蝴蝶閥漏水問題的處理和分析

沈春峰

(中國華電工程(集團)有限公司,北京 100035)

0 引言

大港水電站位于福建省寧德市,是七都溪流域的第 5級電站,為引水式地面廠房,廠址位于攔河壩下游 4 km處,引水隧洞長度為 986m,壓力鋼管長度(至#2蝴蝶閥前端位置)為 121m。水電站設計水頭 81m,最高水頭 87.5m,最低水頭 76m。電站裝機容量 2×7MW,1998年11月正式投入商業運行。

水輪機進水主閥為雙平板式臥軸蝴蝶閥,型號是 PDF100-WY-150,主要參數為:直徑,1 500 mm;設計最高靜水頭,100m;升壓水頭,143m;通水流量,10.07m3/s;正常操作油壓,2.5MPa;最低操作油壓,1.48MPa;搖擺式接力器直徑,350mm;關閉時間 ,小于 2min。

1 問題的提出

2003年8月1日,由于水庫水位較低,#2機組長時間不開機,為減少水輪機導水機構導葉的漏水量,18:05,值班人員去現地手動關閉#2機組蝴蝶閥。在關閉過程中,發現蝴蝶閥按正常關閉流程動作結束后,在尾水管進入門處和水機室內仍可聽到較大而清晰的水流聲,這說明該主閥沒有完全關閉而出現了漏水現象。經技術人員現場檢查發現,接力器的鎖定裝置沒有正常投入到位,鎖定裝置的閥軸與鎖定塊內孔中心之間還有近20mm的錯位。此后經多次遠方自動和現地手動關閉試驗,均發現存在這種問題。

由于該電站為引水式電站,且為有壓引水,壓力引水系統較長,卻又未裝設事故快速閘門,而是把水輪機蝸殼前端的蝴蝶閥作為事故閘門,所以,蝴蝶閥在電站機組的日常運行中具有重要作用,要求其在機組緊急停機時必須能及時關閉。但若蝴蝶閥在關閉時發生較大的漏水,就失去了應有的作用,會導致事故時機組轉速降不下來,延長停機時間,可能使事故擴大化,故其故障已對電站設備的安全、可靠、穩定運行構成嚴重威脅。

2 處理過程和原因分析

由于該電站蝴蝶閥前端沒有裝設事故快速閘門,在鋼管充滿水時蝴蝶閥后端漏水量很大,無法對其進行排空后進入內部檢查,因此,該問題的檢查和處理經歷了一個比較漫長和復雜的過程,經過多次處理才找到真正原因。

2.1 第 1次處理

發現問題后,剛開始測量對比發現接力器活塞桿未全關到位,查閱相關圖紙后,懷疑是活塞在缸體內運行時有卡阻,或有可能是活塞桿與活塞連接處的固定螺母松動所致。由于固定螺母在閥體內無法看到,于是決定先用 5 t的千斤頂頂在活塞桿套頭與搖臂連接處,試著加力幫助蝶閥活門的關閉,但完全沒有效果,排除了卡阻的可能性。

進一步全開、全關蝴蝶閥測量接力器活塞桿行程變化,發現恰為設計行程 601mm,這說明固定螺母也未發生松動。

綜合分析后,初步判斷有以下幾種可能性:

(1)閥體內雙平板活門周圍的實心橡膠密封圈(中硬夾布橡膠)在全開時被水中雜質(如泥沙、石塊等)沖刷,加之水流在活門處產生紊流的長期作用,使之磨損嚴重;

(2)活門與閥體內壁相接處有異物(如水中的漂浮物)卡滯;

(3)連接活門與閥體的長短閥軸上的固定錐銷脫落,活門跑位或活門周圍的密封壓板螺釘松脫等。

針對這些猜測,當時計劃從蝶閥下游側的進入門進到內部進行檢查,于是檢修人員打開蝸殼排水閥來放空里面的存水,放水經歷了約 10h,排水閥的出水量仍不見變小,檢修人員試著打開蝸殼進入門上的幾顆螺栓后即有水噴出。由于漏水量較大,無法進行進一步檢查,只好放棄。

2.2 第 2次處理

2004年7月29日,為了徹底查明原因以消除安全隱患,借著對引水系統進行檢查的機會(按照相關規程和文件的要求,引水系統的引水隧洞和壓力鋼管到了檢測的年限),在關閉引水隧洞進水口工作閘門、排空引水隧洞和壓力鋼管內的存水后,打開了蝸殼進入門進入蝴蝶閥內部進行檢查,結果發現活門及其周圍的橡膠密封圈基本完好,活門與閥體內壁相接處無異物,連接活門與閥體的長短閥軸上的固定錐銷固定良好,從而排除了第 1次處理時的懷疑因素。

對其進行開關試驗,在無水情況下開關均能到位,未發現任何間隙,鎖定也能正常投入,全關后充水也無漏水現象。但在引水系統充水結束且水壓平衡后,在有壓情況下蝴蝶閥竟無法開啟,用千斤頂等輔助工具也沒用,只好再次對引水系統進行排空操作,然后在開啟#2蝴蝶閥狀態下(#2機組水輪機導葉已全關)對引水系統進行充水,但漏水原因最終沒能查清楚。

