水電站進水球閥密封設計優化

球閥型號QF440-WY-172；公稱直徑1720mm；升壓水頭500m；**靜水頭440m；額定流量39m3/s；開啓關閉時間60～120s；閥門全關時的漏水量2L/min；控制電源DC220V；操作電源AC380/220V,50Hz；接力器容量1407KN-m（缸徑Ø500）；控制櫃型號QKG-6.4/Ø40；油壓設備HYZ-4.0-6.4-KF(6.4MPa）。

該電站自2007年以來，2號機組偶爾會出現開機過程球閥工作密封止漏環（詳見圖1上II放大圖的標註）無法自動退出的情況。在2007年年底機組小修後，開機過程中球閥工作密封經常出現無法自動退出故障。現場現象爲：工作密封無法退出時，工作密封投入腔壓力雖未下降，但球閥控制櫃HV10液動閥已動作換向，排水管有水流排出，HV10液動閥本體有持續水流聲音；對工作密封投入腔進行排水後，工作密封能正常退出，HV10液動閥本體持續水流聲音消失。經排查，認爲造成工作密封無法自動退出的原因可能是投入腔（見圖2上517對應腔）與排污腔（見圖2上518對應腔）之間密封不良引起。針對工作密封投入腔與球閥下遊水相通情況進行分析，有三種可能：

(1）工作密封止漏環**一道“D”型密封（見圖1上II放大圖標註的密封3）遭砂子等異物損壞。

(2）導環與止漏環的密封面遭到砂子等異物破壞造成局部損傷。

(3）設計先天不足，加大**一道密封圈的密封裕量設計。

圖1 部分球閥總裝配圖   下載原圖

三種情況都只能待2號機小修時拆下工作密封纔可以解決。

結合2008年底該電站2號機組小修，拆下球閥工作密封進行檢查，發現**一道“D”型密封壓緊量偏小，工作密封結合面沒有損傷。根據檢查情況，決定採取不換工作密封只更換三道“D”型密封的措施。**一道密封換上壓緊量加大0.1～0.4mm的“D”型密封後，小修做試驗及剛投入運行時工作密封投退正常。機組投入運行11天，球閥在關閉流程執行完畢後出現工作密封無法自動投入到位故障，經現場檢查，現象如下：

(1）工作密封在旁通閥打開的情況下止漏環能夠投入到位，工作密封投入腔水壓達到4.3～4.5MPa範圍。

(2）旁通閥關閉後工作密封會向下遊側退出1.1mm左右，工作密封投入腔、檢修密封退出腔及蝸殼水壓在2.0～2.3MPa範圍，蝸殼前鋼管處有尖銳的水流聲，工作密封無法投到位。

(3）此時打開旁通閥執行工作密封退出操作，往往無法退出。經多次手動開關旁通閥及投退工作密封，使得工作密封止漏環投入到位情況下，工作密封才能正常退出。

(4）檢查工作密封投入不到位情況下，HV10液動閥已切換到位，壓力水源已進入工作密封投入腔，且HV10液動閥排水管無水流排出；檢查導環與球閥結合面均無間隙；旁通閥打開，工作密封在退出狀態情況下，打開工作密封投入腔排污閥無水流流出。

針對上述情況，採取瞭如取消行程閥及液動閥節流塞及對液動閥進行擴孔等措施，問題仍沒能得到解決。考慮到工作密封密封裕量可能滿足不了不利工況下設計公差情況，請廠家對**一道“D”型密封壓緊量進行全方位複覈。結果表明：工作密封投入、旁通閥關閉的*不利工況下，**一道“D”型密封不僅沒壓緊量，還出現一定的間隙。結合2009年10月底機組小修，採取進一步加大**一道“D”型密封裕量設計。運行至今，2號球閥未再出現過類似工作密封止漏環投退相關問題。

2016年底，該電站2號機進行小修，球閥檢修密封投退正常。2017年3月該機進行檢查性D修，投入檢修密封後密封漏水量明顯增大，閥體底部排水閥有帶壓排水的現象。經綜合分析認爲是電站計算機監控系統程序錯誤，導致2號機發生動水關球閥，檢修密封工作面發生損壞。該問題影響機組檢修時球閥之後的水輪機導水機構、轉輪、尾水管等設備的檢查與維修。爲此，電站決定2017年底對12.5km引水隧洞進行排空，對球閥檢修密封進行拆卸更換。從現場拆卸的情況來看，球閥檢修密封損壞均發生在水平中心線以下，左右基本對稱，長度各爲約450mm。

