秘魯馬丘皮丘電站Ф1.9m進(jìn)水閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高 欣 張 芳

（哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 前言

秘魯馬丘皮丘電站是位于秘魯U(kuò)rubamba 省的Vilcanota河上，臨近世界著名的印加古城遺跡馬丘皮丘，距離高原城市Cusco 有107km。哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司做為秘魯GYM 公司的分包商承擔(dān)秘魯馬丘皮丘電站混流式水輪機(jī)和球閥以及調(diào)速器和自動(dòng)化元件的設(shè)計(jì)制造工作。馬丘皮丘電站進(jìn)水閥為φ1900mm 球閥裝在額定出力為98MW 的高水頭高轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)進(jìn)口。秘魯馬丘皮丘電站φ1900mm球閥由上游延伸段、球閥閥體、活門、接力器、伸縮節(jié)、基礎(chǔ)部件和螺栓、旁通閥、帶檢修閥的空氣閥以及密封操作水管路和接力器控制油管路等組成。秘魯馬丘皮丘電站φ1900mm 球閥完全由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司獨(dú)立設(shè)計(jì)制造，并完成現(xiàn)場的各項(xiàng)試驗(yàn)工作。

1 球閥的結(jié)構(gòu)與分析

1.1 基本參數(shù)

球閥型號QF508-WY-190，公稱直徑Ф1900 mm，最大靜水壓3.6 MPa，設(shè)計(jì)壓力5MPa，開啟時(shí)間60s～100s，關(guān)閉時(shí)間 60s～100s，接力器操作油壓6.3 MPa，接力器直徑350mm，接力器數(shù)量 2 個(gè)，閥體打壓試驗(yàn)為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍，為7.5MPa。

1.2 球閥的結(jié)構(gòu)布置

作為高水頭混流式水輪機(jī)充當(dāng)起動(dòng)、正常停機(jī)和緊急事故關(guān)機(jī)而阻隔水流的關(guān)鍵部件[1]，φ1900mm 球閥安裝在壓力鋼管后，水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口前。緊急時(shí)能實(shí)現(xiàn)動(dòng)水快速關(guān)閉，以防事態(tài)進(jìn)一步惡化；當(dāng)需要檢修維護(hù)下游側(cè)的混流式機(jī)組時(shí)，可以截?cái)嗷炝魇綑C(jī)組的進(jìn)水。

球閥布置見圖1。球閥上游延伸段（項(xiàng)1）與壓力鋼管采用工地焊接相連，球閥的下游裝有套筒式伸縮節(jié)（項(xiàng)7），通過帶預(yù)緊力的螺栓將套筒式伸縮節(jié)與混流式機(jī)組蝸殼進(jìn)口法蘭相連閥體的上下游側(cè)雙法蘭均采用帶預(yù)緊力防松的螺栓連接，球閥設(shè)旁通管（項(xiàng)2）和空氣閥（項(xiàng)5），進(jìn)人門（項(xiàng)5）設(shè)在套筒式伸縮節(jié)上。

圖1 球閥布置

球閥為水平軸布置、上下游側(cè)金屬密封、水壓操作動(dòng)密封環(huán)、油壓操作接力器的結(jié)構(gòu)，通過打開球閥旁通閥來實(shí)現(xiàn)球閥開啟前的平壓要求[1]，上游移動(dòng)密封即檢修密封環(huán)和下游移動(dòng)密封即工作密封環(huán)均采用進(jìn)口D 型密封。球閥密封的設(shè)計(jì)原理是利用檢修密封環(huán)和工作密封環(huán)在上游水壓的作用下均發(fā)生變形的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)在水壓作用下活門在固定密封座處也會(huì)產(chǎn)生變形，這樣就使兩側(cè)的密封副的變形相互適應(yīng)其變形，以達(dá)到密封面貼合的良好效果，即起到球閥密封的效果。

