结构的密封原理，认为哑铃型密封件在存在压力交变和压力脉动的部位，其使用特性完全优于O型密封圈。和O型密封圈相比，哑铃型密封件具有非常耐扭曲、使用寿命长、非常耐挤压、便于安装等优点，而且哑铃型密封件完全适用于O型圈的密封沟槽，适用性强。在中、高压力场合，哑铃型密封用于压力脉动和压力交变的静态液压密封件，各种特性完全优于O型密封圈。

采用聚氨酯材料的哑铃型密封件可很好的解决原连接座O型密封受冲击、弯曲，造成内漏的问题，并可依据原矩形沟槽尺寸定做合适的哑铃型密封件，见图9。

图9 哑铃型密封件应用图示

3.4 上述三种方案的比选

（1）所述方案中的O型密封和矩形沟槽均需定做或重新加工，工序较繁琐，且在机组检修工期短的情况下，O型密封和矩形沟槽的尺寸配合问题不能一次性解决，而矩形沟槽一旦加工，难以恢复，具有较大风险性。

（2）所述方案中，O形圈和挡圈组合使用主要用作静态高压密封件，这种组合密封件在装配时存在一定的风险，因为O形圈有可能扭曲，挡圈的位置有可能不是最佳。这种解决方案在有压力脉动和脏物侵入的情况下也表现出缺点，而分段关闭阀连接座下密封需要承受不规则交变、脉冲的压力变化，密封件受压情况复杂，同时承受接力器传导来的压力脉动，不能从根本上保证O型密封扭曲、呈“蛇形”的问题。此方案完全解决问题的概率较低。

（3）所述方案中，哑铃形密封件作为单个元件的静态液压密封件，和O形圈或O形圈/挡圈组合形式相比较，具有耐挤压、耐扭曲、寿命长的特点，可以作为理想的替换品。

综合考虑，选择（3）所述方案。

4 总结及建议

2017～2018年度的机组岁修中，将哑铃型密封应用于电站8台机组，至2019年3月，全部机组运行约1年期间，跟踪调速系统自启动时间间隔和压油泵启动时间间隔，均明显延长。所有机组分段关闭阀哑铃型密封换型成功后，同周期内，压油泵启动次数明显减少，回油箱油温稳定值明显降低，机组自用电能明显降低，节能、降耗作用较大。解决了插装阀在多功能应用的情况下，O型密封圈弯曲变形的问题，同时分段关闭阀新的哑铃型密封的可靠性和有效性得到了充分检验。