十三陵電廠進水閥樞軸軸承結構優化設計

鄒志偉，許旭輝，劉 超

（國網新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京 102200）

十三陵電廠進水閥樞軸軸承結構優化設計

鄒志偉，許旭輝，劉 超

（國網新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京 102200）

進水閥是現代抽水蓄能電站不可或缺的組成部分，主要分為球閥與蝶閥兩種形式。十三陵電廠安裝有4臺200 MW混流可逆式水泵/水輪機組，機組轉速500 r/min，轉輪直徑為3.68 m，進水閥采用直徑為1.75 m的球閥，1997年4臺機組全部投產。但隨著運行時間的增加，進水閥樞軸軸承密封因軸套出現裂紋導致漏水、自動化原件誤動等故障。本文通過分析十三陵電廠進水閥軸承故障原因，探討解決進水閥軸承優化設計方案，并運用于實際檢修工作中，取得了良好的效果，對同類電站進水閥類似問題處理有一定借鑒意義。

進水閥；樞軸軸承；密封

1 引言

十三陵電廠進水閥由VOITH公司生產，進水閥采用臥軸液壓操作，內徑為1 750 mm，設有工作密封和檢修密封，在規定的水頭和揚程范圍內，機組發最大出力和吸收最大入力時能可靠地截斷水泵水輪機全部流量。正常情況下，進水閥在平壓后開啟，特殊情況下，允許在2.5 MPa不平衡水壓下開啟。閥體采用鑄鋼制造，活門采用鋼板焊制。驅動端和非驅動端的樞軸是焊在轉子上的，閥體通過軸承支撐轉子，軸與閥體之間為自潤滑軸瓦，以保證轉子在徑向和軸向的受力。其密封采用“V”形填料，而在軸瓦的內側安裝有橡膠密封環，以防止雜質進入軸瓦內。

進水閥密封分為上游檢修密封和下游工作密封，密封是由動密封環、靜密封環組成。其中靜密封環是固定在轉子的擋水斷面上，而上游活動密封環是位于閥體內部襯套和上游閥體外部襯套所形成的腔體內，下游活動密封環是位于閥體內部襯套與下游閥體外部襯套所形成的腔體內。檢修密封和工作密封是用水壓進行操作，從上游引水至高壓鋼管取水，對密封進行投入和解除操作。密封的動密封環為不銹鋼材質，在閥體襯套的鋁青銅表面上滑動，以保證平穩工作和表面免于腐蝕。

2 進水閥運行現狀及原因分析

2.1 運行現狀

電站自投產以來，截止至2016年6月底，各臺機組運行開停機次數及進水閥開關動作次數見下表1：

表1 機組投產以來開停機次數統計

2010年檢修時，發現3號進水閥驅動端樞軸軸承銅套左側、右側均有裂紋，左側裂紋長約60 mm（9點～10點處），右側裂紋長約190 mm（3點～4點半處）。進水閥經過多年的運行后存在進水閥兩側樞軸密封處漏水。

2015年4月12日，3號機組C修進水閥耳軸軸承過程中，發現耳軸驅動端有漏水現象，經檢查軸套4點半處有貫通裂紋30 mm（見圖1），向3點方向內延伸裂紋約260 mm（見圖2）。

2016年3月，對3號機組進水閥及其操作系統機械C級檢修時，驅動端耳軸軸承除了上述的的驅動端4點半處有貫通裂紋，并向3點方向內延伸外，還發現在9點方向有大約長70 mm、寬3 mm的不規則凹面。

圖1

圖2

2.2 原因分析

十三陵電廠進水閥轉子樞軸軸承采用自潤滑軸承結構，使用的是Oiles 500SP系列軸承。該軸承和軸承基座之間采用過盈配合，需要使用冷套的方法將軸承壓入軸承座。

Oiles軸承標準配合工差為H7/r6，理論單邊間隙為-0.0885～-0.1675 mm；而十三陵電廠進水閥樞軸軸承設計過盈量更大，單邊理論間隙為-0.175～-0.215 mm。軸承經液氮冷卻后尺寸收縮，可以順利壓入軸承座，隨著時間推移，軸承逐漸恢復到室溫，軸承尺寸膨脹，受軸承座尺寸限制，產生過盈與形變。但軸承法蘭與軸承座之間有間隙，此處不受約束自由膨脹，軸承2處受約束與變形情況不同，產生應力。

