高水頭大尺寸進水球閥結構比較分析

樓 勇，姜澤界，曾 輝，顧希明

(華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江 天荒坪 313302)

高水頭大尺寸進水球閥結構比較分析

樓 勇，姜澤界，曾 輝，顧希明

(華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江 天荒坪 313302)

在抽水蓄能電站中，高水頭大尺寸的進水球閥應用較為普遍，不同的制造廠采用了各不相同的結構，在電站的運行中也出現了各種問題，對球閥的各個主要部件結構進行分析，提出可能存在的問題和改進建議。

水電站；高水頭；大尺寸；進水球閥；結構比較

在抽水蓄能電站中，使用設計壓力超過500 m， 球閥直徑超過2 m的球閥非常普遍。 這些球閥產品一般由主機廠家提供，在結構上各不相同，當然在電站實際運行過程中，也產生了各種不同的問題。 基于上述原因，有必要對不同的結構進行比較分析，為業主單位在新的球閥采購時提供參考意見。

1 進水球閥結構簡述

水輪機上游布置的水輪機進水閥，對水輪機進水起到根本的控制作用，以實現對電站的保護。每臺進水閥上游通過法蘭接管與電站壓力鋼管剛性連接，下游通過伸縮節與水輪機蝸殼連接。

進水閥安裝在電站廠房閥門廊道中。閥門采用基礎底板和地腳螺栓安裝在箱形混凝土基礎上。進水閥設計成運行時能沿著壓力鋼管中心線移動，以適應閥門開啟或關閉時由于壓力的變化而引起的壓力鋼管長度的微小伸縮。

當機組正常停機或檢修時，應關閉進水閥。通常情況下，進水閥應在壓力平衡情況下操作(即水輪機導葉關閉)。在緊急情況下，其可在水輪機全流量下關閉，即動水關閉。

一個外接旁通管路跨接在進水閥上，通過液壓操作針形閥控制旁通管路的開啟或關閉。在進水閥需要開啟時，旁通管路用來平衡進水閥前后的壓力。旁通管路也有采用內旁通的形式。

進水閥依靠油壓操作接力器進行開啟和關閉，也可通過油壓接力器開啟，重錘關閉。當然通過水操作接力器開啟和關閉也是可選的方案。

操作壓力油源來自獨立的閥用油壓裝置。進水閥開啟或關閉時可以獨立調整，在閥門關閉位置未端還設有節流緩沖裝置。如果采用的是水操作接力器， 則高壓水可直接從進水閥的上游接管上引出， 經過濾后可作為壓力水源對進水球閥的接力器進行操作。

進水閥和常規的球閥相類似，只是在閥體和活門之間有間隙。閥門兩端的間隙依靠不銹鋼密封圈關閉，密封圈靠壓力水控制在閥體上軸向滑動。閥體上游側密封為檢修密封，閥體下游側密封為工作密封。當進水閥全關時，工作密封自動投入。檢修密封通常是開啟的，僅在閥門維修時關閉。

2 結構分析比較

2.1 閥體結構分析比較

作為進水球閥的主要承壓部件，閥體材料的選擇和結構形式的選擇是非常關鍵的，從已交付電站使用的球閥看，閥體普遍使用合金鑄鋼，材質與ZG20Mn類似。這一類鑄鋼有良好的鑄造性能及焊接性能，一般用作鑄造大截面厚壁重型鑄件，如水壓機大立柱、工作缸、法蘭、主閥等。挪威工程師的研究表明， 使用高強度的鋼材不會給材料的疲勞強度帶來好處。 從這個角度看，閥體采用ZG20Mn或類似的材料是合適的。

從已交付電站使用的球閥看， 閥體結構分以下幾類：

a.整體結構，這種結構分兩類：一類是閥體分半鑄件，粗加工后裝入活門后焊接成一體。另一類是殼體采用鋼板，與前后法蘭焊接成與第一類相似的分半閥體，待粗加工后裝入活門后焊接成一體。對于此類結構，由于閥體是一個整體，受力后應力分布較為均勻， 活門和閥軸可做成一整體，簡化了活門與閥軸之間的結構。缺點是由于金加工需要在閥體-活門焊接后進行， 兩軸承孔的同軸度保證較其他結構困難。另外，鋼板焊接結構存在焊接后變形的風險。如果在焊接后發現閥體或活門上有缺陷，活門將無法從閥體內拆出。

圖1 閥體結構簡圖1Fig.1 Valve body structure diagram 1

圖2 閥體結構簡圖2Fig.2 Valve body structure diagram 2

b.閥體在軸承后分成大小兩瓣閥體，閥體間采用螺栓連接，見圖3。這種閥體是目前最常采用的結構，加工制造較為方便，但活門和閥軸無法做成一體，必須對活門與閥軸之間的力和力矩傳遞予以充分的考慮。

c.閥體在流道中心垂直平面處左右分成兩瓣閥體，閥體間采用螺栓連接，見圖4。這種結構優點是活門能與閥軸做成一整體，優化了閥軸與活門的連接結構。但由于閥體的分半表面不是整圓，因此其閥體的密封將較為困難。這種結構目前已經較少使用。

