天荒坪抽水蓄能電站球閥軸承異常磨損分析及建議改造方案

鄭 凱，張亞武，樓 勇，Casper Vogt-Svendsen，許立剛，姜澤界，曾 輝，顧希明，李永耀，張忠良

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100761；2.華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江省湖州市 313302；3.挪威睿博有限公司，挪威 Kjeller；4.杭州睿博水電科技有限公司，浙江省杭州市 311215）

天荒坪抽水蓄能電站球閥軸承異常磨損分析及建議改造方案

鄭 凱1，張亞武1，樓 勇2，Casper Vogt-Svendsen3，許立剛4，姜澤界2，曾 輝2，顧希明2，李永耀4，張忠良4

（1.國網新源控股有限公司，北京市 100761；2.華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江省湖州市 313302；3.挪威睿博有限公司，挪威 Kjeller；4.杭州睿博水電科技有限公司，浙江省杭州市 311215）

針對天荒坪進水球閥出現軸承鋼套異常磨損的問題，分析其發生該異常磨損的原因，提出可行的處置方案并進行分析比較，最后篩選出較優的建議改造方案，同時對該處理方案需要注意的事項提出了建議。

水電站；進水球閥；軸承

0 引言

進水球閥是抽水蓄能電站的重要設備，其運行狀況的優劣對整個電站機組的安全運行有著重要的影響，而作為在運行中承受力最大的球閥軸承成為球閥發生故障最多的部件，本文通過對天荒坪進水球閥軸承異常磨損的深入分析并提出相應的改造方案，為蓄能電站進水球閥的類似故障處理提供借鑒。

1 工程概述

天荒坪電站共安裝 6臺通流直徑為 2m的球閥，其設計壓力為 887m水柱。自運行以來每臺球閥的開關次數已超過1萬次。近年來，由于多臺球閥的軸承蓋和壓圈處均出現漏水現象，經拆卸軸承蓋檢查后發現兩側軸承鋼套（見圖1序號3）與閥體接觸環面（直徑Ф820mm）出現不同程度的磨損，并在上游側出現了間隙（見圖2）。磨損使得原2道徑向安裝的密封圈（見圖1序號9）失效。運行單位及時將該2道密封采用1道軸承端蓋壓緊面上的O形密封圈代替，有效地解決了軸端蓋漏水的問題。但由于磨損也導致了閥軸在關閉位置時由于上游水壓的作用產生水平方向上向下游側移動，使軸承主密封U形密封圈（見圖1序號8）安裝腔尺寸發生了變化。雖已對U形密封圈進行了數次更換但收效不大，無法從根本上解決軸承壓圈處的漏水問題，且隨著運行次數的增加，漏水量有增大的趨勢。為此，運行單位也采取了臨時性消缺措施，于2012年在軸承鋼套與閥體軸承孔之間設置了6個20mm的圓柱銷，以限制運行時軸承鋼套與閥體接觸環面產生相對轉動，同時在新的軸承蓋上做出偏心結構，以適應閥軸實際的位置。在設置圓柱銷后，電站對其磨損情況進行了進一步的檢查，檢查發現該處的磨損沒有進一步的擴展。

雖然磨損沒有進一步擴展，但已磨損的區域已經改變了球閥工作密封的投退距離，2號球閥在球閥檢修密封投入、工作密封退出及壓力鋼管充水情況下測量得到工作密封環與中間環圓周間隙為（8個測點 mm）：1.35、1.30、1.0、0.49、0.30、0.80、1.65、1.61，其最小間隙為0.30mm，而隨著機組的運行，序6軸套與序5軸襯間會出現正常的磨損，而該磨損會導致上述間隙值進一步減少。其后果是安裝于活門上的工作密封與中間環頭部干涉，導致密封環的損傷。

該磨損使活門上密封環的位置發生了改變，這種改變會影響球閥密封的效果，將導致球閥在全關時的漏水量增加，也會使密封更容易損壞。

由于臨時性的消缺措施沒有修正軸承的位置，因此球閥是在非正常的狀態下工作，同時由于6個圓柱銷的存在，軸承鋼套拆卸會比較困難。如果需要更換球閥軸襯，實際工作中會導致檢修工作時間的不可控。

