水布埡電廠調速器液壓控制管路密封問題分析

楊 俊

(湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000)

水布埡電廠位于湖北清江中游巴東縣境內，總裝機184萬kW，設計年發電量39.84億kW·h，是清江流域梯級滾動開發的最上一級龍頭工程，是華中電網骨干調峰調頻電廠。工程于2002年1月開工，同年10月實現截流，2007年7月首臺機組發電，2008年8月4臺機組全部投產。

調速器是保證機組頻率穩定，維持系統負荷平衡的基礎控制設備。液壓控制管路是調速器油壓傳輸的重要通道，其密封可靠性直接影響機組運行穩定性。水布埡電廠4臺機組調速器液控管路接頭均存在不同程度的滲漏情況，且檢修后仍有復漏現象。本文從液控管路所用卡套式管接頭的密封結構和工作原理出發，對其密封性能進行了分析，并結合管路現場實際工作情況，對出現接頭滲漏問題的原因進行了分析和探討。

1 液控管路覆蓋范圍

水布埡電廠調速器采用的是GE公司的FC5000閥組，機械液壓回路由比例伺服閥、手/自動切換閥、液動停機閥、手動緊急停機閥、電動緊急停機閥、主配壓閥等組成，如圖1所示。液壓控制管路主要為雙精過濾器至主配壓閥之間的管件部分，管路連接采用卡套式管接頭。

圖1 液控管路系統圖

2 接頭密封原理及性能要求

卡套式管接頭適用于接管外徑為4～42 mm、最大工作壓力為10～63 MPa的液壓流體傳動和一般用途的管路系統[1]。目前卡套式管接頭主要分為單卡套和雙卡套，兩者在結構和原理上均有所不同，前者是線密封，后者是面密封。水布埡液控管路接頭采用的是單卡套式管接頭。

2.1 密封原理

單卡套式管接頭主要由具有內錐面的接頭體、帶尖銳內刃的卡套以及起壓緊作用的螺母三部分組成，結構如圖2所示。

圖2 單卡套式管接頭示意圖

在接頭結構中，卡套是最關鍵的零件，外觀呈現為一個在內圓端帶有刃口的金屬環，它具有良好的剛性、硬度和韌性。卡套的表面硬度一般在HRC 58.5～63之間，硬層深度為0.03～0.05 mm，基體硬度在HB 91～96之間[2]。當旋緊螺母時，卡套受到螺母螺旋力的作用，沿接頭體內錐面軸向前進，緊貼內錐面徑向收縮，產生形變?？ㄌ椎膬热腥锌谙騼仁湛s，在接管外壁壓出一道環形凹槽，刃口嵌入環槽內，起到扣緊和密封作用。同時卡套的外錐面在擠壓力的作用下向上拱起成龜背，與接頭體內錐面緊密接觸，形成剛性線密封?？ㄌ椎奈捕私o接管一定的徑向作用力夾緊接管，防止其松動。

單卡套式管接頭按刃口數目分為單刃式和雙刃式(又稱漸進式多刃卡套)。單刃式卡套管接頭雖然對材質及裝配要求高，但其結構簡單，在國內應用最為廣泛，水布埡電廠液控管路均采用此結構。

雙刃式卡套接頭以增加內刃的方式加強卡套與接管的緊固性和密封性，其結構如圖3所示。

國外對小管徑的管路系統，多采用雙卡套式管接頭，卡套由前、后卡套組合而成，結構如圖4所示，提高了接頭的抗震性和溫差補償等功能，在此不著重介紹。

2.2 技術要求

接頭體內錐面角度要求為24°±30＇，錐面的表面粗糙度Ra≤1.6 μm，其材質根據工作條件可以是不銹鋼等，詳細技術要求參見GB/T3733-2008[3]。

卡套的尺寸、形位公差、表面粗糙度等技術要求參見GB/T3764-2008[4]。

圖3 雙刃式單卡套管接頭示意圖

圖4 雙卡套式管接頭示意圖

壓緊螺母內錐應與卡套尾端的外錐吻合，以確保旋轉壓緊螺母時，能有效推動卡套軸向前進變形。壓緊螺母的材料可選擇碳鋼、不銹鋼等，詳細技術要求參見GB/T3759-2008[5]。

