天荒坪抽水蓄能電站球閥軸承異常磨損分析及建議改造方案

鄭 凱，張亞武，樓 勇，Casper Vogt-Svendsen，許立剛，姜澤界，曾 輝，顧希明，李永耀，張忠良

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江省湖州市 313302；3.挪威睿博有限公司，挪威 Kjeller；4.杭州睿博水電科技有限公司，浙江省杭州市 311215）

天荒坪抽水蓄能電站球閥軸承異常磨損分析及建議改造方案

鄭 凱1，張亞武1，樓 勇2，Casper Vogt-Svendsen3，許立剛4，姜澤界2，曾 輝2，顧希明2，李永耀4，張忠良4

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江省湖州市 313302；3.挪威睿博有限公司，挪威 Kjeller；4.杭州睿博水電科技有限公司，浙江省杭州市 311215）

針對天荒坪進水球閥出現(xiàn)軸承鋼套異常磨損的問題，分析其發(fā)生該異常磨損的原因，提出可行的處置方案并進行分析比較，最后篩選出較優(yōu)的建議改造方案，同時對該處理方案需要注意的事項提出了建議。

水電站；進水球閥；軸承

0 引言

進水球閥是抽水蓄能電站的重要設(shè)備，其運行狀況的優(yōu)劣對整個電站機組的安全運行有著重要的影響，而作為在運行中承受力最大的球閥軸承成為球閥發(fā)生故障最多的部件，本文通過對天荒坪進水球閥軸承異常磨損的深入分析并提出相應(yīng)的改造方案，為蓄能電站進水球閥的類似故障處理提供借鑒。

1 工程概述

天荒坪電站共安裝 6臺通流直徑為 2m的球閥，其設(shè)計壓力為 887m水柱。自運行以來每臺球閥的開關(guān)次數(shù)已超過1萬次。近年來，由于多臺球閥的軸承蓋和壓圈處均出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，經(jīng)拆卸軸承蓋檢查后發(fā)現(xiàn)兩側(cè)軸承鋼套（見圖1序號3）與閥體接觸環(huán)面（直徑Ф820mm）出現(xiàn)不同程度的磨損，并在上游側(cè)出現(xiàn)了間隙（見圖2）。磨損使得原2道徑向安裝的密封圈（見圖1序號9）失效。運行單位及時將該2道密封采用1道軸承端蓋壓緊面上的O形密封圈代替，有效地解決了軸端蓋漏水的問題。但由于磨損也導(dǎo)致了閥軸在關(guān)閉位置時由于上游水壓的作用產(chǎn)生水平方向上向下游側(cè)移動，使軸承主密封U形密封圈（見圖1序號8）安裝腔尺寸發(fā)生了變化。雖已對U形密封圈進行了數(shù)次更換但收效不大，無法從根本上解決軸承壓圈處的漏水問題，且隨著運行次數(shù)的增加，漏水量有增大的趨勢。為此，運行單位也采取了臨時性消缺措施，于2012年在軸承鋼套與閥體軸承孔之間設(shè)置了6個20mm的圓柱銷，以限制運行時軸承鋼套與閥體接觸環(huán)面產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，同時在新的軸承蓋上做出偏心結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)閥軸實際的位置。在設(shè)置圓柱銷后，電站對其磨損情況進行了進一步的檢查，檢查發(fā)現(xiàn)該處的磨損沒有進一步的擴展。

雖然磨損沒有進一步擴展，但已磨損的區(qū)域已經(jīng)改變了球閥工作密封的投退距離，2號球閥在球閥檢修密封投入、工作密封退出及壓力鋼管充水情況下測量得到工作密封環(huán)與中間環(huán)圓周間隙為（8個測點 mm）：1.35、1.30、1.0、0.49、0.30、0.80、1.65、1.61，其最小間隙為0.30mm，而隨著機組的運行，序6軸套與序5軸襯間會出現(xiàn)正常的磨損，而該磨損會導(dǎo)致上述間隙值進一步減少。其后果是安裝于活門上的工作密封與中間環(huán)頭部干涉，導(dǎo)致密封環(huán)的損傷。

該磨損使活門上密封環(huán)的位置發(fā)生了改變，這種改變會影響球閥密封的效果，將導(dǎo)致球閥在全關(guān)時的漏水量增加，也會使密封更容易損壞。

由于臨時性的消缺措施沒有修正軸承的位置，因此球閥是在非正常的狀態(tài)下工作，同時由于6個圓柱銷的存在，軸承鋼套拆卸會比較困難。如果需要更換球閥軸襯，實際工作中會導(dǎo)致檢修工作時間的不可控。