基于上述原因，需要找出造成軸承鋼套與軸承孔異常磨損的原因，并提出從根本上解決上述問題的解決方案。

圖1 球閥軸承簡圖Fig.1 Ball bearing diagram

圖2 軸承鋼套磨損情況Fig.2 Bearing steel bushing wear

2 軸承異常磨損原因分析

通過檢查發現，在球閥關閉檢修密封投入的情況下，軸承鋼套和閥體接觸環面異常磨損后出現的最大間隙位于上游側水平位置。因此可以認為，異常磨損發生在全關位置或接近全關的位置。基于這種分析，在對球閥的應力應變進行分析時，考慮了以下幾種工況：

（1）進水球閥關閉。

（2）進水球閥平壓。

（3）進水球閥平壓后開始開啟。

制造廠在設計時，由于軸承鋼套外徑較大，考慮的是采用摩擦阻力使軸承鋼套保持不動，因此有必要對摩擦力矩進行分析，以評估該設計在天荒坪電站進水球閥上是否合適。

2.1 進水球閥關閉工況分析

球閥活門處于全關位置，工作密封投入，閥體內部及活門上游側（止于工作密封）承受6.673MPa的水壓，活門下游側承受0.687MPa的水壓。

通過進一步分析發現，在閥門全關時，其軸襯的最高應力為125.3MPa，軸襯材料選用的是DEVA BM11 CuSnPb8213/8E，其滑動層的抗壓強度為320MPa，可以滿足使用要求。由于此工況為軸襯最大的受力工況，因此在后面的計算中將不再關注該應力。

在閥門全關時的軸襯位置，活門沿水流方向的最大位移分別為-0.87mm和-1.02mm。因此在軸襯位置，閥軸的變形量為0.15mm，而軸襯的尺寸為680（+0.125/0）mm，閥軸的尺寸為680（-0.29/0.37）mm，其最小間隙為0.29mm，遠大于閥軸的變形量，由于活門在全關時承受最大的水推力，閥軸在這個工況下變形最大。因此在后面的計算中可以忽略閥軸變形的影響。

在全關位置時，閥體最大的向內變形尺寸為0.28mm，活門最小的向內變形為0.36mm。因此在此工況下，軸承鋼套與活門之間的軸向間隙略有增加。

從以上分析可知，在這種工況下，軸承鋼套應不會出現異常磨損。

2.2 進水球閥發電工況下靜水開啟，平壓情況應力變形分析

球閥活門處于全關位置，旁通閥打開，工作密封脫開，閥體內部及活門均承受6.673MPa的水壓。

按照設計圖，活門與推力墊圈之間的間隙為0.2～0.4mm，分析時設定其間隙為0.2mm。通過分析發現，在平壓時0.2mm的軸向間隙完全消失，墊圈表面的壓應力最高為7MPa。