2.3 第 3次處理

2005年1月3日,對#2機組擴大性檢修時,在引水系統排空后,檢修人員對活門進行了認真、詳細的檢查和處理。為了在特殊情況下不對#1機組的正常發電造成影響,特意定制了 1個和蝶閥配套的封堵頭備用。

2.3.1 檢查結果

(1)雙平板活門上的橡膠密封圈表面已磨損掉一層,表面粗糙不堪,呈顆粒狀,有的地方已開裂,并出現細小的缺口。

(2)在對活門與閥體接觸的斜內壁部分用磨光機打磨,將臟物、銹跡打磨干凈后,與#1蝴蝶閥進行開關比較,關閉前在 2臺蝶閥閥體的斜內壁理想關閉位置處做相應的記號。比較發現,#1蝴蝶閥全關后活門頂部與理想的垂直位置向上游側有20mm左右的傾斜,而#2蝴蝶閥全關后活門頂部向下游側有5mm左右的傾斜。由此可知,由于接力器底板安裝高程偏低,導致#2蝴蝶閥關過頭了。

2.3.2 處理過程

根據偏移情況,經測算,決定在接力器底板下兩側各墊 6mm厚的紫銅墊片。墊好后在無壓(水)情況下進行開關試驗:油壓為 2.35MPa時全關后余11mm;油壓為 1.5MPa時余 13mm,后緩慢關至11mm;當活門在油壓為 1.5MPa以上時全關過程中動作靈活平穩,無卡阻。全關后用塞尺檢查,活門與閥體內壁接觸部分基本無間隙,用 0.05mm的塞尺已塞不進去了。這說明該處理結果已基本達到相關規范和標準的要求,只是由于較長時間未充水,關閉時橡膠密封圈與閥體內壁摩擦發出較大的“吱吱”聲響。

引水系統充水完成后,在全關狀態下壓力鋼管內的水壓上升至 0.6MPa時,靠活門長軸一側內壁有小股水流出。24h后檢查,漏水情況明顯減少,僅有“滋滋”的水聲和微量水滲出。經測量,漏水量已遠小于設備廠家的要求(2.46 L/min),更遠遠小于相關國標的規定。另經測量,活門頂部距理想狀態位置余 10mm。

3 分析及處理

該電站蝴蝶閥漏水的處理過程再次說明了控制安裝質量的重要性。在安裝過程中,安裝技術人員的責任心、意識、經驗及工程監理人員的責任心、知識、質量控制要點和土建基礎件預埋時高程偏差控制等都不容輕視。

3.1 發展過程

(1)蝴蝶閥剛開始投入運行時,由于橡膠密封圈是新的,外觀完好、彈性也好,即使關過了也能保證不漏水。同時,由于閥體內壁清潔、光滑,摩擦阻力很小,水輪機導葉漏水量也小,全關過一些也能正常開啟,其活門的實際動作情況就被忽視了。

運行多年以后,閥體內壁出現不同程度的銹蝕、積垢,內徑相應變小,摩擦阻力增大,水輪機導葉漏水量也增大,關閉時間相應延長。此后,活門在關閉過程中的動作有了一定的遲滯,尤其是在即將全關阻力最大的時候,但自動控制回路中相關繼電器的動作并沒有設定一定的延時,結果在指示蝴蝶閥全關狀態的繼電器剛一動作,活門實際上還沒有完全關到位時,投入鎖定的繼電器就緊跟著馬上動作了。

(2)由于反映蝴蝶閥活門位置的限位開關的行程開關支架是用較小的扁鐵做的,強度不夠,當反映活門全開全關位置的行程開關碰到隨搖臂一起運動的撥桿時,被撥桿抵住而動作,由于撥桿轉動的力很大,長此以往,行程開關支架容易發生移位,隔一段時間就需要調整其位置。

(3)在蝶閥的開關過程中,由于經常性地擠壓、摩擦,加上全開時水流中雜物的沖刷,長此以往,活門的止水橡膠圍帶不可避免地受到損傷,發生老化、磨損、開裂,盡管它在實際工作中所承受的最高靜水頭為 88.5m,小于設計的最高靜水頭,但也逐漸出現滲水并一步步發展為漏水。尤其是在汛期行洪期間,水中夾雜有大量的石塊、粗砂等異物,與在閥體中央的活門周圍的橡膠密封圈發生碰撞,更加大了擦傷的可能性。

(4)在蝴蝶閥的安裝過程中,接力器鎖定位置的確定是在活門的全開全關位置確定之后才定位的,既然剛開始在活門關閉狀態下,接力器鎖定可以正常投入,說明該問題并不是一開始就有的,而是有一個漸進的過程。據了解,在機組每年的常規小修時,運行人員多采用手動關閉蝴蝶閥的方式,期間也曾發生過全關或全開后鎖定裝置未完全投入的現象,但都是差一點兒。在處理時,檢修人員大都是采用在鎖定塊兩側螺栓孔處增加數量不等的彈簧墊圈的辦法改變鎖錠閥軸的運動方向,使鎖定桿能順暢地插入鎖定塊,沒有去細想出現這種現象的深刻原因。