圖3 閥體結構簡圖3Fig.3 Valve body structure diagram 3

圖4 閥體結構簡圖4Fig.4 Valve body structure diagram 4

d.閥體在軸承中間分成前后兩瓣閥體，閥體間采用螺栓連接，見圖5。這種結構的優點和缺點與結構圖4的閥體相類似，目前使用也較少。

圖5 閥體結構簡圖5Fig.5 Valve body structure diagram 5

2.2 活門結構分析比較

作為進水閥的主要部件， 活門通常采用與閥體相同的材料。而其結構選擇通常和閥體結構的選擇是相關的， 以下是常用的活門結構及特點：

a.整體結構， 活門與閥軸成一整體，見活門結構圖1。該類結構可用于除閥體結構圖3外的其他閥體，但需要注意的是，這類結構的活門，其閥軸與活門連接的根部應力較高，需要采取必要的措施降低該處的應力。

圖6 活門/閥軸結構簡圖1Fig.6 Valve rotor/bearing structure diagram 1

b.分體結構一，活門和閥軸通過螺栓連接，通過銷套傳遞力矩。閥軸上與軸承和密封接觸的表面堆焊不銹鋼，見活門/閥軸結構圖2。其優點是連接螺栓及傳遞力矩的銷的布置較為簡單， 連接的剛性好。但缺點是連接螺栓/銷沒入水中，無法提供有效的防護。另外，如果與軸承接觸的不銹鋼堆焊層磨損，需要拆卸修復時較為不便。此類結構與閥體結構圖3中的閥體配套使用。

圖7 活門/閥軸結構簡圖2Fig.7 Valve rotor/bearing structure diagram 2

c.分體結構二，活門和閥軸通過螺栓連接，通過銷套傳遞力矩。閥軸上與軸承和密封接觸的表面堆焊不銹鋼，見活門/閥軸結構圖3。此類結構的優點是連接螺栓布置在外面，螺栓不容易銹蝕，拆裝較為方便。但缺點是受空間的限制較大，螺栓及傳遞力矩的銷套布置較為困難。此類結構與閥體結構圖3中的閥體配套使用。

圖8 活門/閥軸結構簡圖3Fig.8 Valve rotor/bearing structure diagram 3

2.3 工作密封結構分析比較

作為進水球閥日常工作時的主要密封部件，工作密封由安裝于閥體下游法蘭內的可滑動的止漏環和安裝于活門上的固定密封環組成。止漏環和密封環采用不同硬度的不銹鋼鍛件或鑄件。目前，在電站中常用的工作密封結構有以下幾種。

a.密封形式一。此類工作密封的特點是止漏環安裝在閥體法蘭與中間環之間，斷面尺寸小，即使安裝于活門上的密封環在全關位置發生一定的彈性變形，止漏環在水壓的作用下能很好地與安裝在活門上的密封環貼合，具有較好的密封性能。

圖9 工作密封結構簡圖1Fig.9 Valve service seal structure diagram 1

b.密封形式二。此類工作密封的特點是止漏環安裝在閥體法蘭內的流道中，與第一種結構相比，止漏環斷面尺寸大，剛性好。對于高水頭大尺寸的球閥，必須對止漏環的斷面尺寸予以充分考慮，防止因閥體變形和止漏環變形的雙重影響，造成密封失效。

圖10 工作密封結構簡圖2Fig.10 Valve service seal structure diagram 2

c.密封形式三。此類密封與第一類的密封形式類似，區別是第一類是雙作用密封，投入和脫開密封均需外部的水壓介入，而對于這種密封來說，投入密封需要外部水壓的介入，而脫開密封僅需要釋放密封投入腔的壓力，通過閥體內的水壓把密封脫開。通過一個二位三通閥就可以實現工作密封的控制，因為操作介質是水，無法采用適用于液壓油的滑閥式換向閥。二位三通閥較二位四通閥容易獲得。

圖11 工作密封結構簡圖3Fig.11 Valve service seal structure diagram 3

2.4 檢修密封結構分析比較

檢修密封一般用于進水球閥工作密封、軸承及閥門下游側其他部件檢修時用。一般由安裝于閥體上游側法蘭內的可滑動的止漏環和安裝于活門上的固定密封環組成。止漏環和密封環采用不同硬度的不銹鋼鍛件或鑄件。檢修密封結構一般與工作密封結構類似，有區別的是，為保證檢修工作人員的安全，檢修密封均要求設置手動鎖錠。目前，在電站中常用的檢修密封及其鎖錠裝置的結構有以下幾種。

a.密封結構一。密封結構與工作密封結構一基本相同，鎖錠結構如圖所示。這種結構需要注意的是鎖錠僅起到保護作用，檢修密封使用時，檢修密封投入腔引入壓力鋼管的壓力水，止漏環投入，然后投入鎖錠，但鎖錠投入不宜過緊，以免損傷鎖錠。在需要脫開鎖錠時，一般要求上游側的水壓高于或等于投入時的壓力， 否則鎖錠容易卡死。

