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進口蝶閥關(guān)閉故障分析及處理方法
發(fā)布時間:2022/3/7
摘要：在一些依靠重錘進行蝶閥自關(guān)閉的水電站，蝶閥運行幾年后，在關(guān)閉過程中出現(xiàn)了蝶閥關(guān)不到全關(guān)位置的故障。針對這個問題進行分析，提出了一種可靠的蝶閥自動關(guān)閉程序，該程序既保證了蝶閥的正常關(guān)閉，對水電站的檢修、運行提供了安全保障，又較好地保護了蝶閥主軸及軸承，延長了蝶閥的使用時間。
關(guān)鍵詞：進口蝶閥；關(guān)閉故障；原因分析；處理方法
1 故障蝶閥概況
芹山水電站采用 PDF130-WZ-280 型蝶閥，系臥式雙平板活門結(jié)構(gòu)。蝶閥總裝包括閥體、活門、工作主密封、軸承、轉(zhuǎn)臂、接力器、鎖定裝置、重錘和旁通閥等。蝶閥閥體采用鑄焊整體結(jié)構(gòu)，閥體與工作密封圈接觸處采用不銹鋼材料，延長了密封圈的使用壽命并提高了密封性能。閥門的密封設(shè)在下游側(cè)，密封面采用斜面結(jié)構(gòu)，因而有很好的密封性能。閥體的底部有 8 條地腳螺栓作為固定閥體用，能承受接力器向上推力和動水作用在活門上的向上分力，而不能承受活門全關(guān)時的水推力。為增加活門在動水關(guān)閉時的自關(guān)閉力矩，活門與閥體均按偏置設(shè)計，其幾何中心與轉(zhuǎn)動中心偏移 50mm，增加了關(guān)閉的可靠性。閥門的主工作密封采用實心異形橡膠放在活門周邊，用壓圈和壓緊螺釘緊固在活門上，為了保證密封圈可調(diào)和且調(diào)節(jié)后定位，設(shè)有鎖緊螺釘加以固定。閥軸采用 40Cr 鍛鋼材料，與軸承和軸端密封接觸處采用鍍鉻保護，與活門采用插人圓柱銷固定。軸承由鋼套和銅瓦組成，銅瓦材料為鑄鋁青銅（ZCuAl1OFe3)，軸端密封采用 U 形支承環(huán)密封圈，密封力可調(diào)，更換方便。
該閥布置 2 臺直徑 200mm 直缸搖擺式接力器，接力器的活塞桿通過轉(zhuǎn)臂與閥軸相連，活塞桿表面鍍鉻處理。活塞與缸體問密封采用 O 形圈與聚四氟乙稀組合式密封圈；接力器缸內(nèi)設(shè)有二段關(guān)閉裝置和節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)，外部采用高壓軟管連接。
控制系統(tǒng)。蝶閥的開啟采用 FYZ 閥門液壓控制裝置供油，推動接力器把活門和重錘至全開后采用油壓鎖錠，鎖錠油源來自于調(diào)速器油壓裝置。當(dāng)機組發(fā)生事故或需正常停機時，切換鎖錠油源脫開，蝶閥依靠自身所配置的 2 個重錘（各 3.5 t）和水力作用至活門全關(guān)，起到切斷水流和保護機組的作用。
2 故障現(xiàn)象
芹山水電站蝶閥于 2000 年 3 月投人運行，運行至 2002 年 3 月，發(fā)現(xiàn)在關(guān)閉蝶閥過程中，當(dāng)?shù)y關(guān)閉至全行程的約 95% 時，蝶閥轉(zhuǎn)臂（重錘）停止下落，蝶閥不能自行到達全關(guān)位置。這與蝶閥只能在全開或全關(guān) 2 個位置相矛盾，蝶閥位置處于不定態(tài)，造成漏水量較大，引起較強的噪聲，給水電站的檢修運行帶來了較大的安全隱患。
3 原因分析
3.1 油管路方面
出現(xiàn)這種現(xiàn)象有可能是由于回油管路排油不暢引起接力器關(guān)側(cè)油腔油未排盡，由此造成接力器活塞不能完全回復(fù)至全關(guān)位置，導(dǎo)致蝶閥轉(zhuǎn)臂下落不能到達最大行程，引起蝶閥關(guān)不到全關(guān)位置。
就此對操作油管路進行檢查，對于管路上的油閥門進行分解檢查，確保操作油管路暢通無阻。
3.2 接力器結(jié)構(gòu)
為了降低在關(guān)閉過程中接力器活塞沖擊接力器油底部的速度和壓力，在操作接力器缸內(nèi)設(shè)有二段關(guān)閉裝置，即節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)。
