水電機(jī)組調(diào)速器分段關(guān)閉閥連接座密封換型

段水航

（三峽集團(tuán)公司中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓644612）

混流式巨型水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械部分主要由水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速器3部分構(gòu)成，其中調(diào)速器液壓系統(tǒng)為控制機(jī)構(gòu)，操作接力器和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，進(jìn)而控制活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷的調(diào)節(jié)。調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械部分又包括若干個(gè)子系統(tǒng)，主要有油壓裝置系統(tǒng)、主配壓系統(tǒng)、分段關(guān)閉系統(tǒng)、事故配壓系統(tǒng)及接力器組成，通過(guò)這些系統(tǒng)的相互協(xié)同，很好實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的正常開(kāi)停機(jī)、事故狀態(tài)下的緊急停機(jī)以及正常運(yùn)行時(shí)機(jī)組負(fù)荷調(diào)整等操作。

國(guó)內(nèi)某巨型電站水輪發(fā)電機(jī)組由于受水工結(jié)構(gòu)、引水管道及機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素的影響，要求調(diào)節(jié)系統(tǒng)導(dǎo)葉接力器在緊急關(guān)閉時(shí)，具有多段關(guān)閉規(guī)律特性。分段關(guān)閉裝置能夠按照拐點(diǎn)位置的設(shè)定實(shí)現(xiàn)不同的機(jī)組關(guān)閉規(guī)律。分段關(guān)閉系統(tǒng)主要由分段關(guān)閉閥、行程閥、液控?fù)Q向閥和拐點(diǎn)控制機(jī)構(gòu)等部分組成，機(jī)組采用三段關(guān)閉規(guī)律，第一段關(guān)閉時(shí)間通過(guò)調(diào)節(jié)主配壓閥活塞達(dá)到調(diào)節(jié)時(shí)間的目的，第二段關(guān)閉時(shí)間通過(guò)調(diào)節(jié)分段關(guān)閉裝置調(diào)節(jié)螺桿實(shí)現(xiàn)，第三段關(guān)閉時(shí)間通過(guò)接力器本身自帶的節(jié)流裝置實(shí)現(xiàn)。

1 調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)漏問(wèn)題的發(fā)現(xiàn)

國(guó)內(nèi)某巨型電站調(diào)速器油壓裝置系統(tǒng)油泵單元組由3臺(tái)大油泵和1臺(tái)小油泵組成，機(jī)組正常運(yùn)行情況下，由小油泵長(zhǎng)期運(yùn)行為系統(tǒng)提供壓力油，當(dāng)系統(tǒng)油壓低于6.1 MPa時(shí)，大油泵啟動(dòng)為系統(tǒng)充油補(bǔ)壓至6.3 MPa。機(jī)組備用期間，當(dāng)壓力油罐油壓降至6.0 MPa以下時(shí)，大油泵啟動(dòng)為系統(tǒng)充油補(bǔ)壓至6.3 MPa。機(jī)組備用期間，調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)漏量和壓油泵啟動(dòng)頻次直接相關(guān)，并成正比。2017年度機(jī)組備用期間，調(diào)速器壓油泵啟動(dòng)頻次在不同時(shí)段呈現(xiàn)出較大的差異性，最高頻次為4次/d，最低頻次為0.3次/d。

機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)漏量計(jì)算：無(wú)內(nèi)漏情況下，油罐油位從壓力為6.3 MPa時(shí)的1 860.5 mm下降至6.0 MPa時(shí)的1 759.5 mm，用時(shí)約44 h，壓油罐內(nèi)截面積為4.52 m2，算得系統(tǒng)漏油量為10.38 L/h；存在內(nèi)漏情況下，油罐油位從壓力為6.3 MPa時(shí)的1 890.5 mm下降至6.0 MPa時(shí)的1 739.0 mm，用時(shí)約4 h，壓油罐內(nèi)截面積為4.52 m2，算得系統(tǒng)漏油量為171.2 L/h。

