蓄能电站球阀枢轴轴套故障分析及改造

曾志辉

摘要：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。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。

关键词：蓄能电站球阀枢轴轴套故障；改造；

前言：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。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。

一、球阀枢轴隐患概述

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，自润滑嵌板，分块用黏结剂直接粘接在轴套内部。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，经过莲蓄公司与公司协商沟通，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。

二、改造

1.轴套更换流程。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，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。

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。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。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，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。（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φ 10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，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.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.防范措施。抽水蓄能电站机组球阀经查明，为工厂组装过程中，钢套和枢轴之间的间隙没调整好所致。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，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。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。改进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，目前均运行良好。

结束语：球阀枢轴铜轴套的改造，从根本上解决了球阀枢轴铜轴套内壁自润滑材料脱落的安全隐患，极大地提高了宝泉电站球阀的运行可靠性，为以后电站长期可靠、稳定运行打下坚实基础。同时，也对抽水蓄能电站同类型的球阀设计、生产加工、以及后期运行维护都起到了一个很好的参借鉴作用。

参考文献：

[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，2019，38（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，2019，32（3）：121-123.