湖北白莲河抽水蓄能电站球阀枢轴故障的分析处理

刘 聪，杨绍爱，程利平，王 熙

（湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北省罗田市 438600）

湖北白莲河抽水蓄能电站球阀枢轴故障的分析处理

刘 聪，杨绍爱，程利平，王 熙

（湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北省罗田市 438600）

抽水蓄能电站球阀开启、关闭频繁，其枢轴在动作过程中需承受较大的轴向水推力，故容易损坏。本文介绍了枢轴工作原理，分析了枢轴发生故障的原因，并且详细阐述了枢轴轴套更换流程，对国内同类电站具有一定的借鉴意义。

抽水蓄能电站；球阀；枢轴

1 前言

湖北白莲河抽水蓄能电站（以下简称莲蓄电站）位于湖北省黄冈市罗田县境内。电站由上水库、输水系统、地下厂房、下水库和地面开关站等组成。安装4台300MW机组，总容量1200MW。电站以一回500kV线路接入华中电网，承担华中和湖北电网调峰、填谷、事故备用及黑启动等任务。

电站采用一洞两机的引水方式。机组在每个进水口钢管与蜗壳延伸段之间安装球阀，电站球阀过流直径3500mm，为目前世界上最大直径的球阀。球阀由球阀本体、旁通管、上游连接管、下游伸缩节、接力器和基础埋件等组成。球阀枢轴为横轴双密封结构、自润滑轴套。

电站球阀由法国ALSTOM供货（韩国堵山生产），葛洲坝机电公司安装，全部机组于2010年12月投产。

2 球阀枢轴隐患概述

球阀枢轴结构如图1所示，当球阀开启时，由接力器带动拐臂做90°转动，由于拐臂与枢轴、钢套用销钉连接，故可以带动枢轴、钢套转动，枢轴进一步带动球阀活门转动。当活门转动时，钢套随之转动，而轴套静止不动，为避免两者之间直接摩擦，ALSTOM公司采用了TENMAT公司生产的自润滑嵌板，分块用黏结剂直接粘接在轴套内部。

图1 球阀枢轴剖面图

由于4台机组在球阀开启过程中有不同程度的卡涩现象，并且球阀枢轴密封外缘部位有轻微黑色油状物质流出。为此，经过莲蓄公司与ALSTOM公司协商沟通，ALSTOM方面承诺为我方提供新型的枢轴轴套及相应的专用工具和技术指导。新轴套由OILES公司制造，采用铜基石墨自润滑材料镶嵌的结构，具有自润滑功能，同时内部设计有8道油槽，用于在安装检修初期向内部注入特殊润滑油，增加润滑性能。经过有限元方法进行计算验证，新的轴套载荷及油槽设计满足莲蓄电站球阀安全稳定运行的要求。

3 轴套更换流程

3.1 前期准备工作

前期工作主要是安全措施的布置、工具的准备以及检修平台的搭建。安全措施方面，将球阀对应的流道水流排空，并截断相应的油、水、气、电回路；工具方面，由ALSTOM提供整套工具（见图2），在开工前，用煤油对工具进行清洗；平台方面，根据现场实际情况，搭建了用于支撑枢轴的检修平台。

图2 拆装轴套工具图

3.2 更换轴套

（1）拆除左岸、右岸接力器与拐臂之间连接销钉，将接力器固定在平台支架上。

（2）利用角磨机拆除拐臂销钉锁片，利用销钉拆除工具与千斤顶拆除左岸、右岸拐臂与枢轴连接销钉，再用75mm敲击扳手拆除把合螺栓，然后利用桥机拆除拐臂。

（3）依次拆除左岸、右岸铜环、枢轴密封箱、U型密封。

（4）安装右岸调整垫块、假拐臂，安装完成后，用5500N·m力矩固定螺栓，假拐臂可卡住枢轴，防止活门在拔出左岸轴套时移位。

（5）安装枢轴支撑工装。安装前，必须将拔环安装在工装上。用5500N·m的力矩拧紧6个M48螺母，将工装固定在枢轴上。

（6）将千斤顶固定在支撑上，开始起升千斤顶使其接触到枢轴。碰到枢轴后，继续提升，距离达到0.15mm后使千斤顶固定住。使用塞尺测量枢轴与轴衬、轴衬与轴套之间的距离（标准值为0.15mm），保证枢轴、轴衬、轴套同轴，这样可以减少滑动摩擦，利于轴套拔出。

