湖北白蓮河抽水蓄能電站球閥樞軸故障的分析處理

劉 聰，楊紹愛，程利平，王 熙

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北省羅田市 438600）

湖北白蓮河抽水蓄能電站球閥樞軸故障的分析處理

劉 聰，楊紹愛，程利平，王 熙

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北省羅田市 438600）

抽水蓄能電站球閥開啟、關(guān)閉頻繁，其樞軸在動作過程中需承受較大的軸向水推力，故容易損壞。本文介紹了樞軸工作原理，分析了樞軸發(fā)生故障的原因，并且詳細闡述了樞軸軸套更換流程，對國內(nèi)同類電站具有一定的借鑒意義。

抽水蓄能電站；球閥；樞軸

1 前言

湖北白蓮河抽水蓄能電站（以下簡稱蓮蓄電站）位于湖北省黃岡市羅田縣境內(nèi)。電站由上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房、下水庫和地面開關(guān)站等組成。安裝4臺300MW機組，總?cè)萘?200MW。電站以一回500kV線路接入華中電網(wǎng)，承擔(dān)華中和湖北電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、事故備用及黑啟動等任務(wù)。

電站采用一洞兩機的引水方式。機組在每個進水口鋼管與蝸殼延伸段之間安裝球閥，電站球閥過流直徑3500mm，為目前世界上最大直徑的球閥。球閥由球閥本體、旁通管、上游連接管、下游伸縮節(jié)、接力器和基礎(chǔ)埋件等組成。球閥樞軸為橫軸雙密封結(jié)構(gòu)、自潤滑軸套。

電站球閥由法國ALSTOM供貨（韓國堵山生產(chǎn)），葛洲壩機電公司安裝，全部機組于2010年12月投產(chǎn)。

2 球閥樞軸隱患概述

球閥樞軸結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)球閥開啟時，由接力器帶動拐臂做90°轉(zhuǎn)動，由于拐臂與樞軸、鋼套用銷釘連接，故可以帶動樞軸、鋼套轉(zhuǎn)動，樞軸進一步帶動球閥活門轉(zhuǎn)動。當(dāng)活門轉(zhuǎn)動時，鋼套隨之轉(zhuǎn)動，而軸套靜止不動，為避免兩者之間直接摩擦，ALSTOM公司采用了TENMAT公司生產(chǎn)的自潤滑嵌板，分塊用黏結(jié)劑直接粘接在軸套內(nèi)部。

圖1 球閥樞軸剖面圖

由于4臺機組在球閥開啟過程中有不同程度的卡澀現(xiàn)象，并且球閥樞軸密封外緣部位有輕微黑色油狀物質(zhì)流出。為此，經(jīng)過蓮蓄公司與ALSTOM公司協(xié)商溝通，ALSTOM方面承諾為我方提供新型的樞軸軸套及相應(yīng)的專用工具和技術(shù)指導(dǎo)。新軸套由OILES公司制造，采用銅基石墨自潤滑材料鑲嵌的結(jié)構(gòu)，具有自潤滑功能，同時內(nèi)部設(shè)計有8道油槽，用于在安裝檢修初期向內(nèi)部注入特殊潤滑油，增加潤滑性能。經(jīng)過有限元方法進行計算驗證，新的軸套載荷及油槽設(shè)計滿足蓮蓄電站球閥安全穩(wěn)定運行的要求。

3 軸套更換流程

3.1 前期準(zhǔn)備工作

前期工作主要是安全措施的布置、工具的準(zhǔn)備以及檢修平臺的搭建。安全措施方面，將球閥對應(yīng)的流道水流排空，并截斷相應(yīng)的油、水、氣、電回路；工具方面，由ALSTOM提供整套工具（見圖2），在開工前，用煤油對工具進行清洗；平臺方面，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，搭建了用于支撐樞軸的檢修平臺。

