秘鲁马丘皮丘电站Ф1.9m进水阀结构设计

高 欣 张 芳

（哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 前言

秘鲁马丘皮丘电站是位于秘鲁Urubamba 省的Vilcanota河上，临近世界著名的印加古城遗迹马丘皮丘，距离高原城市Cusco 有107km。哈尔滨电机厂有限责任公司做为秘鲁GYM 公司的分包商承担秘鲁马丘皮丘电站混流式水轮机和球阀以及调速器和自动化元件的设计制造工作。马丘皮丘电站进水阀为φ1900mm 球阀装在额定出力为98MW 的高水头高转速混流式水轮机进口。秘鲁马丘皮丘电站φ1900mm球阀由上游延伸段、球阀阀体、活门、接力器、伸缩节、基础部件和螺栓、旁通阀、带检修阀的空气阀以及密封操作水管路和接力器控制油管路等组成。秘鲁马丘皮丘电站φ1900mm 球阀完全由哈尔滨电机厂有限责任公司独立设计制造，并完成现场的各项试验工作。

1 球阀的结构与分析

1.1 基本参数

球阀型号QF508-WY-190，公称直径Ф1900 mm，最大静水压3.6 MPa，设计压力5MPa，开启时间60s～100s，关闭时间 60s～100s，接力器操作油压6.3 MPa，接力器直径350mm，接力器数量 2 个，阀体打压试验为设计压力的1.5倍，为7.5MPa。

1.2 球阀的结构布置

作为高水头混流式水轮机充当起动、正常停机和紧急事故关机而阻隔水流的关键部件[1]，φ1900mm 球阀安装在压力钢管后，水轮机蜗壳进口前。紧急时能实现动水快速关闭，以防事态进一步恶化；当需要检修维护下游侧的混流式机组时，可以截断混流式机组的进水。

球阀布置见图1。球阀上游延伸段（项1）与压力钢管采用工地焊接相连，球阀的下游装有套筒式伸缩节（项7），通过带预紧力的螺栓将套筒式伸缩节与混流式机组蜗壳进口法兰相连阀体的上下游侧双法兰均采用带预紧力防松的螺栓连接，球阀设旁通管（项2）和空气阀（项5），进人门（项5）设在套筒式伸缩节上。

图1 球阀布置

球阀为水平轴布置、上下游侧金属密封、水压操作动密封环、油压操作接力器的结构，通过打开球阀旁通阀来实现球阀开启前的平压要求[1]，上游移动密封即检修密封环和下游移动密封即工作密封环均采用进口D 型密封。球阀密封的设计原理是利用检修密封环和工作密封环在上游水压的作用下均发生变形的设计方法，同时在水压作用下活门在固定密封座处也会产生变形，这样就使两侧的密封副的变形相互适应其变形，以达到密封面贴合的良好效果，即起到球阀密封的效果。

枢轴瓦采用德国进口DEVA-BM 轴套，进口的U 型橡胶密封。球阀密封分为下游侧的工作密封和上游侧的检修密封，不需要排空上游压力钢管和拆卸球阀便可以检修以及拆卸并更换下游侧移动密封环。移动密封环通过上游侧取水进行操作。工作密封由机组液控阀门进行控制，检修密封为手动阀门控制。球阀通过转臂与2 个Φ350mm 双作用活塞接力器采用6.3MPa 的油压操作。通常，球阀的开机是在上游和下游侧压差通过旁通阀打开后达到30%的压差即可开启，球阀停机操作：活动导叶处于全关位置后，在静水中进行。在紧急状态球阀可实现动水关闭。

1.2.1 阀体

阀体为两瓣结构，由大瓣的阀体和小瓣的阀体采用带预紧力的高强螺栓把合而成，其特点是两瓣阀体的分瓣面适合圆形的密封结构。阀体的结构刚度和强度是阀体结构设计的重要指标，在设计过程中，采用了先进的有限元分析（FEM）技术进行刚强度计算分析和优化。

阀体的有限元分析（FEM）分为4 个工况：1）最大静水压工况下，正常运行工况下，阀体承受最大静水压3.6 MPa，阀体的刚强度计算。2）最大静水压工况下，检修密封全关，阀体承受最大静水压3.6 MPa 和阀体枢轴孔处的受力。3）最大静水压工况下，工作密封全关，阀体承受最大静水压3.6 MPa 和阀体枢轴孔处的受力。4）设计工况下，工作密封全关，阀体承受设计压力5MPa 和阀体枢轴孔处的受力。经过对阀体结构的刚强度有限单元计算分析，在工况1、2 和3 中，最大应力在72MPa，均发生在枢轴轴孔处，最大变形0.5mm 除检修密封关闭发生在阀体枢轴处外，其余工况发生在阀体顶部。在工况4 的计算结果为最大应力在99MPa，发生在枢轴轴孔处，最大变形0.7mm，发生在阀体顶部。由于阀体的两侧和阀体的底部有刚强度较好的轴承支座和基础板，阀体顶部刚度要弱一些，因此上述工况的刚强度指标是满足使用要求的。

