球閥自激振動原因分析及解決方案

嚴天豪，陳　勇，施一舟

（1.國網新源控股華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責任公司，浙江 臺州 317200；2.安德里茨（中國）有限公司，北京 100004）

1　引言

抽水蓄能電站通常在電力系統(tǒng)中承擔調峰、調頻、調相以及事故備用等任務，因此，抽水蓄能電站的水輪發(fā)電機組較常規(guī)機組運行工況更為復雜，工況轉換也更加頻繁。進水球閥作為抽水蓄能機組實現動水關閉的關鍵部件，對抽水蓄能機組的安全運行起到至關重要的作用。

近年來，部分抽水蓄能電站在運行過程中出現了球閥密封自激振動現象，個別事故還對球閥密封本體造成了巨大損傷，嚴重威脅電站機組的運行安全。從后期的事故分析來看，產生水力自激振動的原因大多為球閥密封漏水。本文以某抽水蓄能電站球閥結構為視角，通過球閥密封投入及退出過程工作原理分析，探討由于球閥漏水產生自激振動的原因，并提出相應的抑制措施，供相關運行管理人員以及科研人員參考。

2　球閥結構

機組球閥通常安裝于水泵水輪機蝸殼前，作為水泵水輪機截流裝置和緊急關閉裝置。為此，當發(fā)生緊急情況時，球閥應該能夠在不關閉導葉的前提下滿流量關閉，以保證機組的安全。

球閥閥體由兩部分組成，允許裝配閥芯和樞軸。上游側閥體設有閥芯軸承孔，通過螺栓與壓力鋼管法蘭連接；下游側閥體焊有兩塊支撐板，并裝有伸縮節(jié)，允許閥體有少量位移。該閥體設計通過上游側法蘭連接傳遞軸向力給壓力鋼管。球閥閥體的上、下游兩部分通過液壓拉伸螺栓連接在一起，并通過基礎螺栓防止閥體上抬，還在基礎板與閥體底腳之間裝設有助于平滑滑動的銅板，允許閥體有少量軸向位移。此外，為了便于沖洗和排水，在閥體底部裝有排水管和排水閥。

球閥閥芯通過雙油壓接力器進行操作，球閥的開啟和關閉所需油源由壓力油罐來保證。在正常情況下，閥門只在閥芯兩側平壓后才能開啟；在特殊情況下，閥門也可以在非平壓條件下開啟，但最大不平衡水壓壓力為靜水頭的30%。球閥裝有兩套活動密封系統(tǒng)，均由壓力鋼管水壓操作。在機組停機狀態(tài)下，閥體下游側的工作密封處于關閉位置。

3　球閥工作密封投退工作原理

工作密封由固定在閥芯上的不銹鋼固定環(huán)以及下游閥體內可移動的活動密封環(huán)組成，具體結構如圖1所示。在閥門關閉位置，密封是通過取自上游側壓力鋼管的水壓來實現的。只有在閥芯處于關閉位置時才可能投入工作密封。退出工作密封時，由控制閥將工作密封投入腔內的壓力水釋放，通過作用在活動密封環(huán)上的閥體內的水壓，密封退出。一旦閥芯離開關閉位置，控制閥將通過凸輪盤和位于閥門右側的杠桿進行機械鎖緊，以確保工作密封不會動作。工作密封活動環(huán)的位置由下游側閥體法蘭上的機械指示器顯示。

圖1　球閥工作密封結構示意圖

球閥工作密封的具體投退過程如下。當球閥關閉，閥芯處于關閉位置，通過打開工作密封投入腔供水管閥門，使壓力水進入密封投入腔，推動工作密封活動環(huán)向閥芯方向移動，最終到達投入位置，使工作密封活動環(huán)和固定環(huán)緊密貼合，封閉閥芯與閥體之間的縫隙，從而達到密封的作用。若要使工作密封退出，只需切斷工作密封投入腔壓力水，作用于工作密封活動環(huán)上的閥體內壓力水將推動活動環(huán)向圖1中密封退出所指示的方向移動，最終將活動環(huán)推離投入位置，密封退出。