下面使用有限元方法對樞軸軸承受力情況進行分析，通過2種模擬條件對樞軸軸承受力情況進行對比分析：

模擬一：室溫情況下軸承發生徑向收縮，收縮量為理論過盈量，分別模擬了收縮量為0.1 mm和0.2 mm的情況。

模擬二：在約束軸承外壁的情況下對軸承升溫，根據膨脹量單邊0.2 mm計算得溫度上升36°。

2種模擬條件下的樞軸軸承受力情況有限元分析結果如下：

模擬一情況1：軸承單邊收縮0.2 mm，見圖3（a）、（b）。

圖3 模擬一情況1

模擬一情況2：軸承單邊收縮0.1 mm，見圖4（a）、（b）。

圖4 模擬一情況2

模擬二：軸承溫度升高36°，見圖5（a）、（b）。

圖5 模擬二

模擬結果顯示2種方法模擬結果相近，一致性較好，2種模擬結果均顯示在法蘭根部處存在一較高應力集中，約70 MPa。軟態黃銅的抗拉強度約300 MPa，屈服強度約100 MPa，已經達到了70%的屈服強度，該應力相對較高，考慮到軸承上鑲入非金屬潤滑材料，可能局部地方峰值應力會更高。長時間在該應力水平下工作對軸承壽命有較大影響，軸承存在疲勞破壞的較大可能。

從進水閥實際運行情況來看，4臺機組進水閥驅動端耳軸軸承及非驅動端樞軸軸承均出現不同程度的裂紋及漏水情況，其中個別機組進水閥軸承發生斷裂現象，裂紋及斷裂處容易發生碎裂掉塊現象，輕者導致摩擦增大，軸承磨損，重者將導致進水閥卡塞，不能開啟或關閉。

國內某蓄能電站在進行水輪機性能試驗時，進水閥在開啟過程中，機組轉速逐步上升至100%額定轉速，但此時進水閥現地控制柜仍顯示進水閥正在開啟狀態，經現地檢查，進水閥開度約為40%，立即人工緊急停機，進水閥關閉。后來通過檢查發現是樞軸的軸承故障導致的，該進水閥樞軸軸承的自潤滑材料粘到軸承里襯，在進水閥的開啟動作過程中，出現自潤滑材料的脫落（詳見圖6）導致進水閥至40%開度后，無法再打開。幸好是在調試階段，發現進水閥現地控制柜仍顯示進水閥正在開啟狀態，立即現場檢查判斷后，進行人工緊急停機，進水閥關閉，避免了事故。這也給十三陵蓄能電廠進水閥的安全穩定運行敲響了警鐘，4號機組進水閥存在樞軸軸承里襯有錯臺、間隙不均勻問題，裂紋處可能會出現掉塊情況，目前運行無卡阻，但并不表示以后在開啟或關閉過程中不會出現卡阻故障。

圖6 自潤滑材料脫落

另外，2016年3月，對3號機組進水閥及其操作系統機械C級檢修時，蝸殼內檢查工作密封投退情況，工作密封3點、5點方向向外滲水，滲水量4.6 L/min，大于標準4 L/min，且3點、5點處密封間隙0.1 mm，且存在異物壓痕，懷疑密封靜環此兩處曾有異物卡阻，導致密封面間隙過大，進水閥本體高壓水向蝸殼泄漏。

3 進水閥樞軸軸承優化設計

十三陵電廠進水閥轉子樞軸軸承采用自潤滑結構軸承，該軸承和軸承基座之間采用過盈配合，用冷套的方法將軸承壓入軸承座。進水閥樞軸軸承檢修有以下2個方案：

方案一：根據原設計更換受損進水閥驅動端和非驅動端軸承。

方案二：更改轉子樞軸軸承結構型式，進行計算，重新設計驅動端和非驅動端軸承結構，增加軸承套裝置。

原方案的軸承和增加軸承套裝置的軸承結構如圖7、圖8。

3.1 方案一

圖7 原方案

圖8 增加軸承套方案

按原設計更換受損進水閥驅動端和非驅動端軸承，沒有從根本上解決軸承運行過程中局部部位應力集中、應力相對較高的問題，運行一段時間以后，樞軸軸承出現故障的機率會比較高。而且，軸承一旦出現裂紋、斷裂情況，需要對進水閥解體才能更換軸承。

