天荒坪抽水蓄能電站進水球閥螺栓緊固工藝研究與實踐

施玉澤

（中國水利水電第十四工程局有限公司機電安裝事業部，云南 昆明 650032）

0 引言

天荒坪抽水蓄能電站位于浙江省安吉縣境內，安裝有6臺機組進水閥（以下簡稱球閥）。機組球閥自首臺機組投產以來運行至今近20年。抽水蓄能電站啟停頻繁，球閥每天啟閉次數達3～6次，據不完全統計進水閥的開關次數已達萬次左右。近年來，球閥在運行過程及防水淹廠房自檢過程中出現如下安全性缺陷：球閥樞軸偏磨漏水；球閥工作密封及檢修密封漏水；球閥伸縮節活動法蘭處漏水；為確保電站安全運行，在2019年度決定對球閥進行大修，拆除6臺球閥并返廠進行修復后回裝。球閥拆除和回裝工作由中國水利水電第十四工程局有限公司負責。

1 球閥結構簡介

進水閥為臥軸雙接力器雙面密封球閥，油壓操作，通徑2 m，設計壓力887 m水柱。安裝在壓力鋼管和其蝸殼進口段之間，在水泵工況啟動、機組調相、機組正常停機和事故停機起著截斷水流的作用，在安裝初期球閥還充當高壓輸水隧道的堵頭。球閥結構示意圖如圖1所示

圖1 THP球閥結構示意圖

2 球閥上游側與壓力鋼管把合螺栓緊固原工藝分析

THP抽水蓄能電站球閥與上游壓力鋼管通過法蘭及螺栓進行連接，在直徑2 600 mm的分布圓上均布M110×6 mm的32顆螺栓將球閥與上游延伸鋼管把合。受空間影響螺栓無法采用液壓拉伸的方法進行緊固，廠家原設計為螺栓采用“氧-乙炔火焰對螺桿內孔進行加溫”加溫法進行緊固以保障螺栓伸長值。

（1）氧-乙炔火焰對螺桿內孔進行加溫裝置介紹及原理

在原廠家提供的工藝中球閥上游螺栓采用“氧-乙炔火焰對螺桿內孔進行加溫”的方法進行螺栓緊固,主要由燃燒室、焊槍卡口夾套、加溫管等部分組成，焊槍卡口夾套和燃燒室均用1Cr18Ni9Ti不銹鋼加工，加溫管的材質為3Cr19Ni4SiN不銹鋼。在進行螺栓加溫緊固時通過接在焊槍卡口夾套上的焊槍將氧氣、乙炔按一定的比例充入燃燒室內進行燃燒，同時通過焊槍卡口夾套上設置的旁通管內通入干燥壓縮空氣通過射流功效將燃燒的火焰從加溫套管吹至螺栓加溫孔底部，再從加溫套管外側與螺栓加溫孔之間的間隙帶出從通氣孔內排出，起到對螺栓加溫的作用。火焰加溫裝置如圖2所示。

圖2 螺栓火焰加溫示意圖

（2）氧-乙炔火焰間接對螺桿內孔進行加溫存在的問題

1）由于在加溫過程中火焰通過加溫套管后再從套管外側與螺栓加溫孔之間進行燃燒加溫，比起沒有加溫套管的加溫方法溫度相對比較均勻，但加溫效率不高，且在加溫過程中加溫套管因受熱變形，套管與螺栓加溫孔之間間隙不均勻和火焰分布不均勻，火焰會集中在一側，導致螺栓局部受熱較大，極易發生相變及熱疲勞損傷，而且3Cr19Ni4SiN不銹鋼套管也經常性損毀。目前此工藝已逐步淡出水電施工行業。

2）火焰加溫法是對螺栓加溫孔對應部位全部進行加溫，與螺母裝配部位也同時被加溫，由于螺栓與緊固螺母之間的溫度差導致螺栓熱膨脹量大于螺母，在施工過程中往往會出現螺栓伸長值已達到但因螺母與裝配部位螺栓之間間隙過小而無法擰緊的狀況，只得待冷卻后重新進行加溫，加溫的時間上不好控制，工期也無法精準控制。

3）在《火力發電廠高溫緊固件技術導則》（DL439-91）第6.7.1條中指出：“裝卸螺栓時，用氧乙炔火把加溫中心孔會使局部孔壁產生熱損傷”，因此該導則在5.4.5.1中認定：“氧乙炔火焰加溫的缺點是火焰溫度高，而且集中，容易造成加溫孔壁局部金屬過熱，產生較大的應力，長期使用會降低螺栓的使用壽命，加溫孔壁容易產生裂紋，應限制這種加溫方法的使用”。THP電站原廠家的施工工藝雖然采用加溫套管避免了火焰的過度集中，但還是用火焰直接加溫，屬于限制使用類。

4）THP電站此次球閥大修6臺機都要進行大修，由于拆除后需返廠進行修復，工期緊，為確保工期節點必須3臺機同時拆裝才能滿足工期要求，如采用氧乙炔加溫方法，現場勢必會存放大量的氧氣、乙炔，帶來較大的安全隱患。

3 球閥上游側與壓力鋼管把合螺栓緊固采用電加熱棒加溫的可行性研究

通過對球閥上游側與壓力鋼管把合螺栓緊固原工藝分析，火焰加溫的方法不可取，且電站業主為確保設備能長期安全運行，此次檢修對把合螺栓全部進行更換，采用更先進合理的施工工藝勢在必行。經對目前國內螺栓加溫工藝的調查，除氧乙炔火焰加溫法外通常采用電加熱棒加溫法和電磁渦流感應加溫法。對現場進行實地考察后發現電磁渦流感應加溫法由于加溫感應裝置體積較大，現場無法使用，決定采用電加熱棒法進行加溫。

