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進口進水球閥的結構設計

發布人:http://www.famenr.com 發布時間:2015-10-05 18:50 已被瀏覽

 沐若電站位于馬來西亞(Malaysia)沙撈越州(Sarawak)境內拉讓河(RajangRiver)流域的上游,由馬來西亞國家電力公司修建,國內總承包為三峽發展有限公司。
    沐若電站共裝機4臺單機容量239.6MW常規混流機組,并在每個壓力鋼管上配置一套3m公稱直徑的進水球閥,該進水閥由哈電公司負責設計制造,是國內水電行業中自主研發制作的最大的采用焊接式閥體及活門的進水球閥。同時,由于該項目也是哈電公司在東南亞市場簽訂的最大容量機組,對于后續市場開發具有重要的歷史意義。
    截止2015年1月,沐若電站四臺球閥均已投入運行,并完成了相關試驗,同時,3#、4#機球閥完成了動水關閉試驗,結果均滿足合同要求。
    1 主要設計參數
    球閥型號:QF329-WY-300;公稱直徑:3m;設計壓力:5MPa;接力器:2-φ500mm;接力器操作油壓:6.3MPa;移動密封環操作油壓:6.3MPa;球閥開啟、關閉時間:60~120s,可調節。
    2 總體布置簡述
    該進水閥門設置在壓力鋼管與水輪機之間,用于水輪機的正常運行及保護電站的安全,是電站運行及檢修重要的保護設備。
    主要由上游連接管、球閥裝配、操作機構、下游連接管及伸縮節、蝸殼進口段等組成。上游側上游連接管與壓力鋼管采用工地焊接,下游側通過蝸殼進口段與水輪機蝸殼進行焊接。球閥操作機構通過兩個φ500油壓操作接力器,對球閥的開啟、關閉動作進行控制。

圖1 球閥布置圖

    3 關鍵部分結構設計
    3.1 閥體
    本球閥的閥體全部采用鋼板焊接制造,閥體沿水流方向分為兩瓣,分瓣把合面通過合理的計算及結構優化,設置在閥軸的下游側,即上游側為大瓣,下游側采用小瓣,上下游的閥體通過螺栓把合為一體結構。
    由于閥體采用鋼板Q345C焊接結構,原材料鋼板質量更容易保證。閥體焊后加工前進行退火處理,同時全部的焊縫均嚴格控制,全部采用UT、MT探傷,重點區域采用RT輔助探傷,并使用美國ASME標準對焊縫進行考核,整個過程可以保證閥體的原材料及制造質量,有效解決由于大型鑄件缺陷產生的成本流失風險。
    閥體的計算采用了先進的ANSYS軟件進行有限元分析,并對邊界條件進行了合理優化,采用上游連接管、閥體及下游連接管聯合受力計算,跟準確的模擬實際情況,在充分的理論依據基礎上,對閥體的結構、軸承座等關鍵位置進行優化,采用大、小瓣的分瓣形式可有效地避開了球閥的高應力區,使分瓣面處的受力更為均勻,使其應力水平及變形均滿足合同及使用要求。

    圖2 閥體

    閥體底部設有鋼板焊接的支撐底座,用來承受整個閥體的(含整個球閥進出口之間的水體)重量載荷,通過預埋的底座錨板將力傳遞給混凝土基礎。球閥與上游壓力鋼管之間為圓管連接,當機組沖水時,整個球閥在水推力的作用下,會產生沿水流方向的軸向移動,因此,在結構設計時,球閥閥體與基礎板平面允許軸向移動,移動范圍為12mm,同時為防止閥體上抬,預留0.1~0.2mm的配車間隙。

    圖3 基礎螺栓把合型式
    3.2 活門、閥軸
    活門全部采用鋼板Q345C焊接制造,焊后進行熱處理,具有良好的剛、強度,閥軸采用性能優良的鍛鋼材料加工而成。活門與閥軸采用分體結構,閥軸通過活門內部安裝,與活門采用8-M90螺栓把合,采用12-φ40的銷套傳遞扭矩。能夠有效的傳遞接力器操作力以及將軸向水推力由活門通過閥軸傳遞給閥體,降低整體應力水平。
    整個結構布置合理,并充分考慮工藝可行性,整個安裝順序,需要在兩瓣閥體把合前,將活門置入大瓣閥體內,然后吊裝閥軸并進行把合,最后將兩瓣閥體把合。整個結構相對于傳統的整鑄活門重量上大大減輕,降低成本,同時也提高了制造質量。

