十三陵電廠進(jìn)水閥樞軸軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄒志偉，許旭輝，劉 超

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京 102200）

十三陵電廠進(jìn)水閥樞軸軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄒志偉，許旭輝，劉 超

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京 102200）

進(jìn)水閥是現(xiàn)代抽水蓄能電站不可或缺的組成部分，主要分為球閥與蝶閥兩種形式。十三陵電廠安裝有4臺(tái)200 MW混流可逆式水泵/水輪機(jī)組，機(jī)組轉(zhuǎn)速500 r/min，轉(zhuǎn)輪直徑為3.68 m，進(jìn)水閥采用直徑為1.75 m的球閥，1997年4臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)。但隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，進(jìn)水閥樞軸軸承密封因軸套出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致漏水、自動(dòng)化原件誤動(dòng)等故障。本文通過(guò)分析十三陵電廠進(jìn)水閥軸承故障原因，探討解決進(jìn)水閥軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并運(yùn)用于實(shí)際檢修工作中，取得了良好的效果，對(duì)同類(lèi)電站進(jìn)水閥類(lèi)似問(wèn)題處理有一定借鑒意義。

進(jìn)水閥；樞軸軸承；密封

1 引言

十三陵電廠進(jìn)水閥由VOITH公司生產(chǎn)，進(jìn)水閥采用臥軸液壓操作，內(nèi)徑為1 750 mm，設(shè)有工作密封和檢修密封，在規(guī)定的水頭和揚(yáng)程范圍內(nèi)，機(jī)組發(fā)最大出力和吸收最大入力時(shí)能可靠地截?cái)嗨盟啓C(jī)全部流量。正常情況下，進(jìn)水閥在平壓后開(kāi)啟，特殊情況下，允許在2.5 MPa不平衡水壓下開(kāi)啟。閥體采用鑄鋼制造，活門(mén)采用鋼板焊制。驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端的樞軸是焊在轉(zhuǎn)子上的，閥體通過(guò)軸承支撐轉(zhuǎn)子，軸與閥體之間為自潤(rùn)滑軸瓦，以保證轉(zhuǎn)子在徑向和軸向的受力。其密封采用“V”形填料，而在軸瓦的內(nèi)側(cè)安裝有橡膠密封環(huán)，以防止雜質(zhì)進(jìn)入軸瓦內(nèi)。

進(jìn)水閥密封分為上游檢修密封和下游工作密封，密封是由動(dòng)密封環(huán)、靜密封環(huán)組成。其中靜密封環(huán)是固定在轉(zhuǎn)子的擋水?dāng)嗝嫔?，而上游活?dòng)密封環(huán)是位于閥體內(nèi)部襯套和上游閥體外部襯套所形成的腔體內(nèi)，下游活動(dòng)密封環(huán)是位于閥體內(nèi)部襯套與下游閥體外部襯套所形成的腔體內(nèi)。檢修密封和工作密封是用水壓進(jìn)行操作，從上游引水至高壓鋼管取水，對(duì)密封進(jìn)行投入和解除操作。密封的動(dòng)密封環(huán)為不銹鋼材質(zhì)，在閥體襯套的鋁青銅表面上滑動(dòng)，以保證平穩(wěn)工作和表面免于腐蝕。

2 進(jìn)水閥運(yùn)行現(xiàn)狀及原因分析

2.1 運(yùn)行現(xiàn)狀

電站自投產(chǎn)以來(lái)，截止至2016年6月底，各臺(tái)機(jī)組運(yùn)行開(kāi)停機(jī)次數(shù)及進(jìn)水閥開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)見(jiàn)下表1：

表1 機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)開(kāi)停機(jī)次數(shù)統(tǒng)計(jì)

2010年檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)3號(hào)進(jìn)水閥驅(qū)動(dòng)端樞軸軸承銅套左側(cè)、右側(cè)均有裂紋，左側(cè)裂紋長(zhǎng)約60 mm（9點(diǎn)～10點(diǎn)處），右側(cè)裂紋長(zhǎng)約190 mm（3點(diǎn)～4點(diǎn)半處）。進(jìn)水閥經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行后存在進(jìn)水閥兩側(cè)樞軸密封處漏水。

2015年4月12日，3號(hào)機(jī)組C修進(jìn)水閥耳軸軸承過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)耳軸驅(qū)動(dòng)端有漏水現(xiàn)象，經(jīng)檢查軸套4點(diǎn)半處有貫通裂紋30 mm（見(jiàn)圖1），向3點(diǎn)方向內(nèi)延伸裂紋約260 mm（見(jiàn)圖2）。