（7）将两根特殊双头螺杆穿入拔环并在钢套上固定，4根M8的螺纹杆穿入拔环并在轴套上拧紧螺栓。然后通过拧拉拔螺母将钢套、轴套拔出，在拔出的过程中，用桥机吊住轴套，防止其因重力下垂与钢套机械摩擦，并随时用塞尺测量的轴套、钢套间距，确保钢套与轴套同轴（见图3）。

图3 拔钢套、轴套示意图

拔出钢套、轴套后，在枢轴与球阀本体之间安装假轴套，防止取下千斤顶后枢轴重心下移。然后移除双头螺栓、螺母及千斤顶，松开拔环，用桥机吊下钢套、轴套。

采用此方法对4、3、2号机组球阀轴套进行了更换，但是在更换1号机组球阀时，发现钢套有锈蚀现象，无法拔出。通过与ALSTOM现场督导讨论，改为先拔铜套。铜套拆除较为顺利，然后再来尝试拔钢套时，仍然不成功，故制定了钢套拆除的临时方案。

步骤一：加大拉拔力度，同时使用8根专用拉伸螺杆、4个专用扳手对钢套进行拉拔。

步骤二：在增大拉拔力度的同时，对钢套进行加热使之膨胀，以减小钢套与枢轴之间的摩擦力，这样便能相对容易的拔出。

使用加热垫进行加热（单块最高温度可达160℃，钢套与枢轴之间温差大于10℃）拉拔，钢套有些松动，但是效果不明显，拆除工作失败。

鉴于此，采用液压拉伸工具（见图4），专用工具安装在拔环上后，开始用手摇泵加压，钢套有所松动，然后采用电动泵加压6根螺杆，单根螺杆压强达75MPa，总压强达到450MPa，随着钢套慢慢出来，相应减少螺杆数量，总压力也有所下降并基本稳定在总压360MPa，最后100mm左右，压强才明显降低，总压强180MPa，最终将钢套拔出。

图4 液压拉伸工具安装图

（8）对钢套内侧、外侧进行打磨，使其光滑平整。根据机械图纸，在阀体的相应位置钻6个φ10孔，分别为2个注油孔，2个排油孔和2个排水孔。在新型轴套内壁、钢套外壁涂抹特殊润滑油，安装新的O型密封008、009、010、011、012。将轴套套入钢套后，整体涂上凡士林及3号通用锂基润滑脂，装上压环，再将压环与轴套、钢套分别固定，用桥机将整体吊上工装。用螺杆穿过压环直达轴套孔，对称拧螺母，即可将轴套压入球阀，同理将钢套压入。

（9）左岸轴套更换完成后，将右岸侧的假拐臂换到左侧，将左岸侧的工装和拔环换到右侧，更换右岸侧轴套，更换完成后，依次回装左右U型密封、枢轴密封箱、铜环、拐臂。

3.3 功能测试

回装完成后，用手动注油枪将特殊润滑油从注油孔注入轴套内，直到排油孔出油为止，然后对钢套的密封性能进行加压测试，具体方法：用手动加压泵，先在泵内装透平油，然后从拐臂上的加压试验孔打油，将油压打到1MPa，然后保持30min，30min后压力保持不降，说明钢套底端的两道密封装配合格。

加压测试完成后，对球阀进行无水测试，测试中，球阀新型自润滑轴套无卡涩现象，且球阀接力器有杆腔和无杆腔压力在球阀开启过程中与历史数据一致，球阀开启和关闭时间与更换前的历史数据相同。无水测试完成后，对流道、转轮和蜗壳进行充水，在水轮机及相关部件满足运行条件后，进行静水测试。通过测试，液压旁通阀、接力器液压锁定、三通阀及相应的电磁阀动作情况正常，球阀开启和关闭时间和无水测试的时间基本一致。

最后对相关机组进行启机测试，测试过程中，球阀无卡涩现象，球阀开启和关闭时间及接力器有/无杆腔压力与历史数据一致，均满足设计要求。至此，球阀枢轴轴套更换工作完成。

4 原因分析及防范措施

湖北白莲河、河南宝泉、广东惠州抽水蓄能电站机组球阀全部由法国ALSTOM设计并供货。其中，宝泉2号机组球阀、惠州5号机组球阀均发生过轴套永久卡死，导致球阀不能开启的重大故障，而通过此次对白莲河抽水蓄能电站4台球阀轴套的更换发现：4号机组球阀出现轴套自润滑嵌板剥落（见图5），1、2、3号机组轴套自润滑嵌板有不同程度的磨损，1号机组球阀左岸钢套与枢轴之间有拉伤（经查明，为工厂组装过程中，钢套和枢轴之间的间隙没调整好所致）。