在這種工況下，軸承孔直徑沿水平方向縮小0.14mm，在垂直方向增大0.56mm。

如果墊圈與活門接觸，當活門轉動時，軸承鋼套上就有一個與活門轉動方向相同的力矩，可能帶動軸承鋼套旋轉。

同時由于閥體在承受內壓后的變形，閥體上的軸承孔尺寸變大，導致軸承鋼套與閥體軸孔的配合變松，這也可能是導致軸承鋼套異常磨損的潛在原因。

2.3 發電工況下靜水開啟，開始開啟的工況應力變形分析

球閥活門處于全關位置，旁通閥打開，工作密封脫開，閥體內部及活門均承受6.673MPa的水壓。按開啟時力矩平衡考慮，接力器的操作力為606473N。

通過分析發現，在開始開啟時，軸承底部區域0.2mm的軸向間隙完全消失，墊圈表面的壓應力最高為12MPa。

軸承孔直徑沿水平方向縮小0.15mm，在垂直方向增大0.59mm。

可以發現，這個工況存在著與第二種工況相近的問題。

2.4 摩擦力矩分析

圖1中序3軸承鋼套外徑為820mm，序5軸襯內徑為680mm。軸承鋼套與閥體的材料均為鋼，按照文獻[1]中第29篇摩擦學設計中的推薦，鋼與鋼之間的靜摩擦摩擦系數為0.15，動摩擦系數為0.10。序6軸襯材料選用的是DEVA BM11 CuSnPb8213/8E，按照FEDERAL MOGUL公司樣本的推薦，結合不同的工作工況，其摩擦系數的變化范圍是 0.11～0.18。

假定序3軸承鋼套與閥體之間的摩擦系數為0.1，外圈不轉動，按照力矩平衡方程，序5軸襯與序6軸套之間的摩擦系數不得大于0.12。如果軸承鋼套與閥體之間的摩擦系數按中間值0.125考慮，則序6軸襯與序6軸套之間的摩擦系數不得大于0.15。如軸承鋼套與閥體間的摩擦系數按0.15考慮，則序6軸襯與序6軸套之間的摩擦系數不得大于0.18。

通過上面的有限元分析，可以看到序3軸承鋼套與閥體之間存在較大的間隙。該區域接觸表面的粗糙度較好且達到Ra3.2，而裝配時該間隙采用油脂潤滑以利于裝配，轉動時該區域充滿水，潤滑條件較好。因此可以認為軸承鋼套與閥體之間的摩擦系數較小，該摩擦系數不足以可靠地使軸承鋼套與閥體保持不轉動。

3 大修可選方案

針對天荒坪軸承出現的問題，必須采取措施以限制軸承鋼套的轉動。同時由于閥體軸孔已經磨損，因此必須對球閥進行大修，以解決上述問題。對此，建議采用以下兩種方案。

（1）方案一：為限制轉動，可將軸承鋼套和軸承蓋做成一體，如圖3所示。由于閥體上軸承孔已經磨損，其軸承孔直徑由820mm擴大為835mm（見圖3）。

（2）方案二：仍按原方案將軸承鋼套和軸承蓋做成分開的兩個零件，但軸承鋼套和軸承蓋之間裝入平鍵限制軸承鋼套的轉動，如圖4所示。由于閥體上軸承孔已經磨損，其軸承孔外徑由820mm擴大為835mm（見圖4）。

圖3 軸承大修方案一Fig.3 Bearing overhaul plan 1

圖4 軸承大修方案二Fig.4 Bearing overhaul plan 2

4 方案比較

由于閥體上軸承孔已經磨損，則需要加大軸承孔的尺寸，而且對于方案一來說，軸承蓋與軸承鋼套連接成一體，上述方案改變了閥體和活門的受力情況。因此需要對閥體和活門的強度做出分析。

閥體和活門按以下幾種工況進行分析：

（1）活門處于關閉位置，工作密封投入。

（2）上下游平壓，活門處于關閉位置，工作密封脫開，接力器加壓（閥門開始開啟的工況）。

（3）制造廠在設計壓力下進行試驗的工況。

（4）制造廠在試驗壓力下進行試驗的工況。

（5）檢修密封投入時的工況，對于方案二，考慮投入檢修密封后，拆去軸承蓋的情況。

4.1 強度比較分析

通過有限元分析，發現上述兩種方案各工況下的應力水平見表1。

表1 不同工況下的應力水平Tab.1 The Stress level under different working conditions

從上述兩種方案有限元分析的結果可知，閥體的應力水平較低，活門的峰值應力較高，但仍在ASME VIII允許的范圍。因此，上述兩種軸承大修方案，從應力的角度均能滿足使用要求。

4.2 方案綜合比較分析

雖然從應力角度看，上述兩種改造方案均能滿足要求，但從疲勞壽命的角度看，活門的應力水平較高。按照ASME標準，活門的壽命與閥體相比，其壽命更短。因此，為保證閥門在設計上有較長的壽命，則首先需要考慮活門有較長的使用壽命，從這個角度看，方案二活門的應力水平較低，方案二優于方案一。

