主進水閥工作密封投入腔壓力低原因分析與處理

王煥河，惠振國，田 凡，陳孜豪，孫 政，穆君雄，王華信

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 黃岡 438600）

0 引言

主進水閥是抽水蓄能電站重要設備系統(tǒng)，同時兼?zhèn)錂C組檢修期間有效安全隔離點；機組長時間停備有效截流水源，減少導葉漏水引起的汽蝕和導葉蠕動；參與機組工況轉(zhuǎn)換，機組調(diào)相封水、封氣，助力轉(zhuǎn)輪壓水、調(diào)相成功等功能，其作用相當重要。抽蓄電站主進水閥一般為球閥結(jié)構(gòu)，設有一道工作密封和檢修密封。檢修密封通常為退出狀態(tài)，主進水閥參與機組檢修作為隔離點時投入并鎖定，工作密封在機組停備時為投入狀態(tài)，起到封水、封氣的作用，機組工況轉(zhuǎn)換球閥開啟前需要退出，保證閥芯自由活動。工作密封投入可靠性是評估主進水閥安全性能重要指標之一，如果工作密封投入可靠性降低或者失效會引起一系列問題，甚至會發(fā)生水力自激振乃至設備、人身事件，所以對工作密封狀態(tài)的監(jiān)測、評估，有效地制定運維、檢修策略十分必要。

1 故障現(xiàn)象

2022年7月11日，機組監(jiān)控畫面4號球閥工作密封投入腔壓力偏低，顯示2.34 MPa，正常壓力同上游壓力鋼管壓力2.6 MPa，同時出現(xiàn) 4號球閥下游密封供水過濾器堵塞的報警。在對過濾器清洗后壓力依舊持續(xù)緩慢下降，17日至19日壓力從2.5 MPa降至1.79 MPa。同時在機組運行、現(xiàn)地手動退工作密封的情況下，密封腔泄壓管有水排出，尤其在機組運行時水流狀態(tài)與流道壓力脈動和振動聲噪有直接關聯(lián)。

2 部件說明

球閥工作密封結(jié)構(gòu)主要由密封座、密封環(huán)、固定環(huán)組成，操作源為上游水壓，密封投入機理為向密封座、密封環(huán)、球閥殼體組成的投入腔供水形成壓差（受力面積不同），密封環(huán)緩慢移動與固定環(huán)形成封水線。密封退出機理為投入腔泄壓，密封環(huán)在流道壓力作用下緩慢遠離固定環(huán)形成空隙，便于閥芯開啟關閉。密封座在001號-003號密封對應區(qū)域鋪焊鋁青銅，范圍大于密封活動行程，目的是減少密封環(huán)滑動摩擦力。

圖1 工作密封裝配圖

工作密封操作水取自上游壓力鋼管，經(jīng)過濾器、液控操作三通閥注入投入腔，投入腔分別裝有3個位置傳感器和1個壓力開關用于判斷密封投、退信號，殼體頂部和底部在投入腔對應位置各有1個孔，用于投入腔排氣、手動投密封、耐壓測試。另外殼體底部在密封環(huán)與殼體組成的手動退出腔對應位置設置1個孔，用于外加泵退密封、觀測、耐壓測試。

圖2 工作密封操作水源圖

圖3 工作密封環(huán)裝配圖

球閥工作密封過濾器為雙向切換形式，過濾精度較高[1]，水力損失較大，基于球閥工作密封投入時，工作環(huán)境特點一是用水量不大，二是投入時間較短，不需要持續(xù)供水，只需保壓。該過濾器選型在部件正常的情況下合理，滿足實際要求。

3 原因分析與論證

（1）工作密封投入腔壓力下降與過濾器沒有直接關聯(lián)，是投入腔有滲漏點導致供給側(cè)流量小于滲漏側(cè)引起的，相反過濾器出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象一是本身可能有部分堵塞，二是出現(xiàn)滲漏點導致短時間過流量大使堵塞面積增大引起報警。

（2）現(xiàn)場觀察手動退出腔在殼體底部排水觀測孔有間歇的水滴，可以判斷001號或003號密封有極其微小的滲漏缺陷，但是不足以導致滲漏流量大于供給流量，所以排除001號和003號密封原因。

（3）從現(xiàn)象“機組運行、現(xiàn)地手動退密封的情況下，密封腔泄壓管有水排出，尤其在機組運行時水流狀態(tài)與流道壓力脈動和振動聲噪有直接關聯(lián)?！被究梢源_定002號密封封水不嚴，流道中壓力水通過002號密封滲入投入腔，再通過液控三通閥的泄壓管路排至排水溝。

（4）7月19日，對過濾器濾芯取掉測試時發(fā)現(xiàn)投入腔壓力能維持在2.5 MPa，且沒有持續(xù)下降的現(xiàn)象，過濾器過流量增大后能與滲漏量平衡，同時也可以判斷002號密封存在滲漏問題。

綜上所述，4號球閥工作密封投入腔壓力低，是002號密封缺陷所致，具體故障點目前無法確定。有可能是002號密封破損，也有可能對應密封座的鋁青銅存在脫落，坑蝕等情況，具體屬于哪種原因還要結(jié)合拆卸后再定論。

4 缺陷影響

球閥工作密封投入狀態(tài)下安全可靠性降低，如果投入腔無法保壓，壓力持續(xù)降低至密封動作值時，不考慮摩擦力，水壓平衡值為1.6 MPa。有可能造成密封環(huán)微小的滑動，形成與固定環(huán)細小空隙，這種情況下容易引起水力自激振。

如果缺陷進一步擴大，造成工作密封無法投入，則會增加導葉漏水量，增加過流部件的氣蝕危害，同時對機組啟停機流程也會有直接影響。

5 檢修處理

結(jié)合機組檢修對4號球閥工作密封拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)002號密封環(huán)有多處老化破損的情況，與前期分析完全吻合。工作密封環(huán)001號-003號密封均為丁腈橡膠材質(zhì)（NBR），投運至今已有13年。

圖4 密封破損照片1

圖5 密封破損照片2

此次密封選型不再延用丁腈橡膠D型密封，而是采用SKF品牌聚氨酯材質(zhì)（G-ECOPUR）定制密封，同步在原有結(jié)構(gòu)基礎上改善密封配合和相對摩擦性能，相較丁腈橡膠材質(zhì)，聚氨酯材質(zhì)具有卓越的耐磨性和較高的產(chǎn)品硬度，依據(jù)前兩臺球閥檢修使用經(jīng)驗，無論是裝配便捷亦或后期運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)，都表現(xiàn)出良好的性能品質(zhì)。

圖6 聚氨酯密封性能參數(shù)

圖8 不同密封材質(zhì)性能對比（耐磨損）

部件裝配后經(jīng)靜態(tài)耐壓測試確認密封裝配成功，閥體充水后經(jīng)投退測試確認密封環(huán)動作狀態(tài)正常，后期對工作密封投退時間、有效行程、速率平衡等方面運維數(shù)據(jù)進行定期收集和專業(yè)評估，最終確認缺陷成功消除。

圖9 密封裝配照片

圖10 密封座裝配照片

6 結(jié)論

本文系統(tǒng)分析了抽蓄電站主進水閥工作密封典型故障缺陷，闡述了部件設計及配合機理，深入論證了缺陷成因，并且為工作密封關鍵部件的產(chǎn)品選型提供了成功經(jīng)驗，具有廣泛的參考借鑒意義。