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高水头大尺寸进水球阀结构比较分析

在抽水蓄能电站中,使用设计压力超过500m,球阀直径超过2m的球阀非常普遍。这些球阀产品一般由主机厂家提供,在结构上各不相同,当然在电站实际运行过程中,也产生了各种不同的问题。基于上述原因,有必要对不同的结构进行比较分析,为业主单位在新的球阀采购时提供参考意见。

1 进水球阀结构简述

水轮机上游布置的水轮机进水阀,对水轮机进水起到根本的控制作用,以实现对电站的保护。每台进水阀上游通过法兰接管与电站压力钢管刚性连接,下游通过伸缩节与水轮机蜗壳连接。

进水阀安装在电站厂房阀门廊道中。阀门采用基础底板和地脚螺栓安装在箱形混凝土基础上。进水阀设计成运行时能沿着压力钢管中心线移动,以适应阀门开启或关闭时由于压力的变化而引起的压力钢管长度的微小伸缩。

当机组正常停机或检修时,应关闭进水阀。通常情况下,进水阀应在压力平衡情况下操作(即水轮机导叶关闭)。在紧急情况下,其可在水轮机全流量下关闭,即动水关闭。

一个外接旁通管路跨接在进水阀上,通过液压操作针形阀控制旁通管路的开启或关闭。在进水阀需要开启时,旁通管路用来平衡进水阀前后的压力。旁通管路也有采用内旁通的形式。

进水阀依靠油压操作接力器进行开启和关闭,也可通过油压接力器开启,重锤关闭。当然通过水操作接力器开启和关闭也是可选的方案。

操作压力油源来自独立的阀用油压装置。进水阀开启或关闭时可以独立调整,在阀门关闭位置未端还设有节流缓冲装置。如果采用的是水操作接力器,则高压水可直接从进水阀的上游接管上引出,经过滤后可作为压力水源对进水球阀的接力器进行操作。

进水阀和常规的球阀相类似,只是在阀体和活门之间有间隙。阀门两端的间隙依靠不锈钢密封圈关闭,密封圈靠压力水控制在阀体上轴向滑动。阀体上游侧密封为检修密封,阀体下游侧密封为工作密封。当进水阀全关时,工作密封自动投入。检修密封通常是开启的,仅在阀门维修时关闭。

2 结构分析比较

2.1 阀体结构分析比较

作为进水球阀的主要承压部件,阀体材料的选择和结构形式的选择是非常关键的,从已交付电站使用的球阀看,阀体普遍使用合金铸钢,材质与ZG20Mn类似。这一类铸钢有良好的铸造性能及焊接性能,一般用作铸造大截面厚壁重型铸件,如水压机大立柱、工作缸、法兰、主阀等。挪威工程师的研究表明,使用高强度的钢材不会给材料的疲劳强度带来好处。从这个角度看,阀体采用ZG20Mn或类似的材料是合适的。

从已交付电站使用的球阀看,阀体结构分以下几类:

a.整体结构,这种结构分两类:一类是阀体分半铸件,粗加工后装入活门后焊接成一体。另一类是壳体采用钢板,与前后法兰焊接成与第一类相似的分半阀体,待粗加工后装入活门后焊接成一体。对于此类结构,由于阀体是一个整体,受力后应力分布较为均匀,活门和阀轴可做成一整体,简化了活门与阀轴之间的结构。缺点是由于金加工需要在阀体-活门焊接后进行,两轴承孔的同轴度保证较其他结构困难。另外,钢板焊接结构存在焊接后变形的风险。如果在焊接后发现阀体或活门上有缺陷,活门将无法从阀体内拆出。

图1 阀体结构简图1

图2 阀体结构简图2

b.阀体在轴承后分成大小两瓣阀体,阀体间采用螺栓连接,见图3。这种阀体是目前最常采用的结构,加工制造较为方便,但活门和阀轴无法做成一体,必须对活门与阀轴之间的力和力矩传递予以充分的考虑。