從電站日常維護的角度看，方案一如果軸承鋼套上的密封損傷造成漏水，必須需要通過引水鋼套排水才能檢修。而方案二的密封設置在軸承蓋上，如果該密封損傷，則只需要通過投入檢修密封和尾水閘門，排空閥體內的水就可以檢修。

從以上兩點看，方案二優于方案一，如果需要對軸承進行大修，建議采用方案二。

5 修復方案執行時的關注點

為保證修復后的球閥能滿足各種運行工況的要求，對球閥的修復，需要關注以下幾點：

（1）在球閥拆去密封裝配和軸承裝配后，必須對球閥高應力區域（閥軸根部及閥體上分半焊縫）進行無損檢測，以消除潛在的缺陷。

（2）需采用工裝保證活門和閥體上工作密封安裝環面保持同心，同時按照設計值調整活門與閥體的相對位置。測量檢修密封側活門與閥體的同軸度，以及密封環安裝面與閥體法蘭平面的距離，檢驗活門與閥體的相對位置。

（3）調整閥體與活門的相對位置，使閥體軸承孔與閥軸保持同心，以閥軸的中心為基準進行軸孔的加工。

（4）加工后必須進行壓力試驗、漏水試驗和動作試驗，以驗證產品是否滿足要求。

6 結束語

在設備的運行過程中，與其他部件相比，進水球閥的軸承是比較容易產生問題的部件。因此在設計階段，必須充分考慮球閥的受力情況、軸承的應力水平、閥軸的應力水平、軸襯的類型等因素，避免在運行階段帶來潛在的風險。

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Bearing Abnormal Abrasion Analysis and Repair Soluation for Main Inlet Valve of Tianhuangping Pump Storage Power Station

ZHENG Kai1，ZHANG Yawu1，LOU Yong2，Casper Vogt-Svendsen3，XU Ligang4，JIANG Zejie2，ZENG Hui2，GU Ximing2，LI Yongyao4，ZHANG Zhongliang4
（1.State Grid XinYuan Company LTD，Beijing 100761，China；2.North China Tian Huangping Pumped Storage Power Station Company LTD，Tianhuangping 313302；Norway Rainpower ASA，Norway Kjeller； Rainpower Hangzhou company LTD，Hangzhou 311215）

This article analyze the abnormal abrasion on bearing of main inlet valve for Tianhuangping Pump Storage Power Station.Two repair proposals to be raised and analised.The better solution has been selected based on analysis and cautions has been given for fixed solution on workshop.

hydro Power Station；main Inlet Valve； bearing

TV738 文獻標識碼：A 學科代碼：570.3520 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.004

2016-8-23

鄭 凱（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設備技術管理。E-mail：18032155099@189.cn

張亞武（1973—），男，本科，高級工程師，水電站（含抽蓄）運維檢修管理。E-mail：yawu-zhang@sgxy.sgcc.com.cn

樓 勇（1973—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設備技術管理。E-mail：louyong1109@126.com

Casper Vogt-Svendsen（1956—），男，挪威籍，碩士，機械工程科學研究，曾參與魯布革、天荒坪、三峽等項目的水電建設，主要研究方向：技術和風險控制的管理工作。

許立剛（1971—），男，本科，工程師，一直從事水電站進水閥門設計。E-mail：roger71@qq.com

姜澤界（1981—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設備運維管理。E-mail：thppjeremy@126.com

曾 輝（1975—），男，本科，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設備技術管理。E-mail：thpyjbzh@163.com

顧希明（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設備運維管理。E-mail：1924843474@qq.com

李永耀（1965—），男，本科，高級工程師，主要研究方向：水（泵）輪機研究設計工作。E-mail：yongyaoli@vip.qq.com

張忠良（1968—），男，本科，工程師，主要研究方向：水力設計、機械設計和市場營銷工作。E-mail：447253365@qq.com