樞軸瓦采用德國進(jìn)口DEVA-BM 軸套，進(jìn)口的U 型橡膠密封。球閥密封分為下游側(cè)的工作密封和上游側(cè)的檢修密封，不需要排空上游壓力鋼管和拆卸球閥便可以檢修以及拆卸并更換下游側(cè)移動(dòng)密封環(huán)。移動(dòng)密封環(huán)通過上游側(cè)取水進(jìn)行操作。工作密封由機(jī)組液控閥門進(jìn)行控制，檢修密封為手動(dòng)閥門控制。球閥通過轉(zhuǎn)臂與2 個(gè)Φ350mm 雙作用活塞接力器采用6.3MPa 的油壓操作。通常，球閥的開機(jī)是在上游和下游側(cè)壓差通過旁通閥打開后達(dá)到30%的壓差即可開啟，球閥停機(jī)操作：活動(dòng)導(dǎo)葉處于全關(guān)位置后，在靜水中進(jìn)行。在緊急狀態(tài)球閥可實(shí)現(xiàn)動(dòng)水關(guān)閉。

1.2.1 閥體

閥體為兩瓣結(jié)構(gòu)，由大瓣的閥體和小瓣的閥體采用帶預(yù)緊力的高強(qiáng)螺栓把合而成，其特點(diǎn)是兩瓣閥體的分瓣面適合圓形的密封結(jié)構(gòu)。閥體的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度是閥體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，在設(shè)計(jì)過程中，采用了先進(jìn)的有限元分析（FEM）技術(shù)進(jìn)行剛強(qiáng)度計(jì)算分析和優(yōu)化。

閥體的有限元分析（FEM）分為4 個(gè)工況：1）最大靜水壓工況下，正常運(yùn)行工況下，閥體承受最大靜水壓3.6 MPa，閥體的剛強(qiáng)度計(jì)算。2）最大靜水壓工況下，檢修密封全關(guān)，閥體承受最大靜水壓3.6 MPa 和閥體樞軸孔處的受力。3）最大靜水壓工況下，工作密封全關(guān)，閥體承受最大靜水壓3.6 MPa 和閥體樞軸孔處的受力。4）設(shè)計(jì)工況下，工作密封全關(guān)，閥體承受設(shè)計(jì)壓力5MPa 和閥體樞軸孔處的受力。經(jīng)過對閥體結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度有限單元計(jì)算分析，在工況1、2 和3 中，最大應(yīng)力在72MPa，均發(fā)生在樞軸軸孔處，最大變形0.5mm 除檢修密封關(guān)閉發(fā)生在閥體樞軸處外，其余工況發(fā)生在閥體頂部。在工況4 的計(jì)算結(jié)果為最大應(yīng)力在99MPa，發(fā)生在樞軸軸孔處，最大變形0.7mm，發(fā)生在閥體頂部。由于閥體的兩側(cè)和閥體的底部有剛強(qiáng)度較好的軸承支座和基礎(chǔ)板，閥體頂部剛度要弱一些，因此上述工況的剛強(qiáng)度指標(biāo)是滿足使用要求的。

閥體移動(dòng)密封環(huán)焊接有不銹鋼里襯，大閥體兩端有支撐活門臥式樞軸的支座。閥體延水流方向兩側(cè)，有連接上游延伸管法蘭和下游套筒式伸縮節(jié)的法蘭。在阻斷水流時(shí)，閥體、支座以及法蘭能承受水流作用在活門和閥體上的最大水推力。閥體底部兩側(cè)有整體的支撐底座，按傳遞球閥全部垂直荷載設(shè)計(jì)。閥體沿軸線方向基礎(chǔ)允許有小的位移，閥體地基接觸面加工光滑。球閥頂部設(shè)排氣閥，充水時(shí)排出閥體內(nèi)的氣體，底部設(shè)排污閥，檢修時(shí)排掉積水和沉積的泥沙。閥體采用了優(yōu)質(zhì)的符合ASTM 標(biāo)準(zhǔn)的鑄鋼材料制造。