图3 阀体结构简图3

c.阀体在流道中心垂直平面处左右分成两瓣阀体,阀体间采用螺栓连接,见图4。这种结构优点是活门能与阀轴做成一整体,优化了阀轴与活门的连接结构。但由于阀体的分半表面不是整圆,因此其阀体的密封将较为困难。这种结构目前已经较少使用。

图4 阀体结构简图4

d.阀体在轴承中间分成前后两瓣阀体,阀体间采用螺栓连接,见图5。这种结构的优点和缺点与结构图4的阀体相类似,目前使用也较少。

图5 阀体结构简图5

2.2 活门结构分析比较

作为进水阀的主要部件,活门通常采用与阀体相同的材料。而其结构选择通常和阀体结构的选择是相关的,以下是常用的活门结构及特点:

a.整体结构,活门与阀轴成一整体,见活门结构图1。该类结构可用于除阀体结构图3外的其他阀体,但需要注意的是,这类结构的活门,其阀轴与活门连接的根部应力较高,需要采取必要的措施降低该处的应力。

图6 活门/阀轴结构简图1

b.分体结构一,活门和阀轴通过螺栓连接,通过销套传递力矩。阀轴上与轴承和密封接触的表面堆焊不锈钢,见活门/阀轴结构图2。其优点是连接螺栓及传递力矩的销的布置较为简单,连接的刚性好。但缺点是连接螺栓/销没入水中,无法提供有效的防护。另外,如果与轴承接触的不锈钢堆焊层磨损,需要拆卸修复时较为不便。此类结构与阀体结构图3中的阀体配套使用。

图7 活门/阀轴结构简图2

c.分体结构二,活门和阀轴通过螺栓连接,通过销套传递力矩。阀轴上与轴承和密封接触的表面堆焊不锈钢,见活门/阀轴结构图3。此类结构的优点是连接螺栓布置在外面,螺栓不容易锈蚀,拆装较为方便。但缺点是受空间的限制较大,螺栓及传递力矩的销套布置较为困难。此类结构与阀体结构图3中的阀体配套使用。


图8 活门/阀轴结构简图3

2.3 工作密封结构分析比较

作为进水球阀日常工作时的主要密封部件,工作密封由安装于阀体下游法兰内的可滑动的止漏环和安装于活门上的固定密封环组成。止漏环和密封环采用不同硬度的不锈钢锻件或铸件。目前,在电站中常用的工作密封结构有以下几种。

a.密封形式一。此类工作密封的特点是止漏环安装在阀体法兰与中间环之间,断面尺寸小,即使安装于活门上的密封环在全关位置发生一定的弹性变形,止漏环在水压的作用下能很好地与安装在活门上的密封环贴合,具有较好的密封性能。

图9 工作密封结构简图1

b.密封形式二。此类工作密封的特点是止漏环安装在阀体法兰内的流道中,与第一种结构相比,止漏环断面尺寸大,刚性好。对于高水头大尺寸的球阀,必须对止漏环的断面尺寸予以充分考虑,防止因阀体变形和止漏环变形的双重影响,造成密封失效。

图10 工作密封结构简图2

c.密封形式三。此类密封与第一类的密封形式类似,区别是第一类是双作用密封,投入和脱开密封均需外部的水压介入,而对于这种密封来说,投入密封需要外部水压的介入,而脱开密封仅需要释放密封投入腔的压力,通过阀体内的水压把密封脱开。通过一个二位三通阀就可以实现工作密封的控制,因为操作介质是水,无法采用适用于液压油的滑阀式换向阀。二位三通阀较二位四通阀容易获得。