2 調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)漏原因分析

2.1 內(nèi)漏部位查明

為查出調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)漏量在不同停機(jī)時(shí)段呈現(xiàn)出較大差別性的原因即內(nèi)漏部件位置，機(jī)組停機(jī)檢修中，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)事故配壓閥、隔離閥、分段關(guān)閉閥等插裝閥（液壓插裝閥的密封因本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原因易出現(xiàn)老化，而造成滲漏）進(jìn)行打壓試驗(yàn)，事故配壓閥、隔離閥均未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，分段關(guān)閉閥打壓至下控制腔時(shí)（見(jiàn)圖1），出現(xiàn)較嚴(yán)重的內(nèi)漏現(xiàn)象，壓力5 MPa時(shí)，內(nèi)漏量約為2.3 L/min，表明分段關(guān)閉閥連接座下部密封出現(xiàn)破損。內(nèi)漏部件位置可確定。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)分段關(guān)閉閥打壓示意圖

由于連接座和分段關(guān)閉閥閥體之間有上下2層密封，摩擦阻力較大，為將連接座順利拔出，制作專(zhuān)用拆除裝置，并獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利（專(zhuān)利授權(quán)公告號(hào)：CN 208584495 U）。連接座拔出后，發(fā)現(xiàn)分段關(guān)閉閥連接座下部密封呈現(xiàn)“蛇形”（見(jiàn)圖2）。連接座損壞的密封規(guī)格為：φ190×5.3的O型密封圈，矩形密封槽尺寸規(guī)格為：4.6 mm×9.0 mm，見(jiàn)圖3。

圖2 分段關(guān)閉閥連接座O型密封

2.2 分段關(guān)閉閥內(nèi)漏原因分析

2.2.1 分段關(guān)閉閥連接座下密封受壓情況

1）機(jī)組正常運(yùn)行，導(dǎo)葉開(kāi)度大于60%條件下，連接座下密封雙向受壓（見(jiàn)圖4），上部受壓6.1～6.3 MPa，下部受壓 5～7 MPa（壓力為接力器開(kāi)腔壓力，有壓力脈動(dòng)，且壓力脈動(dòng)的交變和脈沖較明顯）。

圖3 分段關(guān)閉閥連接座密封槽尺寸

圖4 連接座下密封承壓情況圖示

2）機(jī)組正常運(yùn)行，導(dǎo)葉開(kāi)度小于60%條件下，連接座下密封單向受壓（見(jiàn)圖5），上部受壓0 MPa，下部受壓5～7 MPa（接力器開(kāi)腔壓力，有壓力脈動(dòng)，且壓力脈動(dòng)的交變和脈沖較明顯）。

結(jié)論：機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)葉開(kāi)度區(qū)間為50%～80%（機(jī)組分段關(guān)閉拐點(diǎn)為60%），機(jī)組在此開(kāi)度范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，分段關(guān)閉閥上部輔助活塞經(jīng)常切換油路，連接座下密封受壓情況多變，對(duì)O型密封的穩(wěn)定性和耐久性有較高要求。

圖5 連接座下密封承壓情況圖示

2.2.2 分段關(guān)閉閥連接座下密封尺寸及溝槽尺寸選型分析

查《GB3452.3-2005-T液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈_溝槽尺寸》，線(xiàn)徑為5.3 mm的徑向靜密封，不加擋圈時(shí)的溝槽寬度為7.1 mm（見(jiàn)圖6），而實(shí)際連接座下密封槽寬度測(cè)量為9.0 mm，比設(shè)計(jì)值大1.9 mm。連接座下密封承受不規(guī)則交變和脈沖的壓力變化，密封圈被反復(fù)拉伸，彎曲，并產(chǎn)生永久變形，最終形成“蛇形”，造成內(nèi)漏。分段關(guān)閉閥輔助活塞上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，“蛇形”密封回位后所保持狀態(tài)不同，造成分段關(guān)閉閥內(nèi)漏量的較大差異。