從金屬密封相互摩擦而形成的擦傷痕跡來看，基本可以肯定這種痕跡是在閥門關閉過程中產生的，且可以看出其是一次性產生的。所以可以排除在靜水開啓或關閉時產生擦傷的可能性。故下面的分析是基於閥門動水關閉的情況考慮的。

經對各零部件和系統在動水關閉時的受力和變形情況分析，閥體頂部方向的變形和閥體水平中心線向外側方向的變形量均不超過0.2mm，這個變形量對D形密封不會產生任何影響。止漏環與水接觸的表面，由於活門在全開位置時檢修密封投入和退出腔均通排水，故按無壓考慮，這個表面受到4.4MPa的水壓作用。止漏環受到向外徑方向的擴張力和一個朝向上遊側的一個水推力的作用，這個水推力是由於面積差引起的。這二個力使得止漏環貼緊上遊側進水接管法蘭，同時向外徑方向擴張貼近檢修密封襯環。這種情形對D形密封圈的密封效果應該是有利的。

從上述的分析情況來看，止漏環與固定密封環在靜水工況下開啓或關閉不會產生任何幹涉現象，在動水關閉初期也不會產生幹涉。但注意到活門在接近全關位置（還未完全關閉）時，止漏環周邊的水壓力分佈情況會發生改變。從流體力學角度來看，由於下遊水輪機導葉處於開啓位置，當閥門處於全關位置時，將會有高速水流流過止漏環與密封環之間的環形區域。這股高速水流導致了止漏環下遊側鼻端低壓區的產生，由於此時止漏環投入腔和退出腔均無壓力,所以止漏環（詳見圖1上I放大圖的標註）將在上下遊壓差的作用下自動投入。

需要說明的是，閥門從全開位置開始動水關閉的過程中，這個間隙是逐步形成的。在閥門接近全關位置的某個角度，該臨界間隙形成，止漏環上、下遊側的壓力平衡被打破，止漏環自動向下遊側移動而導致更小的過水間隙產生，這將加速將止漏環推向下遊側直至與正在轉動的固定密封環發生幹涉；由於閥門還未完全關閉，密封環水平中心線以上的部分和幹涉區以下的區域還未完全到達齧合區，這就解釋了爲何幹涉發生的損壞區域均出現在水平中心線以下且左右基本對稱。同時也與球閥在動水關閉過程中曾出現的卡滯現象相吻合。這個問題的產生是由於液壓系統原始設計考慮不周而導致的，**將球閥機械液壓系統圖（圖2）的檢修密封操作水管路沿標號12345管路改爲標號1直接接到標號5的管路上，同時將檢修密封投入腔（見圖2上514對應腔）排污閥V57（即中間排污閥門）由常閉改爲常開，保證球閥在機組或本體非檢修工況下，檢修密封退出腔（見圖2上515對應腔）始終保持有壓態。這樣，即使發生球閥動水關閉，也不會造成檢修密封固定密封環與止漏環因撞擊造成工作面損壞問題。

圖2 部分球閥機械液壓系統   下載原圖

根據電站安裝的施工安排，一般情況下，壓力鋼管與球閥、水輪機蝸殼是屬於不同施工單位。安裝順序是壓力鋼管先安裝、蝸殼後安裝，**安裝球閥。安裝過程中混凝土變形及支撐等問題，都可能造成球閥伸縮節鬆套法蘭中心與蝸殼中心不一致、鬆套法蘭與蝸殼法蘭連接面不平行問題，當超差量超過普通密封的密封裕量時，機組投入運行後，鬆套法蘭密封面將會漏水。爲此，結合現場實際，更換使用了新設計的自適應密封（詳見圖3）,可從根源上將漏水問題予以解決。

圖3 自適應密封   下載原圖

該電站球閥多個問題的分析與處理總結如下：

(1）技術管理人員在掌握豐富實踐經驗及多方面知識後，可以在設計、製造、檢修工藝及**相關標準等基礎上進行各方面的方案優化，有效促成現場問題的解決，促進相關標準的修訂。

(2）對電廠或生產車間的泄漏問題，可結合各種密封特點，進行巧妙設計組合，可從本質上促進無泄漏工廠的創建。