1.2.2 活門

活門采用了優(yōu)質(zhì)的符合ASTM 標(biāo)準(zhǔn)鑄鋼制造，經(jīng)先進(jìn)的有限元分析（FEM）計(jì)算，結(jié)果具有很好的剛強(qiáng)度。閥軸采用優(yōu)質(zhì)鍛鋼制造，保證強(qiáng)度，軸的表面覆蓋不銹鋼襯套增加抗磨蝕能力進(jìn)而保護(hù)軸承和密封，活門和閥軸以及轉(zhuǎn)臂的連接，采用帶預(yù)緊力的螺栓把合結(jié)構(gòu)。在應(yīng)力允許范圍內(nèi)，控制活門密封面的不均勻變形量和閥體水漲變形量滿足密封的要求。

活門的有限元分析（FEM）分為3 個(gè)工況，分別是1.最大靜水壓工況下，檢修密封全關(guān)，閥體承受最大靜水壓3.6 MPa 和閥體樞軸孔處的受力；2.最大靜水壓工況下，工作密封全關(guān)，閥體承受最大靜水壓3.6 MPa 和閥體樞軸孔處的受力；3.設(shè)計(jì)工況下，工作密封全關(guān)，閥體承受設(shè)計(jì)壓力5MPa 和閥體樞軸孔處的受力。經(jīng)過對閥體結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度有限單元計(jì)算分析，在工況1、2 和3 中，最大應(yīng)力在120MPa，均發(fā)生在活門軸肩處，最大變形1mm 發(fā)生在活門中心部位。

1.2.3 球閥密封

球閥密封包括上游的檢修密封與下游的工作密封，密封裝置可拆卸。移動(dòng)密封環(huán)和固定密封環(huán)均采用抗腐蝕抗磨蝕的不銹鋼材料制成。移動(dòng)密封環(huán)和固定密封環(huán)見圖2，固定密封環(huán)用帶預(yù)緊力的螺釘把合在活門上，可以方便地更換。移動(dòng)密封環(huán)位于閥體與過渡法蘭間的密封腔內(nèi)。對于工作密封，當(dāng)活門轉(zhuǎn)動(dòng)到全關(guān)位置后，移動(dòng)密封環(huán)在水壓力作用下動(dòng)作并滑動(dòng)，壓緊固定密封座起到密封作用，同時(shí)接力器達(dá)到接力器缸蓋位置以限位；在活門開啟前移動(dòng)密封環(huán)脫離固定密封座，到位后發(fā)出位置信號，此時(shí)活門才可打開。閥體和過渡法蘭上的移動(dòng)密封環(huán)滑動(dòng)面，采用精加工的不銹鋼護(hù)襯，兩端分別焊接在閥體上。上游側(cè)密封為檢修密封，設(shè)有防腐蝕機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)。

圖2 移動(dòng)密封環(huán)和固定密封座

密封有一套反映上下游密封位置的信號裝置，其信號通過電纜線接至球閥的控制系統(tǒng)。位置信號裝置中的限位開關(guān)，在密封環(huán)退出位置，可以發(fā)出電氣信號給控制系統(tǒng)。在信號未發(fā)出之前，活門禁止轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2.4 球閥樞軸軸瓦和密封

軸承瓦采用德國格萊希亞公司生產(chǎn)的、進(jìn)口的DEVABM 自潤滑軸承材料，具有良好的承壓性和自潤滑性。軸承瓦采用特殊工具壓入軸承鋼套內(nèi)，在閥體不分瓣拆開時(shí)，隨鋼套一起從閥體兩側(cè)拆出。軸瓦有足夠的承載能力，能在承受活門的最大軸向壓力時(shí)，保證樞軸正常轉(zhuǎn)動(dòng)而不產(chǎn)生擦痕或有害變形。