進水閥閥體連接螺栓均為液壓拉伸螺栓，進水閥解體和安裝過程中螺栓需要特殊的液壓拉伸工具。

進水閥解體后，對進水閥本體及閥芯進行目視檢查，如發現重大缺陷需要修補，修補缺陷需要焊接、探傷工具；對進水閥上下游端檢修密封及工作密封進行檢查時，需要進行機加工，加工密封環等設備。

根據設計規范，進水閥重新組裝后需要對進水閥進行水壓試驗，由于進水閥上游延伸段已經和引水管道安裝，故在引水端和非引水端準備2個試驗用帶法蘭的耐壓悶頭裝置，該悶頭需要與進水閥閥體把合，同時進水閥需要1套水壓密封試驗以及動作試驗設備。

所以，按原設計更換受損進水閥驅動端和非驅動端軸承，需對進水閥進行解體，配備特殊液壓拉伸工具、檢修工具、耐壓試驗悶頭裝置及打壓試驗工具等，因而現場不具備解體檢修進水閥的工作條件。

3.2 方案二

帶軸承套裝置的驅動端和非驅動端軸承（如圖9），增加了進水閥樞軸軸承套裝置，相比于軸承與閥體直接為過盈配合的原先結構，軸承的結構更加緊密合理，改善了軸承受力情況，軸承也得到了相應的保護，斷裂的風險將大大減小。驅動端和非驅動端軸承因磨損等原因需要更換時，不需要再對進水閥全部解體，在現場采用專用工具將軸承套和損壞軸承一起取出，更換軸承后，現場安裝到進水閥本體，即可以將來在工地拆換備用軸承。

圖9

十三陵電廠現有進水閥耳軸軸承為厚壁軸承，在此基礎上改成帶軸承套裝置的結構形式，初步估計，閥體軸孔單邊擴大不超過10 mm，對結構基本沒有影響。通過對進水閥閥體軸承座處加工前和加工后進行有限元分析，分析結果也表明，軸承座處的加工對整體進水閥的應力水平沒有影響，見圖10、11。

圖10 加工前閥座有限元分析結果

綜上所述，進水閥返廠檢修時，軸承的檢修采用方案二，即更改轉子樞軸軸承結構型式，通過計算，重新設計驅動端和非驅動端軸承結構，增加軸承套裝置。

圖11 加工后閥座有限元分析結果

4 結語

十三陵電廠利用機組A級檢修的有利時機，對進水閥樞軸軸承進行改造，并順利通過了無水調試和有水調試，投入正常運行。進水閥樞軸軸承改造運行至今，未出現軸承漏水現象，球閥開閉成功率100%，球閥動作時間在設計范圍內，有效的解決了進水閥軸承軸套受力不均造成樞軸軸套出現裂紋，導致樞軸軸承漏水問題。

通過進水閥樞軸軸承優化設計，從根本上解決軸承運行過程中局部部位應力集中、應力相對較高的問題，降低進水閥樞軸軸承長時間運行軸套出現裂紋導致樞軸漏水問題產生的可能；進水閥軸承結構優化后，軸承因磨損等原因需要更換時，無需再對進水閥全部解體，現場采用專用工具即可更換軸承，使機組停電檢修時間縮短至7 d以內，并徹底消除了對相鄰機組的影響，實現了質的飛躍。進水閥樞軸軸承優化設計結構及方法，為其他電廠進水閥樞軸軸承設計提供了經驗借鑒。

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TK730.4

B

1672-5387（2017）01-0015-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.004

2016-09-20

鄒志偉（1982-），男，工程師，從事抽水蓄能電廠生產運行及運維檢修相關工作。