水布埡電廠調(diào)速器液壓控制管路密封問題分析

楊 俊

(湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)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(nèi)，總裝機(jī)184萬kW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量39.84億kW·h，是清江流域梯級(jí)滾動(dòng)開發(fā)的最上一級(jí)龍頭工程，是華中電網(wǎng)骨干調(diào)峰調(diào)頻電廠。工程于2002年1月開工，同年10月實(shí)現(xiàn)截流，2007年7月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2008年8月4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)。

調(diào)速器是保證機(jī)組頻率穩(wěn)定，維持系統(tǒng)負(fù)荷平衡的基礎(chǔ)控制設(shè)備。液壓控制管路是調(diào)速器油壓傳輸?shù)闹匾ǖ溃涿芊饪煽啃灾苯佑绊憴C(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。水布埡電廠4臺(tái)機(jī)組調(diào)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(fù)漏現(xiàn)象。本文從液控管路所用卡套式管接頭的密封結(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā)，對(duì)其密封性能進(jìn)行了分析，并結(jié)合管路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作情況，對(duì)出現(xiàn)接頭滲漏問題的原因進(jìn)行了分析和探討。

1 液控管路覆蓋范圍

水布埡電廠調(diào)速器采用的是GE公司的FC5000閥組，機(jī)械液壓回路由比例伺服閥、手/自動(dòng)切換閥、液動(dòng)停機(jī)閥、手動(dòng)緊急停機(jī)閥、電動(dòng)緊急停機(jī)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(tǒng)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(dòng)和一般用途的管路系統(tǒng)[1]。目前卡套式管接頭主要分為單卡套和雙卡套，兩者在結(jié)構(gòu)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(nèi)錐面的接頭體、帶尖銳內(nèi)刃的卡套以及起壓緊作用的螺母三部分組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單卡套式管接頭示意圖

在接頭結(jié)構(gòu)中，卡套是最關(guān)鍵的零件，外觀呈現(xiàn)為一個(gè)在內(nèi)圓端帶有刃口的金屬環(huán)，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(dāng)旋緊螺母時(shí)，卡套受到螺母螺旋力的作用，沿接頭體內(nèi)錐面軸向前進(jìn)，緊貼內(nèi)錐面徑向收縮，產(chǎn)生形變。卡套的內(nèi)刃刃口向內(nèi)收縮，在接管外壁壓出一道環(huán)形凹槽，刃口嵌入環(huán)槽內(nèi)，起到扣緊和密封作用。同時(shí)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(nèi)錐面緊密接觸，形成剛性線密封。卡套的尾端給接管一定的徑向作用力夾緊接管，防止其松動(dòng)。

單卡套式管接頭按刃口數(shù)目分為單刃式和雙刃式(又稱漸進(jìn)式多刃卡套)。單刃式卡套管接頭雖然對(duì)材質(zhì)及裝配要求高，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛，水布埡電廠液控管路均采用此結(jié)構(gòu)。

雙刃式卡套接頭以增加內(nèi)刃的方式加強(qiáng)卡套與接管的緊固性和密封性，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

國(guó)外對(duì)小管徑的管路系統(tǒng)，多采用雙卡套式管接頭，卡套由前、后卡套組合而成，結(jié)構(gòu)如圖4所示，提高了接頭的抗震性和溫差補(bǔ)償?shù)裙δ埽诖瞬恢亟榻B。

2.2 技術(shù)要求

接頭體內(nèi)錐面角度要求為24°±30＇，錐面的表面粗糙度Ra≤1.6 μm，其材質(zhì)根據(jù)工作條件可以是不銹鋼等，詳細(xì)技術(shù)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(shù)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(nèi)錐應(yīng)與卡套尾端的外錐吻合，以確保旋轉(zhuǎn)壓緊螺母時(shí)，能有效推動(dòng)卡套軸向前進(jìn)變形。壓緊螺母的材料可選擇碳鋼、不銹鋼等，詳細(xì)技術(shù)要求參見GB/T3759-2008[5]。

接管外徑應(yīng)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(xì)技術(shù)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(yīng)有裂紋、氣孔、毛刺和銳邊等。不進(jìn)行機(jī)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(biāo)注要求的所有機(jī)械加工表面的粗糙度Ra≤6.3 μm。所有未注棱邊應(yīng)倒鈍角，倒角尺寸不應(yīng)大于0.15 mm[1]。

3 液控管路接頭密封問題分析

3.1 滲漏點(diǎn)調(diào)查

對(duì)液控管路接頭近3次檢修情況進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)檢修前后存在重復(fù)滲漏點(diǎn)，且復(fù)漏率偏高，如表1所示。

3.2 正常工作壓力下連接失效計(jì)算

接管內(nèi)壓力軸向力可通過以下公式計(jì)算：

(1)

表1 檢修前后滲漏點(diǎn)調(diào)查匯總表

式中：F是管內(nèi)壓力軸向力，N；P是管內(nèi)壓強(qiáng)，MPa；φi是接管內(nèi)徑，mm。

卡套刃口對(duì)接管的單位擠壓應(yīng)力可通過以下公式計(jì)算：

(2)