4　球閥自激振動過程分析

4.1　自激振動發(fā)生過程

某日，01∶06∶29，1號球閥工作密封下發(fā)“釋放”命令，之后工作密封頻繁動作，伴隨有金屬敲擊聲音。1號球閥在01∶06∶52因工作密封行程開關感應片松動偏轉，釋放信號消失。但現場工作密封仍在持續(xù)頻繁在“釋放”與“投入”狀態(tài)之間動作，整個動作周期大約在360～400 ms之間，其中從“釋放”到“投入”之間的動作時間大約為100～120 ms，從“投入”到“釋放”之間的動作時間大約為250～270ms。2號機主進水閥工作密封于01∶06∶37開始“釋放/投退”，之后也開始頻繁在“釋放”與“投入”狀態(tài)之間動作，動作周期和現象與1號球閥類似。

現場運行人員于01∶11關閉1號球閥工作密封投入進水閥，因閥門偏緊未將其關閉。此時觀察到1號機球閥工作密封油水切換閥MB40-AA001機構連桿未動作?，F場運行人員于01∶13關閉2號球閥工作密封投入進水閥，動作期間也發(fā)現2號機球閥工作密封油水切換閥MB40-AA001機構連桿未動作。

2號機主進水閥工作密封于01∶18停止投退，在此之后，1號、2號機主進水閥振動以及工作密封頻繁投退現象于01∶18∶30消失，整個球閥自激振動過程停止。

4.2　自激振動產生原因分析

由于機組上游側球閥密封壓力引自其上游側近處的管道。當球閥滲漏時，如果有一個微小的擾動，引起球閥的滲漏面積減小，由水擊的理論可知這將導致上游管道壓力的增大；由于球閥密封壓力與球閥上游管道近處的水壓力同步，因此上游管道處的壓力增大將進一步導致球閥密封壓力的增大和滲漏面積的減小，于是又導致管道壓力的增大。此過程相當于控制系統(tǒng)中的正反饋，管道中的水壓力振幅將不斷增大，整個管道系統(tǒng)發(fā)生自激振動。也可說此時閥門滲漏處呈現柔性閥門特性，這種特性將導致振動迅速發(fā)展。

從圖1可以看出，正常情況下，球閥工作密封活動環(huán)上的密封會將工作密封投入腔與退出腔、退出腔與閥體內壓力水之間的水路聯系完全隔離。然而，當球閥工作密封運行多年后，密封材料老化導致滲水甚至漏水后，從閥體內壓力水或者工作密封投入腔中的水滲漏到退出腔，將會導致原來活動環(huán)投入和退出過程中的水壓平衡被打破，形成球閥自激振動的激發(fā)條件。以下針對圖1中密封一和密封二漏水可能產生的自激振動進行具體分析。

（1）投入腔與退出腔之間密封（密封一）

正常情況下，投入腔的壓力水取自上游側壓力鋼管，當投入腔供水管閥門打開后，由于上游側壓力鋼管中的壓力水進入投入腔，活動環(huán)退出腔內沒有壓力，因此活動環(huán)向退出腔側移動。若此時密封一旦發(fā)生漏水，則投入腔內的水便會流向退出腔，使得活動環(huán)在投入過程中所受到退出腔側的水壓越來越大，并逐漸使腔體內水壓和退出腔水壓之和與投入腔側水壓相當，在最終大于投入腔側水壓后，將推動活動環(huán)向投入腔移動，從而中斷活動環(huán)的投入過程；而退出腔內由于密封漏水所產生的水壓在活動環(huán)向投入腔側移動過程中會逐步減小，當腔體內水壓和退出腔水壓之和小于投入腔水壓后，活動環(huán)便又會向退出腔側移動，再次開始工作密封投入過程，開始下一輪的反復。因此可見，當密封一漏水后，工作密封的活動環(huán)可能會在投入過程中在投入動作和退出動作之間反復交替，從而產生振動，導致球閥自激振動的發(fā)生。

