海南瓊中抽水蓄能電站2號機(jī)組進(jìn)水閥軸頸密封漏水缺陷分析及處理

馮 煥，徐 明，王志楠

（1．南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗(yàn)分公司，廣東省廣州市 511400；2．海南蓄能發(fā)電有限公司，海南省?？谑?570100）

0 引言

海南瓊中抽水蓄能電站（以下簡稱“海蓄”）于2018年7月全面投產(chǎn)，裝設(shè)3臺200MW機(jī)組。海蓄3臺機(jī)組進(jìn)水閥均為ALSTOM公司供貨，為臥軸雙密封球閥，公稱直徑為2350mm，設(shè)計(jì)壓力為5.38MPa。

進(jìn)水閥主要作用包括為機(jī)組檢修提供安全的工作條件、停機(jī)時(shí)減少機(jī)組漏水量和防止機(jī)組飛逸事故擴(kuò)大等[1]，是水輪發(fā)電機(jī)組的重要設(shè)備。軸頸密封作為進(jìn)水閥的關(guān)鍵密封，對保證進(jìn)水閥安全、高可靠性地運(yùn)行有著重要影響，軸頸密封的可靠性直接影響進(jìn)水閥乃至機(jī)組的可靠性指標(biāo)。目前進(jìn)水閥密封故障分析對象主要是檢修密封[2]、工作密封[3]及其操作系統(tǒng)，對軸頸密封分析研究較為罕見。

1 進(jìn)水閥軸頸密封失效分析

國內(nèi)外大中型水泵水輪機(jī)主進(jìn)水閥均采用球閥型式，其軸頸密封通常采用唇形密封圈。唇形密封是由來已久、用途廣泛的密封，按斷面形狀劃分主要有Y形、V形、蕾形、U形、L形、J形等。由于Y形圈與U形圈形狀較為相似，均靠兩唇工作，因此，在國外有時(shí)將Y形圈稱為U形圈[4]。哈電[5]采用防砂圈加主密封結(jié)構(gòu)，在馬來西亞沐若水電站[6]使用U形密封；牛角灣三級電站[7]則使用V形夾布橡膠密封；彭建宏[8]、張清雙[9]介紹了采用U形填料與O形圈組合密封設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)大型抽水蓄能機(jī)組進(jìn)水閥軸頸密封主要有Y形（又稱U形）和V形兩種結(jié)構(gòu)，其中，V形密封對軸的偏心載荷和偏心運(yùn)動有較強(qiáng)的追隨能力，但摩擦助力較大；Y形密封則對偏心載荷和偏心運(yùn)動的適應(yīng)性不高，而具有摩擦阻力小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。

海蓄機(jī)組進(jìn)水閥的軸頸密封采用U形密封結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)主要包括了U形密封、密封壓蓋、軸頸3個(gè)部件，其中，軸頸與密封壓蓋組成裝配U形密封的溝槽，U形密封外唇邊與密封壓蓋內(nèi)壁為接觸靜密封，U形密封內(nèi)唇邊與軸頸外壁為接觸動密封，U形密封為丁腈橡膠材料。從結(jié)構(gòu)上分析，軸頸密封失效漏水包括軸頸漏水、U形密封本體漏水、密封壓環(huán)漏水及U形密封與溝槽配合不良等失效模式，具體分析見，表1。

表1 U形密封失效分析Table 1 Failure analysis of U-shaped sealing ring

在分析密封與溝槽配合不良引起泄漏時(shí)，需考慮橡膠材料密封失效機(jī)理。文獻(xiàn)[10]中提出了從最大應(yīng)力、接觸應(yīng)力和剪應(yīng)力三方面考慮橡膠密封失效模式和失效判據(jù)。其中，最大應(yīng)力超過橡膠材料屈服強(qiáng)度時(shí)，密封圈壓潰而失效；當(dāng)最大接觸應(yīng)力低于工作壓力時(shí)，密封圈泄漏；當(dāng)密封圈在槽口轉(zhuǎn)角處最大剪切應(yīng)力超過橡膠材料剪切強(qiáng)度時(shí)，密封圈將撕裂而失效。故在橡膠材料未發(fā)生破壞的情況下，產(chǎn)生密封泄漏的原因是接觸應(yīng)力低于密封工作壓力。