式中：σj是刃口對(duì)接管的單位擠壓應(yīng)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(diào)速器液控管路工作壓力為6.3 MPa，接管規(guī)格為φ10×1.5，接頭規(guī)格為JB/T966-1977 10/G3/8，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(yīng)力遠(yuǎn)小于接管材料的名義屈服極限，所以接頭在正常緊固狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)接管拔脫而導(dǎo)致的密封失效問題，這與現(xiàn)場(chǎng)滲漏的實(shí)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(biāo)準(zhǔn)，接頭體旋入端的支撐面對(duì)旋入螺紋軸線的垂直度公差為0.10 mm；壓緊螺紋端面對(duì)螺紋軸線的垂直度公差為0.10 mm；卡套端內(nèi)錐座對(duì)其外螺紋中徑的圓跳動(dòng)公差應(yīng)為0.25 mm；卡套與內(nèi)錐面軸線、卡套與接管軸線的同軸度公差均為0.20 mm[1]。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)，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(zhǎng)度無法滿足足夠的變形余量，接頭在裝配后受到持續(xù)橫向拉扯力，導(dǎo)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(zhǎng)期運(yùn)行產(chǎn)生間隙。卡套外錐面與接頭體內(nèi)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(zhǎng)度過短，管路配合自我調(diào)整能力不足。

同時(shí)，接頭部分密封面存在毛刺和高點(diǎn)，影響密封有效性。這可能是因?yàn)樵浼庸ぞ炔粔颍诔醮窝b配時(shí)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(xù)使用密封可靠性

卡套式管接頭的密封結(jié)構(gòu)決定了對(duì)初次安裝的要求很高。卡套要產(chǎn)生形變并嵌入接管表面一定深度，需要適當(dāng)?shù)难b配力矩。當(dāng)擰緊力過小時(shí)，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(dá)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(dāng)擰緊力過大時(shí)，盡管切口凹槽成型較好，但卡套本身失去彈性，產(chǎn)生了塑性變形，卡套與接頭體內(nèi)錐面無法再次形成可靠密封帶，甚至?xí)茐膬?nèi)錐面，產(chǎn)生凹槽，改變密封線，不能再次使用，如圖5所示。同時(shí)卡套對(duì)壓緊螺母的防松作用降低，當(dāng)系統(tǒng)管路振動(dòng)時(shí)易引起壓緊螺母的松動(dòng)。

圖5 接頭體內(nèi)錐面損壞實(shí)物圖

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

單卡套式管接頭大多靠手工預(yù)裝，對(duì)裝配要求高，工人的工作態(tài)度和技能水平直接影響裝配質(zhì)量和密封可靠性。

3.3.3 管路振動(dòng)對(duì)密封造成影響

水布埡電廠調(diào)速器在動(dòng)作時(shí)，各部位操作管路和控制管路會(huì)出現(xiàn)輕微振動(dòng)，在檢修后的第一次動(dòng)作時(shí)最為明顯，正常運(yùn)行時(shí)振幅變小。控制管路流經(jīng)很多電磁閥，電磁閥快速換向時(shí)對(duì)管路也會(huì)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(dòng)、沖擊或系統(tǒng)有脈沖的環(huán)境中長(zhǎng)期使用時(shí)，部分接頭體與螺母自鎖性能可能會(huì)受到影響，造成連接松動(dòng)，密封失效，引起滲漏。設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)并沒有固定支撐、卡扣或鎖片等固定管路的裝置，我們?cè)跉v次檢修中，也曾多次發(fā)現(xiàn)過螺母連接松動(dòng)的現(xiàn)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(huán)境溫度波動(dòng)不大。但作為調(diào)峰調(diào)頻電廠，調(diào)速器操作頻繁，運(yùn)行期間油罐壓油泵經(jīng)常動(dòng)作，系統(tǒng)油溫升高；控制管路中電磁閥動(dòng)作頻繁，溫度上升，熱傳遞給管路接頭；同時(shí)油路切換產(chǎn)生熱能，油溫升高。這些都對(duì)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(shí)很難保證卡套外錐面與接頭體內(nèi)錐面均勻有效地接觸，同時(shí)卡套刃口也不一定能夠按照設(shè)計(jì)要求均勻地嵌入接管外壁形成環(huán)形凹槽。加上卡套與接管、接頭體、壓緊螺母的材質(zhì)不同，熱膨脹系數(shù)不同，在溫差變化大時(shí)，經(jīng)過熱脹冷縮，很可能在各個(gè)密封面產(chǎn)生間隙，造成滲漏。

3.3.5 反復(fù)拆裝影響密封性能

每個(gè)接頭滲漏情況有所不同，每次檢修時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)處理多以緊固為主，部分拆后重新裝配。時(shí)間一長(zhǎng)，大部分接頭都經(jīng)過多次重復(fù)拆裝。

接頭在初次裝配后，卡套、接頭體和接管間產(chǎn)生永久性變，拆下后再次裝配時(shí)，很難產(chǎn)生二次變形量，多次拆裝后各密封面由于缺乏裝配補(bǔ)償量，易造成滲漏。反復(fù)拆裝也會(huì)在接頭體內(nèi)錐面產(chǎn)生壓痕，影響密封性。同時(shí)，反復(fù)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(fā)生。

為減少滲漏風(fēng)險(xiǎn)，重新裝配時(shí)應(yīng)注意在拆前標(biāo)記接頭體與壓緊螺母的相對(duì)位置；使用扳手把壓緊螺母旋轉(zhuǎn)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(jié) 語

卡套式管接頭因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、無需焊接等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于水電廠液壓系統(tǒng)管路中，但在使用時(shí)，如果忽視對(duì)其材料、制造、檢驗(yàn)、安裝、維護(hù)、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(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā)，對(duì)其密封性能進(jìn)行了分析，并結(jié)合管路現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作情況，在配管精度、初次安裝、管路振動(dòng)、溫差變化、反復(fù)拆裝等方面對(duì)接頭出現(xiàn)滲漏問題的原因進(jìn)行了分析，有利于后續(xù)管路密封改造工作的順利進(jìn)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(hù)等方面提供了借鑒。