    圖4 活門

    活門的計算采用了先進的ANSYS軟件進行有限元分析,結合閥軸一起建模,優化邊界條件,對活門的剛、強度及變形進行了分析并優化滿足使用要求,同時對活門密封點的變形進行細化并提取,為后續控制活門密封面的不均勻變形量和閥體水漲變形量滿足密封要求提供理論依據。
    3.3 閥門密封
    本閥門密封采用金屬對金屬的硬密封形式,由布置在閥門上游側的檢修密封以及布置在球閥下游側的工作密封組成,所有密封均可以在閥門檢修維護時拆卸,均由不銹鋼移動密封環和不銹鋼固定密封座組成。其中水輪機正常運行、停機時,僅使用工作密封移動密封環的投退即可,只有在水輪機需要長時間檢修排空蝸殼或者檢修下游側工作密封時,才手動操作檢修密封移動密封環的投退。
    在密封結構的選擇上,借鑒了國外公司球閥密封設計先進技術,結合我公司球閥設計制造經驗,采用了柔性設計思想,保證密封性能,即移動密封環通過高壓介質的驅動,與把合在活門上的固定密封座接觸,而整個活門及密封面在水壓的作用下產生一周不均勻的變形量,此變形量通過移動密封環的彈性接觸進行補償,起到密封效果,此種密封形式經過多個電站的實踐,效果良好。
    在結構布置時,為保證移動密封環良好的滑動性,在閥體內與移動密封環接觸的表面設置有襯套,采用耐腐蝕不銹鋼材料,同時,在另一側接觸表面中間法蘭上也采用不銹鋼材料。移動密封環固定在閥體襯套與中間法蘭之間,徑向為小間隙配合,水流方向上移動密封環允許移動。固定密封座與活門采用止口配合,通過螺栓固定在活門的上、下游側。
    移動密封環的內外圓上共設置4道密封用來封高壓水及操作用,密封圈采用D型密封,進口橡膠材料,該材料具有一定的潤滑性能,保證密封的同時使密封圈有較長的壽命。移動密封環采用球閥油壓裝置壓力油進行操作,因此移動密封環上的兩道D型密封圈之間設置有油混水排水孔,防止污染操作油。同時,移動密封環的操作均采用單作用形式,即投入采用油壓,退出采用水壓自退出。

圖5 密封結構圖

    在控制方面,布置在下游工作密封移動密封環的投退通過球閥自動流程控制系統控制,主要方式是通過相關閥門控制移動密封環的操作介質來完成。而布置在上游檢修密封移動密封環的投退則通過手動操作完成,即在機組或球閥進入檢修狀態時,通過手動操作四通閥切換油路。
    為保證機組檢修時的安全性,在上游檢修密封移動密封環背側,設置有手動操作鎖錠機構,由鎖定銷與鎖定桿、密封組成,滿足檢修密封移動密封環投入后,采用鎖定機構固定,防止誤操作,增強安全保障。
3.4 軸承
    球閥軸承作為整個水推力的承載部件,同時也是整個球閥最重要的轉動支點,必須具有良好的潤滑性及強度。
    在軸承的設計中,閥軸表面熱套有不銹鋼層作為滑動副,球閥兩側的軸承及軸頭密封均與不銹鋼接觸,具備更改好的耐腐蝕、抗磨損的效果,提高使用壽命。
    整個軸承系統設置有獨立的缸套,軸承、密封等均布置在缸套上,此結構更方便生產制造以及后續的檢修維護。本球閥軸承采用目前廣泛使用的德國進口的DEVA-BM金屬自潤滑材料,具有良好的自潤滑性能和強度,使用效果良好。
    閥軸與缸套之間具有相對移動的部位,為防止高壓水從內側泄漏,根據需要設兩道密封,密封形式均滿足閥軸旋轉動作時的密封作用。第一道(靠近流道側)密封采用標準的O型耐油皮圈,此密封主要作用是防止雜質進入軸承,破壞瓦面。同時,為保證O型密封圈兩側的壓力平衡,防止其短時間摩擦損壞,在缸套端部密封槽外側加工出ф5mm的引流平壓孔。第二道密封布置在閥軸的端部,采用進口橡膠材料的U型密封圈,安裝時具有一定的徑向初始壓緊量,開口方向朝閥軸的高壓側,有利于內部充水后更好的達到密封效果。同時,由于缸套為可拆卸結構,因此密封的布置滿足球閥的常規檢修,達到不拆球閥更換密封的效果。
    4 結論
    通過沐若電站中全焊接結構的閥體、活門等關鍵部件的設計與制作,并在后續的成功投運,使哈電公司在球閥材料及整體結構上開發了一個新領域,進一步擴展了水電站進水閥門方面的設計經驗,對于后續開發更大直徑的進水球閥提供一種全新的結構形式。

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