圖6 O型圈徑向靜密封溝槽寬度尺寸

b：O型圈溝槽寬度（無(wú)擋圈）；b1：加1個(gè)擋圈的O型圈溝槽寬度；b2：加2個(gè)擋圈的O型圈溝槽寬度。圖中單位：mm。

3 優(yōu)化方案提出及比選

3.1 采用O型密封的選型

3.1.1 連接座上、下密封O型密封圈尺寸選型

目前連接座下密封溝槽尺寸為：4.6 mm×9.0 mm，考慮到溝槽尺寸不能縮小，只能增大的實(shí)際問(wèn)題。查《GB3452.3-2005-T液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈_溝槽尺寸》，缸內(nèi)徑d4為200 mm（不考慮公差），采用一般用途的O型密封圈（G系列）標(biāo)準(zhǔn)，選定通用尺寸線(xiàn)徑d1為7.0 mm時(shí)，O型密封內(nèi)徑應(yīng)選為185 mm。

連接座上、下O型密封圈建議選用型號(hào)為：O型密封圈185×7-G-N-GB/T3452.1-2005。

3.1.2 連接座上、下密封O型密封圈溝槽尺寸選型

查《GB3452.3-2005-T液壓氣動(dòng)用O形橡膠密封圈_溝槽尺寸》，線(xiàn)徑d1為7.0 mm的活塞徑向靜密封，無(wú)擋圈時(shí)的溝槽寬度為9.5 mm，連接座原矩形溝槽寬度為9.0 mm，需把上、下密封溝槽寬度各增加0.5 mm。

查GB3452.3-2005-T，線(xiàn)徑d1為7.0 mm的活塞徑向靜密封，溝槽深度為5.85 mm。國(guó)標(biāo)中備注說(shuō)明：密封槽深度（t）考慮O型橡膠密封圈的壓縮率，允許活塞密封溝槽深度值按實(shí)際需要選定。

查國(guó)標(biāo)中液壓氣動(dòng)靜密封壓縮率曲線(xiàn)，線(xiàn)徑為7.0 mm的液壓氣動(dòng)靜密封圈的壓縮率（W）范圍為10.5%～24%。結(jié)合實(shí)際應(yīng)用中，活塞徑向靜密封承受壓力脈動(dòng)時(shí)，O型密封的壓縮率取低值（W=10%～15%）。壓縮率W可取原O型密封圈壓縮率13.2%，計(jì)算得出，密封溝槽的深度t為6.07 mm。

連接座上、下O型密封矩形溝槽建議選定尺寸為：9.5 mm×6.07 mm?？蓪⒃B接座上、下密封溝槽重新加工。

圖7 O型圈液壓、氣動(dòng)靜密封壓縮率曲線(xiàn)圖

結(jié)論：連接座上、下O型密封圈建議選用型號(hào)為：O型 密 封 圈 185×7-G-N-GB/T3452.1-2005，對(duì)應(yīng)矩形溝槽尺寸為：9.5 mm×6.07 mm。密封材料可選用邵氏A70-A75中等硬度的丁腈橡膠或氟橡膠。

3.2 O型密封和擋圈組合優(yōu)化方案

擋圈是擠壓型密封件（如O型密封圈）的補(bǔ)充，使用擋圈的目的是減少O型圈低壓側(cè)的間隙，以增加密封效果。當(dāng)壓力僅從一側(cè)施加時(shí)，在O形圈的下游側(cè)安裝1個(gè)擋圈即可滿(mǎn)足密封要求，當(dāng)O型圈承受來(lái)自雙側(cè)壓力時(shí)，必須使用2個(gè)擋圈，見(jiàn)圖8。

圖8 O型圈和擋圈組合形式圖示

結(jié)合前述分段關(guān)閉閥連接座下O型密封受壓變化情況，可在O型密封的上側(cè)加1個(gè)聚四氟乙烯材質(zhì)的開(kāi)口擋圈，和原φ190×5.3的O型密封圈配合使用，原矩形溝槽尺寸滿(mǎn)足使用要求，不需重新加工。

3.3 啞鈴型密封換型方案

分段關(guān)閉閥連接座的上部輔助活塞控制管路經(jīng)常切換油路，連接座密封兩側(cè)受壓情況多變，并承受不規(guī)則交變和脈沖的壓力變化，針對(duì)此種結(jié)構(gòu)存在的密封內(nèi)漏問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種啞鈴型密封結(jié)構(gòu)。