图5 4号机组球阀原轴套内衬

图6 新轴套内衬

根据分析，发生枢轴卡死的原因如下：

（1）抽水蓄能电站球阀开启频繁，轴套承受的作用力大。

莲蓄公司球阀运行方式为静水开启、动水关闭。当球阀关闭时，活门前后的最大作用力出现在上库最高水位、下库最低水位的时候，即上下压差为217m时。此时，活门作用在轴套上的力为18180kN。在动水关闭过程中，由于水锤的影响，作用在轴套上的力会更大。

（2）轴套与自润滑嵌板黏合度不够。

自润滑嵌板的胶合过程需要经过加工和喷砂、涂黏结剂、轴套黏接固化、检验等过程，对压力和温度有非常高的要求，ALSTOM公司2012年对TENMAT轴套生产过程调查发现，后者在轴套粘接固化和检验方面存在不足，导致部分轴套自润滑嵌板黏合度不够。

（3）ALSTOM公司设计缺陷。

莲蓄公司球阀原枢轴采用普通的滑动轴承，并且ALSTOM公司没有设计注油孔对钢套与轴套之间进行注油，导致轴套、钢套之间摩擦系数变大，使得自润滑嵌板在球阀动作过程中容易脱落。

对惠州和宝泉抽水蓄能电站故障枢轴进行检查，发现轴套平压孔被堵死，导致轴套外部的压力增加使轴套箍死枢轴而损坏自润滑嵌板。

针对上述原因，有以下防范措施：

1）密切监视球阀开启时间，严格执行球阀静水开启、动水关闭的规定。在运行工况下，卡死一般只发生在开启过程，因为开启阀门时，所需的力矩应大于摩擦力和活门重量所产生的力矩；关闭球阀时，所需的力矩应大于摩擦力矩和活门重量力矩之和减去水力矩。

2）改进TENMA轴套的生产控制过程，或者改用其他形式的轴套；对当前轴套做无损探伤，改进检验过程；增加枢轴平压孔数量，防止平压孔被异物堵塞；球阀本体上增加进油孔、排油孔，以便向枢轴与轴衬之间注润滑油（新轴套内衬见图6）。

莲蓄公司3号、4号机组球阀枢轴改造于2013年11月完成，1号、2号机组球阀枢轴改造于2014年3月完成，目前均运行良好。

5 结束语

目前，抽水蓄能电站建设正处于快速发展时期，随着一批高水头、大流量、大容量抽水蓄能电站的建立，必将会生产一批大直径的球阀，由此也会产生一系列的安装、运行、保养等技术问题。莲蓄公司球阀作为目前世界上直径最大的球阀，其维护、检修工艺对其他同类型水电站具有十分重要的借鉴意义。

[1] 杨聚伟，许国华，张成华，李想.白莲河抽水蓄能电站球阀密封损坏原因分析与处理.水力发电，2012，38（7）：77-79.

[2] 张海江，何开周.毛儿盖水电站进水球阀几个关键技术问题的处理.四川水力发电，2013，32（3）：121-123.

[3] 陈春华.蒲石河抽水蓄能电站进水球阀典型问题分析及处理.城市建设理论研究，2014，13.

刘 聪（1987—），男，助理工程师，从事抽水蓄能电站机电运维工作。E-mail: 674291044@qq.com

The Analysis and Treatment of Trunnion Damage in Bailianhe Pumped-Storage Power Station

LIU Cong ,YANG Shaoai ,CHENG Liping ,WANG Xi
（Hubei Bailianhe Pumped Storage Co. Ltd.，Luotian 438600,China）

The opening/closing action of ball valve is frequent in pumped storage power station，and its trunnion withstands greater axial thrust during the process，so it is easily damaged. This article describes the working principle of the trunnion，and analysis the reasons of the Malfunction. It also elaborates the replacement procession of the trunnion bushing and the treatment has a certain significance for similar power plant in China.

pumped-storage power station; ball valve; trunnion