十三陵电厂进水阀枢轴轴承结构优化设计

邹志伟，许旭辉，刘 超

（国网新源控股有限公司北京十三陵蓄能电厂，北京 102200）

十三陵电厂进水阀枢轴轴承结构优化设计

邹志伟，许旭辉，刘 超

（国网新源控股有限公司北京十三陵蓄能电厂，北京 102200）

进水阀是现代抽水蓄能电站不可或缺的组成部分，主要分为球阀与蝶阀两种形式。十三陵电厂安装有4台200 MW混流可逆式水泵/水轮机组，机组转速500 r/min，转轮直径为3.68 m，进水阀采用直径为1.75 m的球阀，1997年4台机组全部投产。但随着运行时间的增加，进水阀枢轴轴承密封因轴套出现裂纹导致漏水、自动化原件误动等故障。本文通过分析十三陵电厂进水阀轴承故障原因，探讨解决进水阀轴承优化设计方案，并运用于实际检修工作中，取得了良好的效果，对同类电站进水阀类似问题处理有一定借鉴意义。

进水阀；枢轴轴承；密封

1 引言

十三陵电厂进水阀由VOITH公司生产，进水阀采用卧轴液压操作，内径为1 750 mm，设有工作密封和检修密封，在规定的水头和扬程范围内，机组发最大出力和吸收最大入力时能可靠地截断水泵水轮机全部流量。正常情况下，进水阀在平压后开启，特殊情况下，允许在2.5 MPa不平衡水压下开启。阀体采用铸钢制造，活门采用钢板焊制。驱动端和非驱动端的枢轴是焊在转子上的，阀体通过轴承支撑转子，轴与阀体之间为自润滑轴瓦，以保证转子在径向和轴向的受力。其密封采用“V”形填料，而在轴瓦的内侧安装有橡胶密封环，以防止杂质进入轴瓦内。

进水阀密封分为上游检修密封和下游工作密封，密封是由动密封环、静密封环组成。其中静密封环是固定在转子的挡水断面上，而上游活动密封环是位于阀体内部衬套和上游阀体外部衬套所形成的腔体内，下游活动密封环是位于阀体内部衬套与下游阀体外部衬套所形成的腔体内。检修密封和工作密封是用水压进行操作，从上游引水至高压钢管取水，对密封进行投入和解除操作。密封的动密封环为不锈钢材质，在阀体衬套的铝青铜表面上滑动，以保证平稳工作和表面免于腐蚀。

2 进水阀运行现状及原因分析

2.1 运行现状

电站自投产以来，截止至2016年6月底，各台机组运行开停机次数及进水阀开关动作次数见下表1：

表1 机组投产以来开停机次数统计

2010年检修时，发现3号进水阀驱动端枢轴轴承铜套左侧、右侧均有裂纹，左侧裂纹长约60 mm（9点～10点处），右侧裂纹长约190 mm（3点～4点半处）。进水阀经过多年的运行后存在进水阀两侧枢轴密封处漏水。

2015年4月12日，3号机组C修进水阀耳轴轴承过程中，发现耳轴驱动端有漏水现象，经检查轴套4点半处有贯通裂纹30 mm（见图1），向3点方向内延伸裂纹约260 mm（见图2）。

2016年3月，对3号机组进水阀及其操作系统机械C级检修时，驱动端耳轴轴承除了上述的的驱动端4点半处有贯通裂纹，并向3点方向内延伸外，还发现在9点方向有大约长70 mm、宽3 mm的不规则凹面。

图1

图2

2.2 原因分析

十三陵电厂进水阀转子枢轴轴承采用自润滑轴承结构，使用的是Oiles 500SP系列轴承。该轴承和轴承基座之间采用过盈配合，需要使用冷套的方法将轴承压入轴承座。

Oiles轴承标准配合工差为H7/r6，理论单边间隙为-0.0885～-0.1675 mm；而十三陵电厂进水阀枢轴轴承设计过盈量更大，单边理论间隙为-0.175～-0.215 mm。轴承经液氮冷却后尺寸收缩，可以顺利压入轴承座，随着时间推移，轴承逐渐恢复到室温，轴承尺寸膨胀，受轴承座尺寸限制，产生过盈与形变。但轴承法兰与轴承座之间有间隙，此处不受约束自由膨胀，轴承2处受约束与变形情况不同，产生应力。