圖2 拆裝軸套工具圖

3.2 更換軸套

（1）拆除左岸、右岸接力器與拐臂之間連接銷釘，將接力器固定在平臺支架上。

（2）利用角磨機拆除拐臂銷釘鎖片，利用銷釘拆除工具與千斤頂拆除左岸、右岸拐臂與樞軸連接銷釘，再用75mm敲擊扳手拆除把合螺栓，然后利用橋機拆除拐臂。

（3）依次拆除左岸、右岸銅環(huán)、樞軸密封箱、U型密封。

（4）安裝右岸調(diào)整墊塊、假拐臂，安裝完成后，用5500N·m力矩固定螺栓，假拐臂可卡住樞軸，防止活門在拔出左岸軸套時移位。

（5）安裝樞軸支撐工裝。安裝前，必須將拔環(huán)安裝在工裝上。用5500N·m的力矩擰緊6個M48螺母，將工裝固定在樞軸上。

（6）將千斤頂固定在支撐上，開始起升千斤頂使其接觸到樞軸。碰到樞軸后，繼續(xù)提升，距離達到0.15mm后使千斤頂固定住。使用塞尺測量樞軸與軸襯、軸襯與軸套之間的距離（標(biāo)準(zhǔn)值為0.15mm），保證樞軸、軸襯、軸套同軸，這樣可以減少滑動摩擦，利于軸套拔出。

（7）將兩根特殊雙頭螺桿穿入拔環(huán)并在鋼套上固定，4根M8的螺紋桿穿入拔環(huán)并在軸套上擰緊螺栓。然后通過擰拉拔螺母將鋼套、軸套拔出，在拔出的過程中，用橋機吊住軸套，防止其因重力下垂與鋼套機械摩擦，并隨時用塞尺測量的軸套、鋼套間距，確保鋼套與軸套同軸（見圖3）。

圖3 拔鋼套、軸套示意圖

拔出鋼套、軸套后，在樞軸與球閥本體之間安裝假軸套，防止取下千斤頂后樞軸重心下移。然后移除雙頭螺栓、螺母及千斤頂，松開拔環(huán)，用橋機吊下鋼套、軸套。

采用此方法對4、3、2號機組球閥軸套進行了更換，但是在更換1號機組球閥時，發(fā)現(xiàn)鋼套有銹蝕現(xiàn)象，無法拔出。通過與ALSTOM現(xiàn)場督導(dǎo)討論，改為先拔銅套。銅套拆除較為順利，然后再來嘗試拔鋼套時，仍然不成功，故制定了鋼套拆除的臨時方案。

步驟一：加大拉拔力度，同時使用8根專用拉伸螺桿、4個專用扳手對鋼套進行拉拔。

步驟二：在增大拉拔力度的同時，對鋼套進行加熱使之膨脹，以減小鋼套與樞軸之間的摩擦力，這樣便能相對容易的拔出。

使用加熱墊進行加熱（單塊最高溫度可達160℃，鋼套與樞軸之間溫差大于10℃）拉拔，鋼套有些松動，但是效果不明顯，拆除工作失敗。

鑒于此，采用液壓拉伸工具（見圖4），專用工具安裝在拔環(huán)上后，開始用手搖泵加壓，鋼套有所松動，然后采用電動泵加壓6根螺桿，單根螺桿壓強達75MPa，總壓強達到450MPa，隨著鋼套慢慢出來，相應(yīng)減少螺桿數(shù)量，總壓力也有所下降并基本穩(wěn)定在總壓360MPa，最后100mm左右，壓強才明顯降低，總壓強180MPa，最終將鋼套拔出。