图11 工作密封结构简图3

2.4 检修密封结构分析比较

检修密封一般用于进水球阀工作密封、轴承及阀门下游侧其他部件检修时用。一般由安装于阀体上游侧法兰内的可滑动的止漏环和安装于活门上的固定密封环组成。止漏环和密封环采用不同硬度的不锈钢锻件或铸件。检修密封结构一般与工作密封结构类似,有区别的是,为保证检修工作人员的安全,检修密封均要求设置手动锁锭。目前,在电站中常用的检修密封及其锁锭装置的结构有以下几种。

a.密封结构一。密封结构与工作密封结构一基本相同,锁锭结构如图所示。这种结构需要注意的是锁锭仅起到保护作用,检修密封使用时,检修密封投入腔引入压力钢管的压力水,止漏环投入,然后投入锁锭,但锁锭投入不宜过紧,以免损伤锁锭。在需要脱开锁锭时,一般要求上游侧的水压高于或等于投入时的压力,否则锁锭容易卡死。

图12 检修密封结构简图1

b.密封结构二,从密封结构与工作密封结构二基本相同,锁锭结构如图所示。对于这种结构,其锁锭杆的受力优于第一种结构,不容易出现锁锭卡死的情况。

图13 检修密封结构简图2

c.密封结构三,从密封结构与工作密封结构三基本相同,锁锭结构如图所示。对于这种结构,其锁锭杆的受力与第二种结构类似,操作较为方便。

图14 检修密封结构简图3

2.5 操作机构结构分析比较

进水球阀的操作机构,用于进水球阀的开关操作,常用的有以下几种形式:

a.重锤和接力器:结构如图15所示。关闭时依靠重锤的力矩完成90%的关闭,最后10%通过接力器和重锤联合作用进行关闭,采用油压作用于接力器开启腔,使接力器在上下游平压的情况下开启。当然从设计上来说,更优的方案是采用纯重锤进行关闭,该结构可实现在油压装置失压的情况下,能实现进水球阀可靠的关闭。

b.油操作接力器:结构见图16。进水球阀的开启和关闭均通过油压操作接力器完成。此类结构的优点是占用的空间小、维护方便,缺点是其开关必须要有压力油源,如果压力油源出现问题,进水阀将无法实现关闭。

图15 操作机构结构简图1

图16 操作机构结构简图2

c.水操作接力器:其结构形式与油操作接力器类似。进水球阀的开启和关闭均通过水操作接力器完成,而其压力水源来自于阀前的压力钢管。其可靠性优于油压操作的接力器。但由于操作介质为水,其控制系统的电磁阀、换向阀不能采用常规的产品,可供选择的产品较少,成本也较高。

2.6  其他部件

在进水球阀中,一些比较小但又非常重要的部件,同样需要予以关注。

a.进水球阀轴承。目前的进水球阀中普遍采用了自润滑轴承,自润滑轴承的种类较多,从目前的使用情况看,铜基镶嵌石墨自润滑轴承和DEVA-BM或类似材料的轴承应用较多,使用效果也较好。从电站运行维护的角度看,大尺寸高水头电站的进水球阀尺寸大、重量重,轴承更换时需要排空引水钢管,实际检修时会碰到轴承难以拆出等一系列问题。因此,尽可能延长轴承的使用寿命是非常必要的。有效的途径是增大阀轴的直径,降低轴承工作时的应力水平。当然阀轴直径的增大会使阀门开关所需的操作力矩增加,使制造成本增加。

b.密封位置指示。进水球阀目前采用的密封指示有两种:一种是机械式的,指示杆随止漏环的位置移动而变动,指示杆引出到外部,与行程开关接触发出投入\脱开信号。另一种采用耐高压的接近开关,通过接近开关感应止漏环位置发出投入/脱开信号。这两种结构均是可行的,但需要注意的是,密封位置指示的设置位置必须考虑方便更换。

c.工作密封和检修密封上的软密封。目前投运的进水球阀中,普遍采用了D形密封和组合密封,早期的进水球阀采用了O形圈,但由于O形圈在工作时容易扭曲、挤出破坏,已经很少采用。

3 结语

进水球阀对机组的事故保护和检修起着重要的作用,其运行性能将直接影响电站的经济效益和安全性。因此,在进行进水球阀设计时,必须从材料选择、强度、刚度、制造、试验和运行、维护多个角度全方位进行考虑和比较,为电站的安全运行提供有力保障。

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