2 進(jìn)水閥軸頸密封漏水原因分析及處理

2．1 密封結(jié)構(gòu)簡介

海蓄機(jī)組進(jìn)水閥由左、右岸（面向下庫側(cè)）共兩個(gè)油壓操作接力器驅(qū)動開關(guān)，其中，右岸接力器拐臂處設(shè)置了機(jī)械鎖錠裝置。如圖1所示，進(jìn)水閥拐臂分別通過銷釘與樞軸鋼套、樞軸連接，故拐臂樞軸鋼套隨樞軸轉(zhuǎn)動。進(jìn)水閥樞軸銅套通過銷釘與進(jìn)水閥閥殼連接，通過密封壓環(huán)固定螺栓固定于閥殼上。在樞軸銅套靠近閥芯處設(shè)置了一道丁腈橡膠＋聚氨酯的組合密封，主要起防止雜質(zhì)進(jìn)入軸套間隙的作用。進(jìn)水閥軸頸密封為U形密封，安裝于密封壓環(huán)內(nèi)，防止樞軸與銅套間隙漏水，該密封型號為PXL U150-XI，采用丁腈橡膠（NBR85）密封圈底部設(shè)置聚甲醛（POM）擋圈的結(jié)構(gòu)，以防止U形密封底部在槽口間隙處發(fā)生擠出破壞。在密封壓環(huán)與樞軸銅套之間設(shè)置了O形密封，防止該端面漏水。

圖1 進(jìn)水閥局部剖視圖Figure 1 Inlet valve partial section view

2．2 缺陷檢查情況

2019年9月，海蓄2號機(jī)組小修后調(diào)試期間，右岸拐臂處軸頸密封漏水，啟閉進(jìn)水閥7次，該軸頸密封在啟停過程中均有漏水。拆出該右岸拐臂處軸頸密封，外觀檢查無異常，檢查密封壓環(huán)、樞軸鋼套表面均無異常。使用新軸頸密封更換后進(jìn)行調(diào)試，退出上游密封、進(jìn)水閥閥芯建壓，右岸軸頸密封漏水約5min后無漏水；進(jìn)行2次單步靜水開啟關(guān)閉進(jìn)水閥試驗(yàn)，進(jìn)水閥全關(guān)時(shí)，下游密封投入后，右岸軸頸密封出現(xiàn)漏水；在機(jī)組帶負(fù)荷試驗(yàn)后該軸頸密封無漏水。后續(xù)2號機(jī)組啟動后再次出現(xiàn)進(jìn)水閥右岸軸頸密封漏水，停機(jī)后該密封持續(xù)漏水。

2．3 缺陷原因分析

因該軸頸密封在進(jìn)水閥全開時(shí)無漏水，偶爾在進(jìn)水閥全關(guān)時(shí)也不漏水，并且根據(jù)解體檢查的結(jié)果，排除U形密封、軸頸表面、密封壓環(huán)內(nèi)表面有缺陷導(dǎo)致漏水的可能性，確認(rèn)漏水是U形密封與溝槽配合不良引起的。分別從設(shè)計(jì)、制造、安裝及運(yùn)行角度進(jìn)行分析，討論導(dǎo)致該軸頸U形密封產(chǎn)生配合不佳的可能失效原因，結(jié)合該U形密封更換和調(diào)試工作，測量相關(guān)數(shù)據(jù)并檢查各部件，對全部可能的失效原因逐項(xiàng)進(jìn)行排查，分析結(jié)果詳見表2。綜合分析可知，安裝、運(yùn)行因素均已排除，設(shè)計(jì)、制造因素不能完全排除，其中，密封壓環(huán)內(nèi)徑略偏大（僅比超出上限值0.016mm）對導(dǎo)致密封漏水有影響，但不是主要影響因素，最終判斷U形密封的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用不能滿足使用要求是導(dǎo)致漏水的主要原因。

表2 U形密封與溝槽配合不良原因分析Table 2 Analysis of causes of poor coordination between U-shaped seal ring and groove