3.2 安裝中可能存在的問題

由于接力器活塞桿行程一定,搖臂的轉動角度(90°)一定,活門的運動行程也一定(也是旋轉90°),若活門全關過頭,那么在全開狀態下就必然沒有真正到水平位置,這樣就與水流方向有一定的夾角,必然會增大水流阻力,進一步增加了水力損失。可見,安裝時如何保證活門全開、全關位置的準確性是關鍵。在實際工作中往往存在以下可能性:

(1)安裝人員在進行設備安裝時,活門在全開情況下是否恰好在水平位置要借助于相關儀器(如方型水平儀等)進行判斷,肉眼觀察易出現誤差。對于中小機組,由于壓力鋼管體積小,閥體內空間狹小,工作人員轉身困難,在其內工作需要彎腰和爬行,極其不方便,且最多能容納 3人,再加上照明亮度不夠,往往影響安裝精度。

(2)根據 SDJ 249.3—1988《水利水電基本建設工程單元工程質量評定標準》(試行)的規定,在蝴蝶閥安裝的單元工程中,對閥體中心、閥體水平度及垂直度、活門關閉時間隙、接力器水平度及垂直度和動作試驗(無水)的要求較高,均為影響單元工程整體質量的主要檢查項目(即主控項目)。其中對盤形閥密封面間隙的要求是:合格為不超過 0.05mm,優良為不超過 0.02mm。對動作試驗(無水)的要求是:動作平穩,活門在全開位置的開度偏差不得超過±1°。但在實際的安裝工作中,由于 0.02mm的塞尺偏軟,易發生卷曲,使用不方便,故安裝或檢修人員進行測量工作時多用 0.05mm的塞尺代替,靠個人的手感及遇到的阻力大小來判斷,有意無意地降低了安裝的精度。

3.3 安裝和檢修建議

由于蝴蝶閥本身就存在全關狀態時易漏水的缺陷,減少其漏水量成了考核安裝質量高低的重要指標之一。

(1)安裝時,除了在全開時用方形水平儀進行校準外,在全關情況下,可通過在閥體斜內壁上最理想關閉位置(斜內壁與直內壁交接線處)上、下各畫線作記號,然后用一精度較高(如精確到 0.5mm等)的鋼板尺測量確定活門的垂直度是否在允許范圍之內,并根據活門實際關閉位置距記號線的距離來確定接力器底板的高度。該法比較方便、精確且易于分析判斷。當然,2種方法相互配合,可進一步提高安裝質量。

(2)活門開度偏差按要求不應超過 ±1°,但為負偏差時,即蝴蝶閥關過后,會導致開啟時摩擦力和阻力過大,如果再加上活動導葉漏水量大,上下游壓力不平衡等因素,在扭矩不夠大時,就可能導致蝴蝶閥活門無法開啟。對該電站來說,#2蝴蝶閥全關后活門頂部向下游側僅有 5mm左右的傾斜,盡管遠小于安裝和驗收規范的要求(針對該電站經換算后小于 13mm即可),但一段時間后也不能正常開啟了,因此,盡量以正偏差為好。

(3)對#1蝴蝶閥來說,活門頂部向上游側有 20 mm左右的傾斜,已大于安裝和驗收規范的要求了,建議有機會對其進行適當的調整,以延長橡膠圍帶等的使用壽命。

3.4 防范措施

為了保證蝴蝶閥能有好的工作狀態,除了嚴控安裝質量外,在日常運行中還應做好以下幾個方面的工作:

(1)限位開關的動作機構采用牢靠的固定支架,行程開關采用防水、抗振、測量穩定、動作可靠性高的產品;

(2)經常性地檢查各密封部分滲漏情況,發現異常及時處理;

(3)定期對蝴蝶閥閥體內壁、活門及其密封壓板等進行除垢、除銹,并噴涂新型耐磨、防銹結垢材料等維護工作;

(4)定期進行開關檢測,以防銹蝕卡緊而在緊急停機時操作失靈;及時更換橡膠密封圈,對閥體兩端軸承定期加注黃油等;

(5)定期檢查并調整導水機構活動導葉相關間隙,盡量減少漏水量,使蝴蝶閥前后壓力更接近于平衡。

4 結束語

經過 3年多的運行,#2蝴蝶閥再未出現明顯的漏水情況,說明該處理方法是正確的。為了處理該缺陷,對引水系統進行了 3次充放水,浪費了大量的時間、人力和物力,僅放空引水系統棄掉的水量就少發電約 5686 kW·h。鑒于蝴蝶閥活門上的密封圈老化、磨損嚴重,部分地方已開裂,且已接近自然壽命,安全性已大為降低,建議擇機更換,并盡量選用優質的高彈性、耐久性的橡膠密封圈,提高止水的效果和使用壽命。同時,建議通過進一步完善蝴蝶閥開關自動控制回路,更換行程開關及固定支架等,提高蝴蝶閥工作的可靠性。