基于上述原因，需要找出造成軸承鋼套與軸承孔異常磨損的原因，并提出從根本上解決上述問題的解決方案。

圖1 球閥軸承簡圖Fig.1 Ball bearing diagram

圖2 軸承鋼套磨損情況Fig.2 Bearing steel bushing wear

2 軸承異常磨損原因分析

通過檢查發(fā)現(xiàn)，在球閥關(guān)閉檢修密封投入的情況下，軸承鋼套和閥體接觸環(huán)面異常磨損后出現(xiàn)的最大間隙位于上游側(cè)水平位置。因此可以認為，異常磨損發(fā)生在全關(guān)位置或接近全關(guān)的位置?；谶@種分析，在對球閥的應(yīng)力應(yīng)變進行分析時，考慮了以下幾種工況：

（1）進水球閥關(guān)閉。

（2）進水球閥平壓。

（3）進水球閥平壓后開始開啟。

制造廠在設(shè)計時，由于軸承鋼套外徑較大，考慮的是采用摩擦阻力使軸承鋼套保持不動，因此有必要對摩擦力矩進行分析，以評估該設(shè)計在天荒坪電站進水球閥上是否合適。

2.1 進水球閥關(guān)閉工況分析

球閥活門處于全關(guān)位置，工作密封投入，閥體內(nèi)部及活門上游側(cè)（止于工作密封）承受6.673MPa的水壓，活門下游側(cè)承受0.687MPa的水壓。

通過進一步分析發(fā)現(xiàn)，在閥門全關(guān)時，其軸襯的最高應(yīng)力為125.3MPa，軸襯材料選用的是DEVA BM11 CuSnPb8213/8E，其滑動層的抗壓強度為320MPa，可以滿足使用要求。由于此工況為軸襯最大的受力工況，因此在后面的計算中將不再關(guān)注該應(yīng)力。

在閥門全關(guān)時的軸襯位置，活門沿水流方向的最大位移分別為-0.87mm和-1.02mm。因此在軸襯位置，閥軸的變形量為0.15mm，而軸襯的尺寸為680（+0.125/0）mm，閥軸的尺寸為680（-0.29/0.37）mm，其最小間隙為0.29mm，遠大于閥軸的變形量，由于活門在全關(guān)時承受最大的水推力，閥軸在這個工況下變形最大。因此在后面的計算中可以忽略閥軸變形的影響。

在全關(guān)位置時，閥體最大的向內(nèi)變形尺寸為0.28mm，活門最小的向內(nèi)變形為0.36mm。因此在此工況下，軸承鋼套與活門之間的軸向間隙略有增加。

從以上分析可知，在這種工況下，軸承鋼套應(yīng)不會出現(xiàn)異常磨損。

2.2 進水球閥發(fā)電工況下靜水開啟，平壓情況應(yīng)力變形分析

球閥活門處于全關(guān)位置，旁通閥打開，工作密封脫開，閥體內(nèi)部及活門均承受6.673MPa的水壓。

按照設(shè)計圖，活門與推力墊圈之間的間隙為0.2～0.4mm，分析時設(shè)定其間隙為0.2mm。通過分析發(fā)現(xiàn)，在平壓時0.2mm的軸向間隙完全消失，墊圈表面的壓應(yīng)力最高為7MPa。

在這種工況下，軸承孔直徑沿水平方向縮小0.14mm，在垂直方向增大0.56mm。

如果墊圈與活門接觸，當活門轉(zhuǎn)動時，軸承鋼套上就有一個與活門轉(zhuǎn)動方向相同的力矩，可能帶動軸承鋼套旋轉(zhuǎn)。

同時由于閥體在承受內(nèi)壓后的變形，閥體上的軸承孔尺寸變大，導(dǎo)致軸承鋼套與閥體軸孔的配合變松，這也可能是導(dǎo)致軸承鋼套異常磨損的潛在原因。

2.3 發(fā)電工況下靜水開啟，開始開啟的工況應(yīng)力變形分析

球閥活門處于全關(guān)位置，旁通閥打開，工作密封脫開，閥體內(nèi)部及活門均承受6.673MPa的水壓。按開啟時力矩平衡考慮，接力器的操作力為606473N。

