高水頭大型球閥的設計要點

張芳　姚文革

摘 要：隨著抽水蓄能電站機組容量的增加，水頭的增大，高水頭大型球閥在球閥結構、剛強度以及球閥的制造、組裝和試驗等方面都具有極大的設計和制造難度。浙江仙居抽水蓄能電站位于浙江省仙居縣湫山鄉境內，電站安裝4臺單機容量為375MW的混流可逆式水輪發電機組，是目前國內已發電抽水蓄能電站里單機容量最大的。本文以仙居項目球閥為依托，介紹了高水頭大型球閥的設計要點。

關鍵詞：高水頭大型球閥；設計要點；合螺栓型式

中圖分類號：TK73 文獻標志碼：A

0 前言

隨著國內外水輪機制造技術的發展，對進水閥的質量要求越來越高，尤其是高水頭的機組，球閥的性能對機組的安全穩定運行起著至關重要的作用。

1 高水頭大型球閥的打壓方式

仙居進水閥是由哈電自主研發設計的，是國內自主設計制造且已發電項目里的水頭最高、設計難度最大的球閥（設計水頭784m，球閥直徑2.6m）。球閥設計壓力7.7MPa，閥體試驗壓力11.55MPa，活門試驗壓力9.24MPa。仙居球閥打壓試驗方式如圖1所示，高水頭電站球閥在做打壓試驗時，因試驗壓力較高，可能會使閥體合縫面、閥體與上下游法蘭把合面因間隙過大而使法蘭面密封漏水。

哈電在仙居球閥打壓試驗過程中，不斷總結經驗，在仙居球閥試驗方法的基礎上研究出了高水頭球閥的試驗方法，為保證閥體上下游法蘭面最終加工尺寸，減少試驗過程中法蘭面變形帶來的不良影響，在閥體上下游法蘭面精加工前做閥體活門強度試驗，試驗后再將法蘭面加工到最終尺寸，保證閥體與上下游法蘭面的配合尺寸；在活門試驗過程中，以前的試驗方法是將產品密封座當做打壓悶頭使用，這樣會對密封座表面造成很大損傷而且也沒有必要，為減少密封座表面接觸應力，采用工具密封座參與活門強度試驗后即可避免此問題，在活門試驗之后，再換成產品密封座做活門密封試驗，可大大降低密封座接觸應力，減輕密封座損傷程度。

2 球閥上下游法蘭面咬合型式

在仙居3#球閥車間壓力試驗過程中曾出現異常響聲問題，為了分析3#球閥產生異響的原因，哈電通過加速度傳感器的振動傳遞法來尋找異響聲源，并用百分表監測上下游法蘭徑向位移。通過對3#球閥多次試驗，哈電分析球閥異常聲響是來自球閥上下游法蘭與閥體法蘭的接觸面，是由于接觸面徑向變形不同步而產生相對摩擦導致的。隨著球閥反復拆裝和打壓次數增多，上下游法蘭和閥體之間的相對滑移和摩擦使法蘭面產生一定磨損，增加了表面粗糙度和不均勻度，增大了法蘭面的摩擦系數，增強了產生聲發射的能量，因此會發出較大能量的聲響。

對于高水頭水泵水輪機球閥，上下游法蘭的徑向相對位移量隨著壓力升高而增大，產生此類問題的可能性也隨之增大。哈電在仙居球閥壓力試驗過程中不斷分析和總結，最終找到了聲響和徑向變形之間存在的關系，并在后續項目上改進了球閥上下游法蘭結構，在球閥閥體與上下游法蘭，上游連接管、伸縮節與上下游法蘭之間設置止口，此結構能有效控制法蘭之間的相對位移，從而減小發生異常聲響的可能，法蘭面止口結構如圖2所示。

3 球閥合縫面把合螺栓型式

仙居球閥設計水頭高，制造難度大，如何合理的分半尤為重要，為了保證閥體剛度，控制閥體合縫面變形量，保證法蘭面密封性能，閥體采用大小半結構，由大瓣的前閥體和小瓣的后閥體把合而成，其優點是閥體分半面為整圓，便于密封，同時分半面螺栓受力均勻，合縫面采用雙排螺栓把合型式。在材料選擇上，兩半閥體均采用了鑄鋼制造，在保證鑄件質量的前提下，各向同性的材料性能使閥體和法蘭更為堅固，合縫面聯接螺栓結構如圖3所示。

結語

目前仙居球閥目前已成功投運，在研制過程中，哈電在高水頭大型球閥的結構設計、剛強度分析、制造工藝、試驗方法、安裝等方面，取得了豐富的經驗和成果，為后續產品提供可靠的技術保障打下了良好的基礎。

參考文獻

[1]馬鳳.高轉速水輪機球閥雙密封試驗研究[J].哈爾濱：大電機技術，2000（6）：52.