鋼套外側(cè)與閥體接觸部位設(shè)有兩道O 型靜密封，鋼套內(nèi)側(cè)與閥軸接觸部位屬于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)密封，設(shè)兩道密封，一道接近閥體內(nèi)側(cè)，采用整圈O 型密封圈，防止泥沙進(jìn)入軸瓦，密封槽設(shè)有平壓孔，使鋼套內(nèi)外側(cè)壓力相同；另一道在閥體外側(cè)，采用U 型密封圈，利用旁通孔引入的壓力水漲開U 型密封的唇邊，達(dá)到密封效果。為了盡可能延長更換密封的周期，在U 型密封圈的外側(cè)，增設(shè)了一道組合格萊圈密封。

1.2.5 操作機(jī)構(gòu)

球閥操作機(jī)構(gòu)由2 個(gè)雙作用油壓直缸搖擺式接力器操作，接力器與兩側(cè)的轉(zhuǎn)臂連接，轉(zhuǎn)臂與閥軸通過銷子直接連接。操作機(jī)構(gòu)裝設(shè)有液動(dòng)鎖定裝置和手動(dòng)操作的機(jī)械鎖定裝置以及鎖定位置信號裝置，信號傳至進(jìn)水閥現(xiàn)場控制柜及監(jiān)控。液動(dòng)鎖定裝置在球閥全關(guān)后自動(dòng)投入；球閥或水輪機(jī)維修時(shí)，可以同過機(jī)械鎖定裝置手動(dòng)鎖定球閥在全關(guān)位置，以保證人員的安全。接力器在油壓裝置最小油壓下，最壞的操作工況（動(dòng)水關(guān)閉）時(shí)，安全關(guān)閉球閥。

對接力器進(jìn)行了剛強(qiáng)度分析計(jì)算，對缸蓋和缸體的強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，缸蓋最大應(yīng)力140MPa，缸體最大應(yīng)力55MPa，活塞桿的壓桿穩(wěn)定性安全系數(shù)為6，接力器滿足安全使用要求。

1.2.6 旁通管路和空氣閥

球閥斜下方45°角設(shè)置有旁通管路，其作用是開機(jī)時(shí)平壓。旁通閥為DN50 液壓自動(dòng)控制針型閥，在上游設(shè)置了1 個(gè)檢修用液壓控制針型閥和1 個(gè)手動(dòng)球閥，下游設(shè)置1 個(gè)手動(dòng)球閥。

在套筒式伸縮節(jié)頂部設(shè)有一個(gè)DN100 帶檢修球閥的彈簧式自動(dòng)空氣閥，在機(jī)組充水時(shí)能夠排出蝸殼內(nèi)部的空氣，機(jī)組排水時(shí)允許空氣進(jìn)入蝸殼。

在彈簧式自動(dòng)空氣閥上部，接有小口徑排水管，引致附近的排水溝。當(dāng)機(jī)組緊急關(guān)機(jī)時(shí)空氣閥來不及快速關(guān)閉而有少量水排出時(shí)，可通過該管將水引出排走。

1.2.7 上游延伸管和伸縮節(jié)

上游延伸管與壓力鋼管通過焊接方式相連，焊接形式的上游延伸管具有足夠的剛度和強(qiáng)度，能承受作用在球閥上的最大水推力。

對伸縮節(jié)上的進(jìn)人門進(jìn)行了有限元分析（FEM）計(jì)算，在最大設(shè)計(jì)壓力下，門座的最大應(yīng)力320MPa，門蓋153MPa，門蓋處最大變形0.25mm，進(jìn)人門的剛強(qiáng)度滿足使用要求。