阀体移动密封环焊接有不锈钢里衬，大阀体两端有支撑活门卧式枢轴的支座。阀体延水流方向两侧，有连接上游延伸管法兰和下游套筒式伸缩节的法兰。在阻断水流时，阀体、支座以及法兰能承受水流作用在活门和阀体上的最大水推力。阀体底部两侧有整体的支撑底座，按传递球阀全部垂直荷载设计。阀体沿轴线方向基础允许有小的位移，阀体地基接触面加工光滑。球阀顶部设排气阀，充水时排出阀体内的气体，底部设排污阀，检修时排掉积水和沉积的泥沙。阀体采用了优质的符合ASTM 标准的铸钢材料制造。

1.2.2 活门

活门采用了优质的符合ASTM 标准铸钢制造，经先进的有限元分析（FEM）计算，结果具有很好的刚强度。阀轴采用优质锻钢制造，保证强度，轴的表面覆盖不锈钢衬套增加抗磨蚀能力进而保护轴承和密封，活门和阀轴以及转臂的连接，采用带预紧力的螺栓把合结构。在应力允许范围内，控制活门密封面的不均匀变形量和阀体水涨变形量满足密封的要求。

活门的有限元分析（FEM）分为3 个工况，分别是1.最大静水压工况下，检修密封全关，阀体承受最大静水压3.6 MPa 和阀体枢轴孔处的受力；2.最大静水压工况下，工作密封全关，阀体承受最大静水压3.6 MPa 和阀体枢轴孔处的受力；3.设计工况下，工作密封全关，阀体承受设计压力5MPa 和阀体枢轴孔处的受力。经过对阀体结构的刚强度有限单元计算分析，在工况1、2 和3 中，最大应力在120MPa，均发生在活门轴肩处，最大变形1mm 发生在活门中心部位。

1.2.3 球阀密封

球阀密封包括上游的检修密封与下游的工作密封，密封装置可拆卸。移动密封环和固定密封环均采用抗腐蚀抗磨蚀的不锈钢材料制成。移动密封环和固定密封环见图2，固定密封环用带预紧力的螺钉把合在活门上，可以方便地更换。移动密封环位于阀体与过渡法兰间的密封腔内。对于工作密封，当活门转动到全关位置后，移动密封环在水压力作用下动作并滑动，压紧固定密封座起到密封作用，同时接力器达到接力器缸盖位置以限位；在活门开启前移动密封环脱离固定密封座，到位后发出位置信号，此时活门才可打开。阀体和过渡法兰上的移动密封环滑动面，采用精加工的不锈钢护衬，两端分别焊接在阀体上。上游侧密封为检修密封，设有防腐蚀机械锁定机构。

图2 移动密封环和固定密封座

密封有一套反映上下游密封位置的信号装置，其信号通过电缆线接至球阀的控制系统。位置信号装置中的限位开关，在密封环退出位置，可以发出电气信号给控制系统。在信号未发出之前，活门禁止转动。

1.2.4 球阀枢轴轴瓦和密封

轴承瓦采用德国格莱希亚公司生产的、进口的DEVABM 自润滑轴承材料，具有良好的承压性和自润滑性。轴承瓦采用特殊工具压入轴承钢套内，在阀体不分瓣拆开时，随钢套一起从阀体两侧拆出。轴瓦有足够的承载能力，能在承受活门的最大轴向压力时，保证枢轴正常转动而不产生擦痕或有害变形。

钢套外侧与阀体接触部位设有两道O 型静密封，钢套内侧与阀轴接触部位属于旋转运动密封，设两道密封，一道接近阀体内侧，采用整圈O 型密封圈，防止泥沙进入轴瓦，密封槽设有平压孔，使钢套内外侧压力相同；另一道在阀体外侧，采用U 型密封圈，利用旁通孔引入的压力水涨开U 型密封的唇边，达到密封效果。为了尽可能延长更换密封的周期，在U 型密封圈的外侧，增设了一道组合格莱圈密封。