圖4 液壓拉伸工具安裝圖

（8）對鋼套內(nèi)側(cè)、外側(cè)進行打磨，使其光滑平整。根據(jù)機械圖紙，在閥體的相應(yīng)位置鉆6個φ10孔，分別為2個注油孔，2個排油孔和2個排水孔。在新型軸套內(nèi)壁、鋼套外壁涂抹特殊潤滑油，安裝新的O型密封008、009、010、011、012。將軸套套入鋼套后，整體涂上凡士林及3號通用鋰基潤滑脂，裝上壓環(huán)，再將壓環(huán)與軸套、鋼套分別固定，用橋機將整體吊上工裝。用螺桿穿過壓環(huán)直達軸套孔，對稱擰螺母，即可將軸套壓入球閥，同理將鋼套壓入。

（9）左岸軸套更換完成后，將右岸側(cè)的假拐臂換到左側(cè)，將左岸側(cè)的工裝和拔環(huán)換到右側(cè)，更換右岸側(cè)軸套，更換完成后，依次回裝左右U型密封、樞軸密封箱、銅環(huán)、拐臂。

3.3 功能測試

回裝完成后，用手動注油槍將特殊潤滑油從注油孔注入軸套內(nèi)，直到排油孔出油為止，然后對鋼套的密封性能進行加壓測試，具體方法：用手動加壓泵，先在泵內(nèi)裝透平油，然后從拐臂上的加壓試驗孔打油，將油壓打到1MPa，然后保持30min，30min后壓力保持不降，說明鋼套底端的兩道密封裝配合格。

加壓測試完成后，對球閥進行無水測試，測試中，球閥新型自潤滑軸套無卡澀現(xiàn)象，且球閥接力器有桿腔和無桿腔壓力在球閥開啟過程中與歷史數(shù)據(jù)一致，球閥開啟和關(guān)閉時間與更換前的歷史數(shù)據(jù)相同。無水測試完成后，對流道、轉(zhuǎn)輪和蝸殼進行充水，在水輪機及相關(guān)部件滿足運行條件后，進行靜水測試。通過測試，液壓旁通閥、接力器液壓鎖定、三通閥及相應(yīng)的電磁閥動作情況正常，球閥開啟和關(guān)閉時間和無水測試的時間基本一致。

最后對相關(guān)機組進行啟機測試，測試過程中，球閥無卡澀現(xiàn)象，球閥開啟和關(guān)閉時間及接力器有/無桿腔壓力與歷史數(shù)據(jù)一致，均滿足設(shè)計要求。至此，球閥樞軸軸套更換工作完成。

4 原因分析及防范措施

湖北白蓮河、河南寶泉、廣東惠州抽水蓄能電站機組球閥全部由法國ALSTOM設(shè)計并供貨。其中，寶泉2號機組球閥、惠州5號機組球閥均發(fā)生過軸套永久卡死，導(dǎo)致球閥不能開啟的重大故障，而通過此次對白蓮河抽水蓄能電站4臺球閥軸套的更換發(fā)現(xiàn)：4號機組球閥出現(xiàn)軸套自潤滑嵌板剝落（見圖5），1、2、3號機組軸套自潤滑嵌板有不同程度的磨損，1號機組球閥左岸鋼套與樞軸之間有拉傷（經(jīng)查明，為工廠組裝過程中，鋼套和樞軸之間的間隙沒調(diào)整好所致）。

圖5 4號機組球閥原軸套內(nèi)襯

圖6 新軸套內(nèi)襯

根據(jù)分析，發(fā)生樞軸卡死的原因如下：

（1）抽水蓄能電站球閥開啟頻繁，軸套承受的作用力大。

蓮蓄公司球閥運行方式為靜水開啟、動水關(guān)閉。當(dāng)球閥關(guān)閉時，活門前后的最大作用力出現(xiàn)在上庫最高水位、下庫最低水位的時候，即上下壓差為217m時。此時，活門作用在軸套上的力為18180kN。在動水關(guān)閉過程中，由于水錘的影響，作用在軸套上的力會更大。