下面使用有限元方法对枢轴轴承受力情况进行分析，通过2种模拟条件对枢轴轴承受力情况进行对比分析：

模拟一：室温情况下轴承发生径向收缩，收缩量为理论过盈量，分别模拟了收缩量为0.1 mm和0.2 mm的情况。

模拟二：在约束轴承外壁的情况下对轴承升温，根据膨胀量单边0.2 mm计算得温度上升36°。

2种模拟条件下的枢轴轴承受力情况有限元分析结果如下：

模拟一情况1：轴承单边收缩0.2 mm，见图3（a）、（b）。

图3 模拟一情况1

模拟一情况2：轴承单边收缩0.1 mm，见图4（a）、（b）。

图4 模拟一情况2

模拟二：轴承温度升高36°，见图5（a）、（b）。

图5 模拟二

模拟结果显示2种方法模拟结果相近，一致性较好，2种模拟结果均显示在法兰根部处存在一较高应力集中，约70 MPa。软态黄铜的抗拉强度约300 MPa，屈服强度约100 MPa，已经达到了70%的屈服强度，该应力相对较高，考虑到轴承上镶入非金属润滑材料，可能局部地方峰值应力会更高。长时间在该应力水平下工作对轴承寿命有较大影响，轴承存在疲劳破坏的较大可能。

从进水阀实际运行情况来看，4台机组进水阀驱动端耳轴轴承及非驱动端枢轴轴承均出现不同程度的裂纹及漏水情况，其中个别机组进水阀轴承发生断裂现象，裂纹及断裂处容易发生碎裂掉块现象，轻者导致摩擦增大，轴承磨损，重者将导致进水阀卡塞，不能开启或关闭。

国内某蓄能电站在进行水轮机性能试验时，进水阀在开启过程中，机组转速逐步上升至100%额定转速，但此时进水阀现地控制柜仍显示进水阀正在开启状态，经现地检查，进水阀开度约为40%，立即人工紧急停机，进水阀关闭。后来通过检查发现是枢轴的轴承故障导致的，该进水阀枢轴轴承的自润滑材料粘到轴承里衬，在进水阀的开启动作过程中，出现自润滑材料的脱落（详见图6）导致进水阀至40%开度后，无法再打开。幸好是在调试阶段，发现进水阀现地控制柜仍显示进水阀正在开启状态，立即现场检查判断后，进行人工紧急停机，进水阀关闭，避免了事故。这也给十三陵蓄能电厂进水阀的安全稳定运行敲响了警钟，4号机组进水阀存在枢轴轴承里衬有错台、间隙不均匀问题，裂纹处可能会出现掉块情况，目前运行无卡阻，但并不表示以后在开启或关闭过程中不会出现卡阻故障。

图6 自润滑材料脱落

另外，2016年3月，对3号机组进水阀及其操作系统机械C级检修时，蜗壳内检查工作密封投退情况，工作密封3点、5点方向向外渗水，渗水量4.6 L/min，大于标准4 L/min，且3点、5点处密封间隙0.1 mm，且存在异物压痕，怀疑密封静环此两处曾有异物卡阻，导致密封面间隙过大，进水阀本体高压水向蜗壳泄漏。

3 进水阀枢轴轴承优化设计

十三陵电厂进水阀转子枢轴轴承采用自润滑结构轴承，该轴承和轴承基座之间采用过盈配合，用冷套的方法将轴承压入轴承座。进水阀枢轴轴承检修有以下2个方案：

方案一：根据原设计更换受损进水阀驱动端和非驱动端轴承。

方案二：更改转子枢轴轴承结构型式，进行计算，重新设计驱动端和非驱动端轴承结构，增加轴承套装置。

原方案的轴承和增加轴承套装置的轴承结构如图7、图8。

3.1 方案一

图7 原方案

图8 增加轴承套方案

按原设计更换受损进水阀驱动端和非驱动端轴承，没有从根本上解决轴承运行过程中局部部位应力集中、应力相对较高的问题，运行一段时间以后，枢轴轴承出现故障的机率会比较高。而且，轴承一旦出现裂纹、断裂情况，需要对进水阀解体才能更换轴承。