通過橫向?qū)Ρ群Ｐ?、廣蓄、惠蓄、深蓄等多電廠的進(jìn)水閥軸頸U形密封結(jié)構(gòu)，其中，廣蓄與海蓄軸頸U形密封的溝槽尺寸均為25mm（徑向）×32mm（軸向），廣蓄采用聚氨酯U形密封，其設(shè)計(jì)過盈量范圍為4.19～5.39mm；海蓄采用丁腈橡膠U形密封，實(shí)測過盈量為2.51mm。且海蓄軸頸密封丁腈橡膠的硬度（邵氏硬度85）、彈性模量均低于廣蓄使用的聚氨酯密封（邵氏硬度95），故密封截面在相同過盈量下所產(chǎn)生的接觸壓力也遠(yuǎn)低于廣蓄所用產(chǎn)品。判斷海蓄進(jìn)水閥軸頸U形密封的過盈量設(shè)計(jì)裕度偏小，同時(shí)丁腈橡膠材料偏軟，所產(chǎn)生的接觸壓力相對不高，在進(jìn)水閥軸頸偏移時(shí)，會出現(xiàn)U形密封圈局部壓縮量進(jìn)一步減小，當(dāng)該處的密封接觸壓力降低至低于外部水壓時(shí)則發(fā)生漏水。另外，由于海蓄2號進(jìn)水閥右側(cè)軸頸外徑小、密封壓蓋內(nèi)徑大，導(dǎo)致密封溝槽徑向?qū)挾热≡O(shè)計(jì)最大值，在U形密封設(shè)計(jì)過盈量偏低的情況下，溝槽寬度偏大進(jìn)一步降低了密封的接觸壓力，所以，短期內(nèi)僅2號進(jìn)水閥右岸軸頸密封漏水。進(jìn)水閥在長期運(yùn)行后，考慮U形密封丁腈材料本身的老化及塑性變形，U形密封會出現(xiàn)應(yīng)力松弛，同時(shí)，U形密封在軸頸摩擦也存在磨損，將進(jìn)一步降低U形密封接觸壓力，最終可能導(dǎo)致在密封外觀無明顯破損的情況下發(fā)生漏水。

2．4 缺陷處理方案

針對分析的原因，提出了兩種處理方案。方案一是在現(xiàn)有丁腈橡膠U形密封內(nèi)部增加密封繩，增大密封預(yù)壓縮量。結(jié)合以往處理U形密封漏水的經(jīng)驗(yàn)，計(jì)劃在該U形密封唇口中點(diǎn)固4段φ8mm密封繩，并在每兩段密封繩間保留一定間隙。方案二是重新定制聚氨酯材料的U形密封，同時(shí)增加U形密封預(yù)壓縮量。經(jīng)比選后采用斯凱孚生產(chǎn)的GS03型號聚氨酯密封，該U形密封內(nèi)部設(shè)置有一條O形密封圈，以補(bǔ)償樞軸的偏心運(yùn)動及偏心載荷，可提高密封的追隨性。

2．5 缺陷處理結(jié)果

由于方案一成本較低，首先應(yīng)用該處理方案更換軸頸密封后，該軸頸密封在進(jìn)水閥處于啟閉過程及全開狀態(tài)下無漏水，在進(jìn)水閥處于關(guān)閉狀態(tài)下有漏水，漏水量比更換密封前略小，未能有效解決該漏水缺陷。再應(yīng)用方案二，在更換新定制的聚氨酯U形密封（設(shè)計(jì)過盈量為3.01～3.81mm）后，在機(jī)組啟停各種工況下，該進(jìn)水閥軸頸密封均無漏水，有效解決該漏水缺陷。說明海蓄2號進(jìn)水閥右岸軸頸密封漏水原因分析正確，通過增大U形密封接觸壓力可以有效解決問題。此前對比多個(gè)抽水電站進(jìn)水閥軸頸密封的運(yùn)行情況，發(fā)現(xiàn)采用V形組合密封結(jié)構(gòu)的可靠性明顯高于U形密封。結(jié)合此次進(jìn)水閥軸頸密封換型的經(jīng)驗(yàn)，U形密封的壓縮量（過盈量）應(yīng)盡量取大，密封材料硬度應(yīng)盡量取高，以優(yōu)先保證密封性能；同時(shí)，聚氨酯材料的撕裂強(qiáng)度、耐磨性、彈性回復(fù)率等指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于丁腈橡膠，建議優(yōu)先選用聚氨酯材料。

3 結(jié)語

大型水泵水輪機(jī)進(jìn)水閥軸頸密封建議優(yōu)先選用V形密封結(jié)構(gòu)，其隨動性優(yōu)于U形密封，可以較好地滿足進(jìn)水閥工作的高可靠性要求；對于已采用U形密封結(jié)構(gòu)的進(jìn)水閥，建議選用聚氨酯材料，且密封設(shè)計(jì)壓縮量不應(yīng)低于丁腈橡膠材料，以提高密封的接觸應(yīng)力，增強(qiáng)密封對軸頸偏心位移的適應(yīng)性。本次海蓄機(jī)組進(jìn)水閥軸頸密封換型改造取得較好的效果，可為同類型進(jìn)水閥軸頸密封的設(shè)計(jì)選型或技術(shù)改造工作提供較好的借鑒。