（1）球閥上游側與壓力鋼管把合螺栓結構及伸長值要求分析

球閥上游側與壓力鋼管把合螺栓總長為：578 mm，加溫孔深度470 mm，加溫孔直徑為Φ25（0～+0.13） mm，扣除兩端螺紋段，中間部位長度為：300 mm。螺母為M110×6，螺牙長度為95 mm，總長為170 mm，尾部配有M85的六方頭，可用扳手緊固，螺栓緊固后要求伸長值為0.88 mm。螺栓及螺母加工圖如圖3所示。

圖3 螺栓及螺母加工圖

（2）電加熱棒的功率選擇

通過對螺栓結構、尺寸的分析及伸長值的要求以及加溫時間的控制要求，同時考慮熱傳導過程中的損失等綜合因素，也咨詢了相關廠家在加熱棒外徑、長度滿足現場要求的前提條件下能制作的加熱棒的最大功率，最終確定電加熱棒的功率選擇在5～6 kW之間。通過分析加熱棒功率在此區間內可滿足施工要求。

4 球閥上游側與壓力鋼管把合螺栓緊固采用電加熱棒加溫的現場實驗

（1）第一次試驗

根據螺栓加溫孔等相關尺寸，第一次由廠家試制了一根功率為6 kW，總長為550 mm，外徑為24.70 mm，發熱工作段長度為430 mm的加熱棒，并在現場進行試驗。第一次試驗加熱棒外形尺寸加工圖如圖4所示。

圖4 第一次試驗加熱棒加工圖

試驗方法：將螺栓水平放置在鋼板上，將加熱棒放入加溫孔內，兩端布置百分表，測量加溫時間和螺栓伸長量，試驗結果如圖5所示。

圖5 第一次試驗加溫時間和伸長量對比圖

試驗結論：加溫時間20 min左右螺栓伸長值達到1.2～1.4 mm，滿足螺栓緊固后伸長值0.88 mm的要求，但加熱棒的尺寸設計不合理，加熱棒直徑偏小導熱效果沒有達到最佳，在加溫時間和螺栓伸長值線性關系非理想狀態；加熱棒的發熱段過長，加熱棒的發熱段已經到螺栓尾端螺牙部分，這樣將會導致螺栓和螺母之間膨脹不同而咬死，而且根據螺母的結構來看，在安裝螺母后尾端還需要延長出75～80 mm，這樣加溫主要集中部位將在與螺母裝配段，不利于螺栓的拆除和安裝。

圖6 第一次現場實驗圖片

（2）第二次試驗

根據第一次的試驗結果對加熱棒的尺寸進行優化：將加熱棒的總長度修改為573 mm，發熱段長度從430 mm修改為320 mm，直徑修改為24.9 mm。由于發熱段縮短，加熱棒功率調整為5 kW。第二次試驗加熱棒外形尺寸加工圖如圖7所示。

圖7 第二次試驗加熱棒外形尺寸加工圖

第二在試驗加熱棒到貨后用同樣的方法進行了第二次試驗。試驗結果如圖8所示。

圖8 第二次驗加溫時間、溫度和伸長量對比圖

試驗結論：通過對加熱棒尺寸及發熱段長度的調整，試驗取得較好的成果，螺栓伸長值滿足要求，加溫時間和螺栓伸長值線性關系非常理想，而且新加熱棒符合現場應用的相關要求，試驗取得成功，下一步將轉入實踐應用階段。

5 球閥上游側與壓力鋼管把合螺栓緊固采用電加熱棒加溫的現場實踐

在經過二次試驗后，最終確定了電加熱棒的外形尺寸及相關參數，并與廠家訂制了一批電加熱棒用于THP電站球閥上游側與壓力鋼管把合螺栓的拆除除和緊固工作。

雖然在前期做了大量的研究和試驗，但在實際應用過程中還是出現了加熱棒燒損的問題，通過現場了解，損壞的加熱棒多發生在剛通電時段，現場經過分析導致加熱棒損壞的原因主要是螺栓加溫孔直徑為Φ25.00（0～+0.13） mm,是正偏差，而加工的加熱棒外徑為Φ24.85～24.9 mm之間，螺栓為水平安裝，在加熱棒初始階段，加熱棒與螺栓只有底部線性接觸，傳熱性能不好導致加熱棒本體溫度過高而損壞。在發現加熱棒損壞原因后，現場對施工工藝進行了改進：①在加熱棒上涂抹耐高溫導熱膏以增加初期傳熱效果。②在電加熱棒電源輸入端增加溫控裝置，在剛通電階段將工作電壓從220 V降至150 V，待加熱棒本體膨脹與螺栓加溫孔完全貼合后，再將電壓調至正常工作電壓。通過上述工藝改進后，順利完成了THP電站6臺機球閥192顆螺栓拆除、回裝工作。

6 結語

目前天荒坪抽水蓄能電站球閥檢修工程已全部結束，球閥檢修質量優良。在檢修過程中，通過對球閥與上游側壓力鋼管把合螺栓結構、緊固伸長值的要求進行了研究，分析了原火焰加溫工藝存在的問題，對采用電加熱棒進行螺栓緊固可行性進行研究和現場試驗，取得了較理想的成果并成功實踐應用，可供同類型工程參考借鑒。