通過分析發(fā)現(xiàn)，在開始開啟時，軸承底部區(qū)域0.2mm的軸向間隙完全消失，墊圈表面的壓應(yīng)力最高為12MPa。

軸承孔直徑沿水平方向縮小0.15mm，在垂直方向增大0.59mm。

可以發(fā)現(xiàn)，這個工況存在著與第二種工況相近的問題。

2.4 摩擦力矩分析

圖1中序3軸承鋼套外徑為820mm，序5軸襯內(nèi)徑為680mm。軸承鋼套與閥體的材料均為鋼，按照文獻[1]中第29篇摩擦學(xué)設(shè)計中的推薦，鋼與鋼之間的靜摩擦摩擦系數(shù)為0.15，動摩擦系數(shù)為0.10。序6軸襯材料選用的是DEVA BM11 CuSnPb8213/8E，按照FEDERAL MOGUL公司樣本的推薦，結(jié)合不同的工作工況，其摩擦系數(shù)的變化范圍是 0.11～0.18。

假定序3軸承鋼套與閥體之間的摩擦系數(shù)為0.1，外圈不轉(zhuǎn)動，按照力矩平衡方程，序5軸襯與序6軸套之間的摩擦系數(shù)不得大于0.12。如果軸承鋼套與閥體之間的摩擦系數(shù)按中間值0.125考慮，則序6軸襯與序6軸套之間的摩擦系數(shù)不得大于0.15。如軸承鋼套與閥體間的摩擦系數(shù)按0.15考慮，則序6軸襯與序6軸套之間的摩擦系數(shù)不得大于0.18。

通過上面的有限元分析，可以看到序3軸承鋼套與閥體之間存在較大的間隙。該區(qū)域接觸表面的粗糙度較好且達到Ra3.2，而裝配時該間隙采用油脂潤滑以利于裝配，轉(zhuǎn)動時該區(qū)域充滿水，潤滑條件較好。因此可以認為軸承鋼套與閥體之間的摩擦系數(shù)較小，該摩擦系數(shù)不足以可靠地使軸承鋼套與閥體保持不轉(zhuǎn)動。

3 大修可選方案

針對天荒坪軸承出現(xiàn)的問題，必須采取措施以限制軸承鋼套的轉(zhuǎn)動。同時由于閥體軸孔已經(jīng)磨損，因此必須對球閥進行大修，以解決上述問題。對此，建議采用以下兩種方案。

（1）方案一：為限制轉(zhuǎn)動，可將軸承鋼套和軸承蓋做成一體，如圖3所示。由于閥體上軸承孔已經(jīng)磨損，其軸承孔直徑由820mm擴大為835mm（見圖3）。

（2）方案二：仍按原方案將軸承鋼套和軸承蓋做成分開的兩個零件，但軸承鋼套和軸承蓋之間裝入平鍵限制軸承鋼套的轉(zhuǎn)動，如圖4所示。由于閥體上軸承孔已經(jīng)磨損，其軸承孔外徑由820mm擴大為835mm（見圖4）。

圖3 軸承大修方案一Fig.3 Bearing overhaul plan 1

圖4 軸承大修方案二Fig.4 Bearing overhaul plan 2

4 方案比較

由于閥體上軸承孔已經(jīng)磨損，則需要加大軸承孔的尺寸，而且對于方案一來說，軸承蓋與軸承鋼套連接成一體，上述方案改變了閥體和活門的受力情況。因此需要對閥體和活門的強度做出分析。

閥體和活門按以下幾種工況進行分析：

（1）活門處于關(guān)閉位置，工作密封投入。

（2）上下游平壓，活門處于關(guān)閉位置，工作密封脫開，接力器加壓（閥門開始開啟的工況）。

（3）制造廠在設(shè)計壓力下進行試驗的工況。

（4）制造廠在試驗壓力下進行試驗的工況。

（5）檢修密封投入時的工況，對于方案二，考慮投入檢修密封后，拆去軸承蓋的情況。

4.1 強度比較分析

通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)上述兩種方案各工況下的應(yīng)力水平見表1。

表1 不同工況下的應(yīng)力水平Tab.1 The Stress level under different working conditions

從上述兩種方案有限元分析的結(jié)果可知，閥體的應(yīng)力水平較低，活門的峰值應(yīng)力較高，但仍在ASME VIII允許的范圍。因此，上述兩種軸承大修方案，從應(yīng)力的角度均能滿足使用要求。

4.2 方案綜合比較分析

雖然從應(yīng)力角度看，上述兩種改造方案均能滿足要求，但從疲勞壽命的角度看，活門的應(yīng)力水平較高。按照ASME標準，活門的壽命與閥體相比，其壽命更短。因此，為保證閥門在設(shè)計上有較長的壽命，則首先需要考慮活門有較長的使用壽命，從這個角度看，方案二活門的應(yīng)力水平較低，方案二優(yōu)于方案一。