（2）軸套與自潤滑嵌板黏合度不夠。

自潤滑嵌板的膠合過程需要經(jīng)過加工和噴砂、涂黏結(jié)劑、軸套黏接固化、檢驗等過程，對壓力和溫度有非常高的要求，ALSTOM公司2012年對TENMAT軸套生產(chǎn)過程調(diào)查發(fā)現(xiàn)，后者在軸套粘接固化和檢驗方面存在不足，導(dǎo)致部分軸套自潤滑嵌板黏合度不夠。

（3）ALSTOM公司設(shè)計缺陷。

蓮蓄公司球閥原樞軸采用普通的滑動軸承，并且ALSTOM公司沒有設(shè)計注油孔對鋼套與軸套之間進行注油，導(dǎo)致軸套、鋼套之間摩擦系數(shù)變大，使得自潤滑嵌板在球閥動作過程中容易脫落。

對惠州和寶泉抽水蓄能電站故障樞軸進行檢查，發(fā)現(xiàn)軸套平壓孔被堵死，導(dǎo)致軸套外部的壓力增加使軸套箍死樞軸而損壞自潤滑嵌板。

針對上述原因，有以下防范措施：

1）密切監(jiān)視球閥開啟時間，嚴(yán)格執(zhí)行球閥靜水開啟、動水關(guān)閉的規(guī)定。在運行工況下，卡死一般只發(fā)生在開啟過程，因為開啟閥門時，所需的力矩應(yīng)大于摩擦力和活門重量所產(chǎn)生的力矩；關(guān)閉球閥時，所需的力矩應(yīng)大于摩擦力矩和活門重量力矩之和減去水力矩。

2）改進TENMA軸套的生產(chǎn)控制過程，或者改用其他形式的軸套；對當(dāng)前軸套做無損探傷，改進檢驗過程；增加樞軸平壓孔數(shù)量，防止平壓孔被異物堵塞；球閥本體上增加進油孔、排油孔，以便向樞軸與軸襯之間注潤滑油（新軸套內(nèi)襯見圖6）。

蓮蓄公司3號、4號機組球閥樞軸改造于2013年11月完成，1號、2號機組球閥樞軸改造于2014年3月完成，目前均運行良好。

5 結(jié)束語

目前，抽水蓄能電站建設(shè)正處于快速發(fā)展時期，隨著一批高水頭、大流量、大容量抽水蓄能電站的建立，必將會生產(chǎn)一批大直徑的球閥，由此也會產(chǎn)生一系列的安裝、運行、保養(yǎng)等技術(shù)問題。蓮蓄公司球閥作為目前世界上直徑最大的球閥，其維護、檢修工藝對其他同類型水電站具有十分重要的借鑒意義。

[1] 楊聚偉，許國華，張成華，李想.白蓮河抽水蓄能電站球閥密封損壞原因分析與處理.水力發(fā)電，2012，38（7）：77-79.

[2] 張海江，何開周.毛兒蓋水電站進水球閥幾個關(guān)鍵技術(shù)問題的處理.四川水力發(fā)電，2013，32（3）：121-123.

[3] 陳春華.蒲石河抽水蓄能電站進水球閥典型問題分析及處理.城市建設(shè)理論研究，2014，13.

劉 聰（1987—），男，助理工程師，從事抽水蓄能電站機電運維工作。E-mail: 674291044@qq.com

The Analysis and Treatment of Trunnion Damage in Bailianhe Pumped-Storage Power Station

LIU Cong ,YANG Shaoai ,CHENG Liping ,WANG Xi
（Hubei Bailianhe Pumped Storage Co. Ltd.，Luotian 438600,China）

The opening/closing action of ball valve is frequent in pumped storage power station，and its trunnion withstands greater axial thrust during the process，so it is easily damaged. This article describes the working principle of the trunnion，and analysis the reasons of the Malfunction. It also elaborates the replacement procession of the trunnion bushing and the treatment has a certain significance for similar power plant in China.

pumped-storage power station; ball valve; trunnion