2016年3月，對(duì)3號(hào)機(jī)組進(jìn)水閥及其操作系統(tǒng)機(jī)械C級(jí)檢修時(shí)，驅(qū)動(dòng)端耳軸軸承除了上述的的驅(qū)動(dòng)端4點(diǎn)半處有貫通裂紋，并向3點(diǎn)方向內(nèi)延伸外，還發(fā)現(xiàn)在9點(diǎn)方向有大約長(zhǎng)70 mm、寬3 mm的不規(guī)則凹面。

圖1

圖2

2.2 原因分析

十三陵電廠進(jìn)水閥轉(zhuǎn)子樞軸軸承采用自潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)，使用的是Oiles 500SP系列軸承。該軸承和軸承基座之間采用過(guò)盈配合，需要使用冷套的方法將軸承壓入軸承座。

Oiles軸承標(biāo)準(zhǔn)配合工差為H7/r6，理論單邊間隙為-0.0885～-0.1675 mm；而十三陵電廠進(jìn)水閥樞軸軸承設(shè)計(jì)過(guò)盈量更大，單邊理論間隙為-0.175～-0.215 mm。軸承經(jīng)液氮冷卻后尺寸收縮，可以順利壓入軸承座，隨著時(shí)間推移，軸承逐漸恢復(fù)到室溫，軸承尺寸膨脹，受軸承座尺寸限制，產(chǎn)生過(guò)盈與形變。但軸承法蘭與軸承座之間有間隙，此處不受約束自由膨脹，軸承2處受約束與變形情況不同，產(chǎn)生應(yīng)力。

下面使用有限元方法對(duì)樞軸軸承受力情況進(jìn)行分析，通過(guò)2種模擬條件對(duì)樞軸軸承受力情況進(jìn)行對(duì)比分析：

模擬一：室溫情況下軸承發(fā)生徑向收縮，收縮量為理論過(guò)盈量，分別模擬了收縮量為0.1 mm和0.2 mm的情況。

模擬二：在約束軸承外壁的情況下對(duì)軸承升溫，根據(jù)膨脹量單邊0.2 mm計(jì)算得溫度上升36°。

2種模擬條件下的樞軸軸承受力情況有限元分析結(jié)果如下：

模擬一情況1：軸承單邊收縮0.2 mm，見(jiàn)圖3（a）、（b）。

圖3 模擬一情況1

模擬一情況2：軸承單邊收縮0.1 mm，見(jiàn)圖4（a）、（b）。

圖4 模擬一情況2

模擬二：軸承溫度升高36°，見(jiàn)圖5（a）、（b）。

圖5 模擬二

模擬結(jié)果顯示2種方法模擬結(jié)果相近，一致性較好，2種模擬結(jié)果均顯示在法蘭根部處存在一較高應(yīng)力集中，約70 MPa。軟態(tài)黃銅的抗拉強(qiáng)度約300 MPa，屈服強(qiáng)度約100 MPa，已經(jīng)達(dá)到了70%的屈服強(qiáng)度，該應(yīng)力相對(duì)較高，考慮到軸承上鑲?cè)敕墙饘贊?rùn)滑材料，可能局部地方峰值應(yīng)力會(huì)更高。長(zhǎng)時(shí)間在該應(yīng)力水平下工作對(duì)軸承壽命有較大影響，軸承存在疲勞破壞的較大可能。

從進(jìn)水閥實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，4臺(tái)機(jī)組進(jìn)水閥驅(qū)動(dòng)端耳軸軸承及非驅(qū)動(dòng)端樞軸軸承均出現(xiàn)不同程度的裂紋及漏水情況，其中個(gè)別機(jī)組進(jìn)水閥軸承發(fā)生斷裂現(xiàn)象，裂紋及斷裂處容易發(fā)生碎裂掉塊現(xiàn)象，輕者導(dǎo)致摩擦增大，軸承磨損，重者將導(dǎo)致進(jìn)水閥卡塞，不能開(kāi)啟或關(guān)閉。