從電站日常維護的角度看，方案一如果軸承鋼套上的密封損傷造成漏水，必須需要通過引水鋼套排水才能檢修。而方案二的密封設(shè)置在軸承蓋上，如果該密封損傷，則只需要通過投入檢修密封和尾水閘門，排空閥體內(nèi)的水就可以檢修。

從以上兩點看，方案二優(yōu)于方案一，如果需要對軸承進行大修，建議采用方案二。

5 修復(fù)方案執(zhí)行時的關(guān)注點

為保證修復(fù)后的球閥能滿足各種運行工況的要求，對球閥的修復(fù)，需要關(guān)注以下幾點：

（1）在球閥拆去密封裝配和軸承裝配后，必須對球閥高應(yīng)力區(qū)域（閥軸根部及閥體上分半焊縫）進行無損檢測，以消除潛在的缺陷。

（2）需采用工裝保證活門和閥體上工作密封安裝環(huán)面保持同心，同時按照設(shè)計值調(diào)整活門與閥體的相對位置。測量檢修密封側(cè)活門與閥體的同軸度，以及密封環(huán)安裝面與閥體法蘭平面的距離，檢驗活門與閥體的相對位置。

（3）調(diào)整閥體與活門的相對位置，使閥體軸承孔與閥軸保持同心，以閥軸的中心為基準進行軸孔的加工。

（4）加工后必須進行壓力試驗、漏水試驗和動作試驗，以驗證產(chǎn)品是否滿足要求。

6 結(jié)束語

在設(shè)備的運行過程中，與其他部件相比，進水球閥的軸承是比較容易產(chǎn)生問題的部件。因此在設(shè)計階段，必須充分考慮球閥的受力情況、軸承的應(yīng)力水平、閥軸的應(yīng)力水平、軸襯的類型等因素，避免在運行階段帶來潛在的風(fēng)險。

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Bearing Abnormal Abrasion Analysis and Repair Soluation for Main Inlet Valve of Tianhuangping Pump Storage Power Station

ZHENG Kai1，ZHANG Yawu1，LOU Yong2，Casper Vogt-Svendsen3，XU Ligang4，JIANG Zejie2，ZENG Hui2，GU Ximing2，LI Yongyao4，ZHANG Zhongliang4
（1.State Grid XinYuan Company LTD，Beijing 100761，China；2.North China Tian Huangping Pumped Storage Power Station Company LTD，Tianhuangping 313302；Norway Rainpower ASA，Norway Kjeller； Rainpower Hangzhou company LTD，Hangzhou 311215）

This article analyze the abnormal abrasion on bearing of main inlet valve for Tianhuangping Pump Storage Power Station.Two repair proposals to be raised and analised.The better solution has been selected based on analysis and cautions has been given for fixed solution on workshop.

hydro Power Station；main Inlet Valve； bearing

TV738 文獻標識碼：A 學(xué)科代碼：570.3520 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.004

2016-8-23

鄭 凱（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設(shè)備技術(shù)管理。E-mail：18032155099@189.cn

張亞武（1973—），男，本科，高級工程師，水電站（含抽蓄）運維檢修管理。E-mail：yawu-zhang@sgxy.sgcc.com.cn

樓 勇（1973—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設(shè)備技術(shù)管理。E-mail：louyong1109@126.com

Casper Vogt-Svendsen（1956—），男，挪威籍，碩士，機械工程科學(xué)研究，曾參與魯布革、天荒坪、三峽等項目的水電建設(shè)，主要研究方向：技術(shù)和風(fēng)險控制的管理工作。

許立剛（1971—），男，本科，工程師，一直從事水電站進水閥門設(shè)計。E-mail：roger71@qq.com

姜澤界（1981—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設(shè)備運維管理。E-mail：thppjeremy@126.com

曾 輝（1975—），男，本科，高級工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設(shè)備技術(shù)管理。E-mail：thpyjbzh@163.com

顧希明（1982—），男，本科，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設(shè)備運維管理。E-mail：1924843474@qq.com

李永耀（1965—），男，本科，高級工程師，主要研究方向：水（泵）輪機研究設(shè)計工作。E-mail：yongyaoli@vip.qq.com

張忠良（1968—），男，本科，工程師，主要研究方向：水力設(shè)計、機械設(shè)計和市場營銷工作。E-mail：447253365@qq.com