為了便于球閥的安裝和拆卸，在下游側(cè)與蝸殼之間設(shè)有伸縮量為30mm 的套筒式伸縮節(jié)，套筒式伸縮節(jié)與蝸殼進(jìn)口法蘭連接，能適應(yīng)廠房因溫度高低變化引起的軸線方向的位移，以及施加在活門上的作用力能引起延軸線方向微小位移。法蘭處密封采用兩道“O”形橡膠密封圈，能有效防止管與法蘭因微小滑動(dòng)而產(chǎn)生的漏水。

2 廠內(nèi)試驗(yàn)

球閥出廠前進(jìn)行了動(dòng)作試驗(yàn)、活門閥體打壓試驗(yàn)和密封試驗(yàn)。

動(dòng)作試驗(yàn)，通過接力器通過轉(zhuǎn)臂操作活門從全關(guān)位置到全開位置，活門在整個(gè)開關(guān)運(yùn)行過程中要運(yùn)行平穩(wěn)，無卡阻及震動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生；移動(dòng)密封環(huán)在移動(dòng)過程中應(yīng)平穩(wěn)。

打壓試驗(yàn)：球閥與上游連接管參與球閥的打壓試驗(yàn)進(jìn)行了打壓試驗(yàn)，為設(shè)計(jì)壓力的1.5 倍為壓力7.5MPa，試驗(yàn)時(shí)活門和上下游移動(dòng)密封環(huán)處于全開狀態(tài)，上下游進(jìn)行封堵的方法進(jìn)行。

活門壓力試驗(yàn)：壓力6MPa 為設(shè)計(jì)壓力的1.2 倍，上游側(cè)試驗(yàn)時(shí)檢修密封處于關(guān)閉狀態(tài)，上游側(cè)封堵；下游側(cè)試驗(yàn)時(shí)工作密封處于關(guān)閉狀態(tài)上游側(cè)封堵。

活門密封試驗(yàn)：活門工作密封和檢修密封分別進(jìn)行了密封試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力3.65MPa，同樣是采用上游側(cè)試驗(yàn)時(shí)檢修密封處于關(guān)閉狀態(tài)，上游側(cè)封堵；下游側(cè)試驗(yàn)時(shí)工作密封處于關(guān)閉狀態(tài)上游側(cè)封堵的方法進(jìn)行?；铋T檢修密封試驗(yàn)通過閥體頂部的排氣孔漏水量檢查工作密封的密封效果，漏水量不超過0.014L/min；活門工作密封通過下游側(cè)悶頭頂部的排氣孔漏水量檢查工作密封的密封效果，漏水量不超過0.014L/min，試驗(yàn)應(yīng)重復(fù)多次試驗(yàn)。

上游延伸管和伸縮節(jié)的打壓試驗(yàn)時(shí)采用封堵悶頭方式進(jìn)行，為設(shè)計(jì)壓力的1.5 倍，即試驗(yàn)壓力為7.5MPa。

經(jīng)各項(xiàng)試驗(yàn)表明，閥體的應(yīng)力和變形、活門應(yīng)力和變形均在合理范圍之內(nèi)，閥體、活門和上游延伸管以及伸縮節(jié)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，活門密封試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求滿足合同的要求，表明該項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作取得圓滿成功，并順利出廠驗(yàn)收。

3 結(jié)語

秘魯馬丘皮丘電站Ф1900mm 球閥已在哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司車間內(nèi)，順利通過并完成了球閥閥體、活門的打壓試驗(yàn)、球閥活門的密封試驗(yàn)和球閥的動(dòng)作試驗(yàn)以及接力器的密封試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)和接力器動(dòng)作試驗(yàn)等以及業(yè)主較為嚴(yán)苛的驗(yàn)收，球閥密封試驗(yàn)的漏水量滿足合同要求。秘魯馬丘皮丘電站Ф1900mm 球閥已通過海運(yùn)，在工地現(xiàn)場完成各項(xiàng)無水調(diào)試和有水調(diào)試工作，并順利投入商業(yè)運(yùn)行，效果良好，為哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司贏得了較好的國際聲譽(yù)。