接管外徑應有一定的精度，否則將直接影響到卡套式連接的密封效果，詳細技術要求參見GB/T3090-2000、GB/T8163-2018、GB/T14976-2012等[6-8]。

所有接頭體和配件不應有裂紋、氣孔、毛刺和銳邊等。不進行機械加工的零件表面允許有不超過其尺寸公差1/2的凹陷和壓痕。未標注要求的所有機械加工表面的粗糙度Ra≤6.3 μm。所有未注棱邊應倒鈍角，倒角尺寸不應大于0.15 mm[1]。

3 液控管路接頭密封問題分析

3.1 滲漏點調查

對液控管路接頭近3次檢修情況進行調查，發現檢修前后存在重復滲漏點，且復漏率偏高，如表1所示。

3.2 正常工作壓力下連接失效計算

接管內壓力軸向力可通過以下公式計算：

(1)

表1 檢修前后滲漏點調查匯總表

式中：F是管內壓力軸向力，N；P是管內壓強，MPa；φi是接管內徑，mm。

卡套刃口對接管的單位擠壓應力可通過以下公式計算：

(2)

式中：σj是刃口對接管的單位擠壓應力，MPa；φ0是接管外徑，mm；h是刃口咬入接管的深度，mm。

水布埡調速器液控管路工作壓力為6.3 MPa，接管規格為φ10×1.5，接頭規格為JB/T966-1977 10/G3/8，根據現場測量，刃口咬入接管的深度最淺處不小于0.09 mm，代入公式(1)、(2)可得：

由于接管材料的名義屈服極限σ0.2為210 MPa[9]，所以：

σj<σ0.2

可見，在正常工作壓力下，卡套刃口的單位擠壓應力遠小于接管材料的名義屈服極限，所以接頭在正常緊固狀態下不會出現接管拔脫而導致的密封失效問題，這與現場滲漏的實際情況吻合。

3.3 滲漏原因分析

3.3.1 配管精度不夠

按照標準，接頭體旋入端的支撐面對旋入螺紋軸線的垂直度公差為0.10 mm；壓緊螺紋端面對螺紋軸線的垂直度公差為0.10 mm；卡套端內錐座對其外螺紋中徑的圓跳動公差應為0.25 mm；卡套與內錐面軸線、卡套與接管軸線的同軸度公差均為0.20 mm[1]?，F場測量發現，管路部分接頭處兩端明顯不同心，同軸度超過公差范圍。接管長度無法滿足足夠的變形余量，接頭在裝配后受到持續橫向拉扯力，導致卡套密封面受力不均勻，刃口局部嵌入接管表面凹槽深度不一致，長期運行產生間隙?？ㄌ淄忮F面與接頭體內錐面擠壓力不均勻，無法形成有效密封。接頭處螺紋配合精度不夠，螺帽絲扣長度過短，管路配合自我調整能力不足。

同時，接頭部分密封面存在毛刺和高點，影響密封有效性。這可能是因為原配件加工精度不夠，在初次裝配時就存在，也可能是由于后期拆裝過程中造成，其具體形成原因無法確定。

3.3.2 初次裝配要求高，裝配效果直接影響后續使用密封可靠性

卡套式管接頭的密封結構決定了對初次安裝的要求很高。卡套要產生形變并嵌入接管表面一定深度，需要適當的裝配力矩。當擰緊力過小時，卡套刃口與接管外壁之間只形成縮頸而不能形成切口，或是切口深度太淺，達不到密封效果，卡套外錐面與接頭體也無法形成有效接觸。當擰緊力過大時，盡管切口凹槽成型較好，但卡套本身失去彈性，產生了塑性變形，卡套與接頭體內錐面無法再次形成可靠密封帶，甚至會破壞內錐面，產生凹槽，改變密封線，不能再次使用，如圖5所示。同時卡套對壓緊螺母的防松作用降低，當系統管路振動時易引起壓緊螺母的松動。