（2）退出腔與閥體內壓力水之間密封（密封二）

正常情況下，工作密封投入后，活動環(huán)應該封住球閥閥芯和球閥閥體之間的縫隙，將閥體內的壓力水封閉在閥體內，不會流至下游管道中。若此時密封二發(fā)生漏水，便會使閥體內的壓力水滲漏到密封退出腔中，使活動環(huán)退出腔側的水壓逐漸增大，最終導致腔體內水壓和退出腔水壓之和超過投入腔側的水壓，推動活動環(huán)向投入腔側移動，使工作密封進入退出過程。在工作密封退出過程中，退出腔內水壓逐步減小，當水壓小于投入腔水壓后，活動環(huán)又開始向退出腔側移動，重新進入投入過程，開始下一輪的反復。因此可見，當密封二漏水后，工作密封的活動環(huán)也會在投入過程中在投入動作和退出動作之間反復交替，從而產生振動，導致球閥自激振動的發(fā)生。

從上面的分析可以看出，球閥可能因為工作密封活動環(huán)上密封老化或密封面損傷導致的漏水，在執(zhí)行投入操作過程中，由于密封投入腔和退出腔水壓的交替變化，導致活動環(huán)在投入和退出的行程中往復交替，進而形成振動，并引起球閥內管路中水壓振動，形成球閥自激振動。

5　工作密封漏水的處理措施

球閥密封漏水是管路系統(tǒng)發(fā)生自激振動的擾動源，是球閥產生自激振動的根本原因。因此，要根本解決該抽水蓄能電站球閥自激振動問題，就需要解決球閥密封漏水問題，對球閥的密封進行全面修復，其主要的工作斷面示意圖如圖2所示。

圖2　球閥工作密封漏水處理工作斷面示意圖

首先需要更換新的球閥密封，為延長更換后密封的使用年限，考慮到聚氨基甲酸酯（polyurethane，簡稱PU）作為一種新型的高分子材料，比聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，簡稱 PTFE）材料的性能更為優(yōu)良，因此考慮將原來采用PTFE材料制作的密封改為采用PU材料的密封。

此外，需要在下右側閥體上重新堆焊和加工密封面。閥體原有密封面為鋁青銅S-ALBZ8材料，具有良好的減磨性，且在大氣、淡水和海水中抗蝕性比較好。但是，由于鋁青銅與鋼的熔點、熱導率、線膨脹系數以及力學性能都有很大的差別，焊接時，低熔點的鋁青銅先熔化，而高熔點的鋼仍處在固體加熱狀態(tài)，二者難以熔合。焊接過程中接頭處會產生較大的熱應力，增大裂紋傾向。而鋁青銅在焊接過程中容易造成材料中鋁的氧化，生成致密而難熔的三氧化二鋁薄膜，覆蓋在熔滴和熔池表面，進而在焊縫中產生夾渣、氣孔和未熔合等缺陷。因此，為保證重新堆焊后球閥密封面的機械性能，對球閥密封面堆焊的現場實施提出了較高的技術條件，操作難度較大?？紤]采用與球閥本體材料相近，并與鋁青銅耐磨性能相當的馬氏體不銹鋼（13%Cr，4%Ni）作為密封面堆焊材料，以降低球閥密封面現場堆焊的技術要求，減小現場實施的操作難度。

6　結論

通過對某電站球閥結構以及球閥工作密封漏水導致球閥自激振動發(fā)生機理的研究分析，認為導致球閥產生自激振動的主要原因是球閥密封漏水。提出通過更換密封，并重新堆焊密封面的方法徹底解決球閥密封漏水問題?？紤]到現場實施因素，建議球閥密封面采用馬氏體不銹鋼（13%Cr，4%Ni）作為密封面堆焊材料。

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