國(guó)內(nèi)某蓄能電站在進(jìn)行水輪機(jī)性能試驗(yàn)時(shí)，進(jìn)水閥在開(kāi)啟過(guò)程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速逐步上升至100%額定轉(zhuǎn)速，但此時(shí)進(jìn)水閥現(xiàn)地控制柜仍顯示進(jìn)水閥正在開(kāi)啟狀態(tài)，經(jīng)現(xiàn)地檢查，進(jìn)水閥開(kāi)度約為40%，立即人工緊急停機(jī)，進(jìn)水閥關(guān)閉。后來(lái)通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)是樞軸的軸承故障導(dǎo)致的，該進(jìn)水閥樞軸軸承的自潤(rùn)滑材料粘到軸承里襯，在進(jìn)水閥的開(kāi)啟動(dòng)作過(guò)程中，出現(xiàn)自潤(rùn)滑材料的脫落（詳見(jiàn)圖6）導(dǎo)致進(jìn)水閥至40%開(kāi)度后，無(wú)法再打開(kāi)。幸好是在調(diào)試階段，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水閥現(xiàn)地控制柜仍顯示進(jìn)水閥正在開(kāi)啟狀態(tài)，立即現(xiàn)場(chǎng)檢查判斷后，進(jìn)行人工緊急停機(jī)，進(jìn)水閥關(guān)閉，避免了事故。這也給十三陵蓄能電廠進(jìn)水閥的安全穩(wěn)定運(yùn)行敲響了警鐘，4號(hào)機(jī)組進(jìn)水閥存在樞軸軸承里襯有錯(cuò)臺(tái)、間隙不均勻問(wèn)題，裂紋處可能會(huì)出現(xiàn)掉塊情況，目前運(yùn)行無(wú)卡阻，但并不表示以后在開(kāi)啟或關(guān)閉過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)卡阻故障。

圖6 自潤(rùn)滑材料脫落

另外，2016年3月，對(duì)3號(hào)機(jī)組進(jìn)水閥及其操作系統(tǒng)機(jī)械C級(jí)檢修時(shí)，蝸殼內(nèi)檢查工作密封投退情況，工作密封3點(diǎn)、5點(diǎn)方向向外滲水，滲水量4.6 L/min，大于標(biāo)準(zhǔn)4 L/min，且3點(diǎn)、5點(diǎn)處密封間隙0.1 mm，且存在異物壓痕，懷疑密封靜環(huán)此兩處曾有異物卡阻，導(dǎo)致密封面間隙過(guò)大，進(jìn)水閥本體高壓水向蝸殼泄漏。

3 進(jìn)水閥樞軸軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)

十三陵電廠進(jìn)水閥轉(zhuǎn)子樞軸軸承采用自潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)軸承，該軸承和軸承基座之間采用過(guò)盈配合，用冷套的方法將軸承壓入軸承座。進(jìn)水閥樞軸軸承檢修有以下2個(gè)方案：

方案一：根據(jù)原設(shè)計(jì)更換受損進(jìn)水閥驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承。

方案二：更改轉(zhuǎn)子樞軸軸承結(jié)構(gòu)型式，進(jìn)行計(jì)算，重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承結(jié)構(gòu)，增加軸承套裝置。

原方案的軸承和增加軸承套裝置的軸承結(jié)構(gòu)如圖7、圖8。

3.1 方案一

圖7 原方案

圖8 增加軸承套方案

按原設(shè)計(jì)更換受損進(jìn)水閥驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承，沒(méi)有從根本上解決軸承運(yùn)行過(guò)程中局部部位應(yīng)力集中、應(yīng)力相對(duì)較高的問(wèn)題，運(yùn)行一段時(shí)間以后，樞軸軸承出現(xiàn)故障的機(jī)率會(huì)比較高。而且，軸承一旦出現(xiàn)裂紋、斷裂情況，需要對(duì)進(jìn)水閥解體才能更換軸承。

進(jìn)水閥閥體連接螺栓均為液壓拉伸螺栓，進(jìn)水閥解體和安裝過(guò)程中螺栓需要特殊的液壓拉伸工具。

進(jìn)水閥解體后，對(duì)進(jìn)水閥本體及閥芯進(jìn)行目視檢查，如發(fā)現(xiàn)重大缺陷需要修補(bǔ)，修補(bǔ)缺陷需要焊接、探傷工具；對(duì)進(jìn)水閥上下游端檢修密封及工作密封進(jìn)行檢查時(shí)，需要進(jìn)行機(jī)加工，加工密封環(huán)等設(shè)備。