进水阀阀体连接螺栓均为液压拉伸螺栓，进水阀解体和安装过程中螺栓需要特殊的液压拉伸工具。

进水阀解体后，对进水阀本体及阀芯进行目视检查，如发现重大缺陷需要修补，修补缺陷需要焊接、探伤工具；对进水阀上下游端检修密封及工作密封进行检查时，需要进行机加工，加工密封环等设备。

根据设计规范，进水阀重新组装后需要对进水阀进行水压试验，由于进水阀上游延伸段已经和引水管道安装，故在引水端和非引水端准备2个试验用带法兰的耐压闷头装置，该闷头需要与进水阀阀体把合，同时进水阀需要1套水压密封试验以及动作试验设备。

所以，按原设计更换受损进水阀驱动端和非驱动端轴承，需对进水阀进行解体，配备特殊液压拉伸工具、检修工具、耐压试验闷头装置及打压试验工具等，因而现场不具备解体检修进水阀的工作条件。

3.2 方案二

带轴承套装置的驱动端和非驱动端轴承（如图9），增加了进水阀枢轴轴承套装置，相比于轴承与阀体直接为过盈配合的原先结构，轴承的结构更加紧密合理，改善了轴承受力情况，轴承也得到了相应的保护，断裂的风险将大大减小。驱动端和非驱动端轴承因磨损等原因需要更换时，不需要再对进水阀全部解体，在现场采用专用工具将轴承套和损坏轴承一起取出，更换轴承后，现场安装到进水阀本体，即可以将来在工地拆换备用轴承。

图9

十三陵电厂现有进水阀耳轴轴承为厚壁轴承，在此基础上改成带轴承套装置的结构形式，初步估计，阀体轴孔单边扩大不超过10 mm，对结构基本没有影响。通过对进水阀阀体轴承座处加工前和加工后进行有限元分析，分析结果也表明，轴承座处的加工对整体进水阀的应力水平没有影响，见图10、11。

图10 加工前阀座有限元分析结果

综上所述，进水阀返厂检修时，轴承的检修采用方案二，即更改转子枢轴轴承结构型式，通过计算，重新设计驱动端和非驱动端轴承结构，增加轴承套装置。

图11 加工后阀座有限元分析结果

4 结语

十三陵电厂利用机组A级检修的有利时机，对进水阀枢轴轴承进行改造，并顺利通过了无水调试和有水调试，投入正常运行。进水阀枢轴轴承改造运行至今，未出现轴承漏水现象，球阀开闭成功率100%，球阀动作时间在设计范围内，有效的解决了进水阀轴承轴套受力不均造成枢轴轴套出现裂纹，导致枢轴轴承漏水问题。

通过进水阀枢轴轴承优化设计，从根本上解决轴承运行过程中局部部位应力集中、应力相对较高的问题，降低进水阀枢轴轴承长时间运行轴套出现裂纹导致枢轴漏水问题产生的可能；进水阀轴承结构优化后，轴承因磨损等原因需要更换时，无需再对进水阀全部解体，现场采用专用工具即可更换轴承，使机组停电检修时间缩短至7 d以内，并彻底消除了对相邻机组的影响，实现了质的飞跃。进水阀枢轴轴承优化设计结构及方法，为其他电厂进水阀枢轴轴承设计提供了经验借鉴。

[1]蔡进高.惠州蓄能水电厂进水阀轴套检修工装设计及应用[J].水电站机电技术，2015（增刊）.

[2]龙庆亮，胡 栋，陈 侠.现代化抽水蓄能电站进水阀密封失灵原因分析及处理[C]//抽水蓄能电站工程建设文集.北京：中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会，2015:7.

[3]张 旭，秦鸿哲.抽水蓄能电站进水阀枢轴轴套故障分析及改造[J].电网与清洁能源，2015（05）:102-106.

[4]王建华.高水头水泵水轮机进水阀设计、制造及安装技术[J].云南水力发电，2014（01）:57-61.

TK730.4

B

1672-5387（2017）01-0015-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.004

2016-09-20

邹志伟（1982-），男，工程师，从事抽水蓄能电厂生产运行及运维检修相关工作。