啞鈴型密封件在工程機(jī)械液壓領(lǐng)域有應(yīng)用，主要用于動(dòng)活塞徑向密封，但在水電站液壓系統(tǒng)中目前無(wú)應(yīng)用。啞鈴型密封件和O形圈或O形圈/擋圈組合形式相比較，具有耐擠壓、耐扭曲、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

首先利用有限元軟件分析了分段關(guān)閉閥內(nèi)漏部位密封結(jié)構(gòu)在兩側(cè)壓力交變情況下的接觸變形和應(yīng)力分布，并研究啞鈴型密封結(jié)構(gòu)的密封原理，認(rèn)為啞鈴型密封件在存在壓力交變和壓力脈動(dòng)的部位，其使用特性完全優(yōu)于O型密封圈。和O型密封圈相比，啞鈴型密封件具有非常耐扭曲、使用壽命長(zhǎng)、非常耐擠壓、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)，而且啞鈴型密封件完全適用于O型圈的密封溝槽，適用性強(qiáng)。在中、高壓力場(chǎng)合，啞鈴型密封用于壓力脈動(dòng)和壓力交變的靜態(tài)液壓密封件，各種特性完全優(yōu)于O型密封圈。

采用聚氨酯材料的啞鈴型密封件可很好的解決原連接座O型密封受沖擊、彎曲，造成內(nèi)漏的問(wèn)題，并可依據(jù)原矩形溝槽尺寸定做合適的啞鈴型密封件，見(jiàn)圖9。

圖9 啞鈴型密封件應(yīng)用圖示

3.4 上述三種方案的比選

（1）所述方案中的O型密封和矩形溝槽均需定做或重新加工，工序較繁瑣，且在機(jī)組檢修工期短的情況下，O型密封和矩形溝槽的尺寸配合問(wèn)題不能一次性解決，而矩形溝槽一旦加工，難以恢復(fù)，具有較大風(fēng)險(xiǎn)性。

（2）所述方案中，O形圈和擋圈組合使用主要用作靜態(tài)高壓密封件，這種組合密封件在裝配時(shí)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)镺形圈有可能扭曲，擋圈的位置有可能不是最佳。這種解決方案在有壓力脈動(dòng)和臟物侵入的情況下也表現(xiàn)出缺點(diǎn)，而分段關(guān)閉閥連接座下密封需要承受不規(guī)則交變、脈沖的壓力變化，密封件受壓情況復(fù)雜，同時(shí)承受接力器傳導(dǎo)來(lái)的壓力脈動(dòng)，不能從根本上保證O型密封扭曲、呈“蛇形”的問(wèn)題。此方案完全解決問(wèn)題的概率較低。

（3）所述方案中，啞鈴形密封件作為單個(gè)元件的靜態(tài)液壓密封件，和O形圈或O形圈/擋圈組合形式相比較，具有耐擠壓、耐扭曲、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，可以作為理想的替換品。

綜合考慮，選擇（3）所述方案。

4 總結(jié)及建議

2017～2018年度的機(jī)組歲修中，將啞鈴型密封應(yīng)用于電站8臺(tái)機(jī)組，至2019年3月，全部機(jī)組運(yùn)行約1年期間，跟蹤調(diào)速系統(tǒng)自啟動(dòng)時(shí)間間隔和壓油泵啟動(dòng)時(shí)間間隔，均明顯延長(zhǎng)。所有機(jī)組分段關(guān)閉閥啞鈴型密封換型成功后，同周期內(nèi)，壓油泵啟動(dòng)次數(shù)明顯減少，回油箱油溫穩(wěn)定值明顯降低，機(jī)組自用電能明顯降低，節(jié)能、降耗作用較大。解決了插裝閥在多功能應(yīng)用的情況下，O型密封圈彎曲變形的問(wèn)題，同時(shí)分段關(guān)閉閥新的啞鈴型密封的可靠性和有效性得到了充分檢驗(yàn)。