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范，進(jìn)水閥重新組裝后需要對(duì)進(jìn)水閥進(jìn)行水壓試驗(yàn)，由于進(jìn)水閥上游延伸段已經(jīng)和引水管道安裝，故在引水端和非引水端準(zhǔn)備2個(gè)試驗(yàn)用帶法蘭的耐壓悶頭裝置，該悶頭需要與進(jìn)水閥閥體把合，同時(shí)進(jìn)水閥需要1套水壓密封試驗(yàn)以及動(dòng)作試驗(yàn)設(shè)備。

所以，按原設(shè)計(jì)更換受損進(jìn)水閥驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承，需對(duì)進(jìn)水閥進(jìn)行解體，配備特殊液壓拉伸工具、檢修工具、耐壓試驗(yàn)悶頭裝置及打壓試驗(yàn)工具等，因而現(xiàn)場(chǎng)不具備解體檢修進(jìn)水閥的工作條件。

3.2 方案二

帶軸承套裝置的驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承（如圖9），增加了進(jìn)水閥樞軸軸承套裝置，相比于軸承與閥體直接為過(guò)盈配合的原先結(jié)構(gòu)，軸承的結(jié)構(gòu)更加緊密合理，改善了軸承受力情況，軸承也得到了相應(yīng)的保護(hù)，斷裂的風(fēng)險(xiǎn)將大大減小。驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承因磨損等原因需要更換時(shí)，不需要再對(duì)進(jìn)水閥全部解體，在現(xiàn)場(chǎng)采用專(zhuān)用工具將軸承套和損壞軸承一起取出，更換軸承后，現(xiàn)場(chǎng)安裝到進(jìn)水閥本體，即可以將來(lái)在工地拆換備用軸承。

圖9

十三陵電廠現(xiàn)有進(jìn)水閥耳軸軸承為厚壁軸承，在此基礎(chǔ)上改成帶軸承套裝置的結(jié)構(gòu)形式，初步估計(jì)，閥體軸孔單邊擴(kuò)大不超過(guò)10 mm，對(duì)結(jié)構(gòu)基本沒(méi)有影響。通過(guò)對(duì)進(jìn)水閥閥體軸承座處加工前和加工后進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果也表明，軸承座處的加工對(duì)整體進(jìn)水閥的應(yīng)力水平?jīng)]有影響，見(jiàn)圖10、11。

圖10 加工前閥座有限元分析結(jié)果

綜上所述，進(jìn)水閥返廠檢修時(shí)，軸承的檢修采用方案二，即更改轉(zhuǎn)子樞軸軸承結(jié)構(gòu)型式，通過(guò)計(jì)算，重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)端和非驅(qū)動(dòng)端軸承結(jié)構(gòu)，增加軸承套裝置。

圖11 加工后閥座有限元分析結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

十三陵電廠利用機(jī)組A級(jí)檢修的有利時(shí)機(jī)，對(duì)進(jìn)水閥樞軸軸承進(jìn)行改造，并順利通過(guò)了無(wú)水調(diào)試和有水調(diào)試，投入正常運(yùn)行。進(jìn)水閥樞軸軸承改造運(yùn)行至今，未出現(xiàn)軸承漏水現(xiàn)象，球閥開(kāi)閉成功率100%，球閥動(dòng)作時(shí)間在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，有效的解決了進(jìn)水閥軸承軸套受力不均造成樞軸軸套出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)致樞軸軸承漏水問(wèn)題。

通過(guò)進(jìn)水閥樞軸軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)，從根本上解決軸承運(yùn)行過(guò)程中局部部位應(yīng)力集中、應(yīng)力相對(duì)較高的問(wèn)題，降低進(jìn)水閥樞軸軸承長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行軸套出現(xiàn)裂紋導(dǎo)致樞軸漏水問(wèn)題產(chǎn)生的可能；進(jìn)水閥軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，軸承因磨損等原因需要更換時(shí)，無(wú)需再對(duì)進(jìn)水閥全部解體，現(xiàn)場(chǎng)采用專(zhuān)用工具即可更換軸承，使機(jī)組停電檢修時(shí)間縮短至7 d以?xún)?nèi)，并徹底消除了對(duì)相鄰機(jī)組的影響，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。進(jìn)水閥樞軸軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及方法，為其他電廠進(jìn)水閥樞軸軸承設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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TK730.4

B

1672-5387（2017）01-0015-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.004

2016-09-20

鄒志偉（1982-），男，工程師，從事抽水蓄能電廠生產(chǎn)運(yùn)行及運(yùn)維檢修相關(guān)工作。