1.2.5 操作机构

球阀操作机构由2 个双作用油压直缸摇摆式接力器操作，接力器与两侧的转臂连接，转臂与阀轴通过销子直接连接。操作机构装设有液动锁定装置和手动操作的机械锁定装置以及锁定位置信号装置，信号传至进水阀现场控制柜及监控。液动锁定装置在球阀全关后自动投入；球阀或水轮机维修时，可以同过机械锁定装置手动锁定球阀在全关位置，以保证人员的安全。接力器在油压装置最小油压下，最坏的操作工况（动水关闭）时，安全关闭球阀。

对接力器进行了刚强度分析计算，对缸盖和缸体的强度进行了计算，缸盖最大应力140MPa，缸体最大应力55MPa，活塞杆的压杆稳定性安全系数为6，接力器满足安全使用要求。

1.2.6 旁通管路和空气阀

球阀斜下方45°角设置有旁通管路，其作用是开机时平压。旁通阀为DN50 液压自动控制针型阀，在上游设置了1 个检修用液压控制针型阀和1 个手动球阀，下游设置1 个手动球阀。

在套筒式伸缩节顶部设有一个DN100 带检修球阀的弹簧式自动空气阀，在机组充水时能够排出蜗壳内部的空气，机组排水时允许空气进入蜗壳。

在弹簧式自动空气阀上部，接有小口径排水管，引致附近的排水沟。当机组紧急关机时空气阀来不及快速关闭而有少量水排出时，可通过该管将水引出排走。

1.2.7 上游延伸管和伸缩节

上游延伸管与压力钢管通过焊接方式相连，焊接形式的上游延伸管具有足够的刚度和强度，能承受作用在球阀上的最大水推力。

对伸缩节上的进人门进行了有限元分析（FEM）计算，在最大设计压力下，门座的最大应力320MPa，门盖153MPa，门盖处最大变形0.25mm，进人门的刚强度满足使用要求。

为了便于球阀的安装和拆卸，在下游侧与蜗壳之间设有伸缩量为30mm 的套筒式伸缩节，套筒式伸缩节与蜗壳进口法兰连接，能适应厂房因温度高低变化引起的轴线方向的位移，以及施加在活门上的作用力能引起延轴线方向微小位移。法兰处密封采用两道“O”形橡胶密封圈，能有效防止管与法兰因微小滑动而产生的漏水。

2 厂内试验

球阀出厂前进行了动作试验、活门阀体打压试验和密封试验。

动作试验，通过接力器通过转臂操作活门从全关位置到全开位置，活门在整个开关运行过程中要运行平稳，无卡阻及震动现象发生；移动密封环在移动过程中应平稳。

打压试验：球阀与上游连接管参与球阀的打压试验进行了打压试验，为设计压力的1.5 倍为压力7.5MPa，试验时活门和上下游移动密封环处于全开状态，上下游进行封堵的方法进行。

活门压力试验：压力6MPa 为设计压力的1.2 倍，上游侧试验时检修密封处于关闭状态，上游侧封堵；下游侧试验时工作密封处于关闭状态上游侧封堵。

活门密封试验：活门工作密封和检修密封分别进行了密封试验，试验压力3.65MPa，同样是采用上游侧试验时检修密封处于关闭状态，上游侧封堵；下游侧试验时工作密封处于关闭状态上游侧封堵的方法进行。活门检修密封试验通过阀体顶部的排气孔漏水量检查工作密封的密封效果，漏水量不超过0.014L/min；活门工作密封通过下游侧闷头顶部的排气孔漏水量检查工作密封的密封效果，漏水量不超过0.014L/min，试验应重复多次试验。

上游延伸管和伸缩节的打压试验时采用封堵闷头方式进行，为设计压力的1.5 倍，即试验压力为7.5MPa。

经各项试验表明，阀体的应力和变形、活门应力和变形均在合理范围之内，阀体、活门和上游延伸管以及伸缩节具有足够的强度和刚度，活门密封试验结果符合设计要求满足合同的要求，表明该项目设计工作取得圆满成功，并顺利出厂验收。

3 结语

秘鲁马丘皮丘电站Ф1900mm 球阀已在哈尔滨电机厂有限责任公司车间内，顺利通过并完成了球阀阀体、活门的打压试验、球阀活门的密封试验和球阀的动作试验以及接力器的密封试验、压力试验和接力器动作试验等以及业主较为严苛的验收，球阀密封试验的漏水量满足合同要求。秘鲁马丘皮丘电站Ф1900mm 球阀已通过海运，在工地现场完成各项无水调试和有水调试工作，并顺利投入商业运行，效果良好，为哈尔滨电机厂有限责任公司赢得了较好的国际声誉。