圖12 檢修密封結構簡圖1Fig.12 Valve maintenance seal structure diagram 1

b.密封結構二，從密封結構與工作密封結構二基本相同，鎖錠結構如圖所示。對于這種結構，其鎖錠桿的受力優于第一種結構，不容易出現鎖錠卡死的情況。

圖13 檢修密封結構簡圖2Fig.13 Valve maintenance seal structure diagram 2

c.密封結構三，從密封結構與工作密封結構三基本相同，鎖錠結構如圖所示。對于這種結構，其鎖錠桿的受力與第二種結構類似，操作較為方便。

圖14 檢修密封結構簡圖3Fig.14 Valve maintenance seal structure diagram 3

2.5 操作機構結構分析比較

進水球閥的操作機構， 用于進水球閥的開關操作， 常用的有以下幾種形式：

a.重錘和接力器：結構如圖15所示。關閉時依靠重錘的力矩完成90%的關閉，最后10%通過接力器和重錘聯合作用進行關閉，采用油壓作用于接力器開啟腔，使接力器在上下游平壓的情況下開啟。當然從設計上來說，更優的方案是采用純重錘進行關閉，該結構可實現在油壓裝置失壓的情況下，能實現進水球閥可靠的關閉。

b.油操作接力器：結構見圖16。進水球閥的開啟和關閉均通過油壓操作接力器完成。此類結構的優點是占用的空間小、維護方便，缺點是其開關必須要有壓力油源，如果壓力油源出現問題，進水閥將無法實現關閉。

圖15 操作機構結構簡圖1Fig.15 Valve operating mechanisms structure diagram 1

圖16 操作機構結構簡圖2Fig.16 Valve operating mechanisms structure diagram 2

c.水操作接力器：其結構形式與油操作接力器類似。進水球閥的開啟和關閉均通過水操作接力器完成，而其壓力水源來自于閥前的壓力鋼管。其可靠性優于油壓操作的接力器。但由于操作介質為水，其控制系統的電磁閥、換向閥不能采用常規的產品，可供選擇的產品較少，成本也較高。

2.6 其他部件

在進水球閥中，一些比較小但又非常重要的部件， 同樣需要予以關注。

a.進水球閥軸承。目前的進水球閥中普遍采用了自潤滑軸承，自潤滑軸承的種類較多，從目前的使用情況看，銅基鑲嵌石墨自潤滑軸承和DEVA-BM或類似材料的軸承應用較多，使用效果也較好。從電站運行維護的角度看，大尺寸高水頭電站的進水球閥尺寸大、重量重，軸承更換時需要排空引水鋼管，實際檢修時會碰到軸承難以拆出等一系列問題。因此,盡可能延長軸承的使用壽命是非常必要的。有效的途徑是增大閥軸的直徑，降低軸承工作時的應力水平。當然閥軸直徑的增大會使閥門開關所需的操作力矩增加，使制造成本增加。

b.密封位置指示。進水球閥目前采用的密封指示有兩種：一種是機械式的，指示桿隨止漏環的位置移動而變動， 指示桿引出到外部，與行程開關接觸發出投入脫開信號。另一種采用耐高壓的接近開關，通過接近開關感應止漏環位置發出投入/脫開信號。這兩種結構均是可行的，但需要注意的是， 密封位置指示的設置位置必須考慮方便更換。

c.工作密封和檢修密封上的軟密封。目前投運的進水球閥中，普遍采用了D形密封和組合密封，早期的進水球閥采用了O形圈，但由于O形圈在工作時容易扭曲、擠出破壞，已經很少采用。

3 結語

進水球閥對機組的事故保護和檢修起著重要的作用，其運行性能將直接影響電站的經濟效益和安全性。因此，在進行進水球閥設計時，必須從材料選擇、強度、剛度、制造、試驗和運行、維護多個角度全方位進行考慮和比較，為電站的安全運行提供有力保障。

[1] 聞邦椿.機械設計手冊[K].北京：機械工業出版社，2004.

Comparison analysis on inlet ball value in jumbo size of high water head

LOU Yong, JIANG Ze-jie, ZENG Hui, GU Xi-ming

(East China Tianhuangping Pumped Storage Co., Ltd., Tianhuangping 313302, China)

In pump storage power station, it is very common to use high water head and jumbo size turbine inlet valve. Different structures have been used in different suppliers, and some issues have been caused during the operation. The structure of main components of the ball value is analyzed, and the existing problems and improvement solutions are proposed in this paper.

Hydropower station; High water head; Jumbo size; Inlet ball valve; Structural comparison

2016-09-14

樓勇(1973-)，男，工程師。

TK730.47

A

1674-8646(2016)24-0052-05