圖5 接頭體內錐面損壞實物圖

根據有關資料顯示，管路所用φ10卡套式管接頭對應擰緊力矩參考理論值為115 N·m，如此大的力矩在施工現場很難穩定操作，因此在裝配之前必須先在專用的卡套預裝器上進行預裝，然后進行裝配，否則一次裝配合格率不超過60%。預裝切入后，剖面檢驗，卡套的刃口不得變鈍，接管被切的刃痕要規整。卡套尾部沿徑向收縮應抱住接管，允許卡套在接管上稍轉動，但不得松脫。預裝后的卡套外圓不得因中部拱形凸起過大，而被接頭體內錐面卡出痕跡，卡套的刃口部外圓也不應損傷接頭體內錐面[1]。

單卡套式管接頭大多靠手工預裝，對裝配要求高，工人的工作態度和技能水平直接影響裝配質量和密封可靠性。

3.3.3 管路振動對密封造成影響

水布埡電廠調速器在動作時，各部位操作管路和控制管路會出現輕微振動，在檢修后的第一次動作時最為明顯，正常運行時振幅變小?？刂乒苈妨鹘浐芏嚯姶砰y，電磁閥快速換向時對管路也會造成沖擊壓力。

管路接頭采用3/8″英制管螺紋，具有一定自鎖能力，但在振動、沖擊或系統有脈沖的環境中長期使用時，部分接頭體與螺母自鎖性能可能會受到影響，造成連接松動，密封失效，引起滲漏。設備運行現場并沒有固定支撐、卡扣或鎖片等固定管路的裝置，我們在歷次檢修中，也曾多次發現過螺母連接松動的現象。

3.3.4 溫差變化影響金屬材料的密封性

水布埡電廠地下廠房環境溫度波動不大。但作為調峰調頻電廠，調速器操作頻繁，運行期間油罐壓油泵經常動作，系統油溫升高；控制管路中電磁閥動作頻繁，溫度上升，熱傳遞給管路接頭；同時油路切換產生熱能，油溫升高。這些都對管路接頭造成一定的溫差影響。

接頭加工精度不高，熱處理水平有限，裝配時很難保證卡套外錐面與接頭體內錐面均勻有效地接觸，同時卡套刃口也不一定能夠按照設計要求均勻地嵌入接管外壁形成環形凹槽。加上卡套與接管、接頭體、壓緊螺母的材質不同，熱膨脹系數不同，在溫差變化大時，經過熱脹冷縮，很可能在各個密封面產生間隙，造成滲漏。

3.3.5 反復拆裝影響密封性能

每個接頭滲漏情況有所不同，每次檢修時，現場處理多以緊固為主，部分拆后重新裝配。時間一長，大部分接頭都經過多次重復拆裝。

接頭在初次裝配后，卡套、接頭體和接管間產生永久性變，拆下后再次裝配時，很難產生二次變形量，多次拆裝后各密封面由于缺乏裝配補償量，易造成滲漏。反復拆裝也會在接頭體內錐面產生壓痕，影響密封性。同時，反復拆裝也容易造成接頭體外螺紋與壓緊螺母脫絲、變形等影響連接的不利情況發生。

為減少滲漏風險，重新裝配時應注意在拆前標記接頭體與壓緊螺母的相對位置；使用扳手把壓緊螺母旋轉到原先的位置；用扳手慢慢擰緊，感到扭矩略微增加即可。

4 結 語

卡套式管接頭因其結構簡單、使用方便、無需焊接等特點，廣泛地應用于水電廠液壓系統管路中，但在使用時，如果忽視對其材料、制造、檢驗、安裝、維護、檢查等方面的管理，就很容易引起滲漏。本文從水布埡電廠液控管路所用卡套式管接頭的密封結構和工作原理出發，對其密封性能進行了分析，并結合管路現場實際工作情況，在配管精度、初次安裝、管路振動、溫差變化、反復拆裝等方面對接頭出現滲漏問題的原因進行了分析，有利于后續管路密封改造工作的順利進行，也為其他電廠液壓管路在卡套式管接頭的選型、安裝、維護等方面提供了借鑒。