對接力器節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)進行清洗并對接力器節(jié)流閥進行調(diào)整，加大節(jié)流閥開口，使回油的流量變大，節(jié)流閥前、后的壓差變小，有利于接力器活塞的下落。同時，檢查發(fā)現(xiàn)接力器活塞桿表面鍍鉻層完好，無銹蝕卡澀跡象。
用以上 2 種方法進行處理后，沒有明顯的效果，說明蝶閥不能到達全關(guān)位置的原因與操作系統(tǒng)（操作管路及接力器裝置）無關(guān)。
3.3 在蝶閥關(guān)閉過程中關(guān)閉蝶閥所需力矩小于軸承處所受到的摩擦阻力矩
為了防止泥沙淤積妨礙閥門開啟，蝶閥下緣逆水流關(guān)閉，動水力矩 M 總是趨向使活門關(guān)閉，活門上的動水壓力沿水流方向的分力 p 順水流方向，垂直分力 P1 方向向上。
活門關(guān)閉時，水完全靜止，活門上承受靜水壓力。由于活門上、下的位置差異，靜水壓力的作用中心在活門中心線以下，這樣，對于臥軸蝶閥活門，就產(chǎn)生了使活門轉(zhuǎn)動的靜水力矩。
在芹山水電站中，蝶閥處于接近全關(guān)的位置不能正常關(guān)閉。
在閥門操作中，操作機構(gòu)各轉(zhuǎn)動銷軸處均存在摩擦力和摩擦力矩。其中，閥軸與軸瓦間的摩擦力和力矩是主要的，其數(shù)值占據(jù)總的摩擦力降摩擦力矩的絕大部分。
根據(jù)設(shè)計工況，閥軸和鑄鋁青銅的摩擦因數(shù)一般取拜 μ=0.15，所以在最高水頭 121.5m 時，蝶閥可以靠本身配置的重錘進行自動關(guān)閉。而要出現(xiàn)蝶閥不能自動關(guān)閉現(xiàn)象必須的條件是 μ＞0.27。因此可以得出以下結(jié)論：
芹山水電站 #1、#2 蝶閥在運行 2 年以后，在關(guān)閉時出現(xiàn)了不同程度的關(guān)不到全關(guān)位置的現(xiàn)象。我們分析認為，出現(xiàn)這種情況的原因有以下 2 點：
（1）蝶閥在經(jīng)過 2 年多的運行后，閥軸和軸承之間有可能出現(xiàn)泥沙沉淀，導(dǎo)致閥軸和軸承之間的間隙減小，軸承摩擦因數(shù)增加。在閥門的關(guān)閉過程中，當(dāng)活門接近全關(guān)位置時，活門上、下游之間形成一個壓差，這個壓差會在閥軸上產(chǎn)生一個阻礙關(guān)閉的力矩，這個阻力矩與軸承的摩擦因數(shù)成正比，當(dāng)阻力矩大于閥門關(guān)閉力矩時會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。
（2）軸承經(jīng)過一段時間運行后，軸承潤滑面可能有腐蝕，軸承出現(xiàn)了磨損，摩擦因數(shù)增加，也會導(dǎo)致上述現(xiàn)象。
4 處理方法
（1）改變關(guān)閉蝶閥的操作程序。在關(guān)閉蝶閥的同時，打開旁通閥，在關(guān)閥結(jié)束后，再關(guān)閉旁通閥。這樣，可以讓蝶閥在關(guān)閉過程中前、后水壓始終平衡，消除了關(guān)閥過程中蝶閥上、下游之間的壓差，大大降低了關(guān)閉時的摩擦阻力，使關(guān)閥能順利進行，而且可以減少軸承潤滑面的磨損，增加蝶閥軸承的使用壽命。
（2）現(xiàn)配置的 2 個重錘的側(cè)面各預(yù)留有 4 個 M30 的螺孔，可在重錘上加一些鋼板，然后用螺絲緊固。這樣就增加了重錘的質(zhì)量，從而增加蝶閥關(guān)閉時的重錘力矩，使蝶閥在軸承摩擦系數(shù)增大時也能順利關(guān)閉。
在以上 2 種方法中，如果采用第 2 種方法進行改造，蝶閥可在一段時間內(nèi)比較順利地自行關(guān)閉，但運行時間長了以后，隨著泥沙在閥軸和軸承之間的沉淀和軸承潤滑面的進一步磨損，摩擦因數(shù)增大引起摩擦阻力越來越大，蝶閥有可能又不能自行關(guān)閉，甚至需更換新軸承。因此，在考慮到處理上述問題的難度和電站的安全經(jīng)濟運行，在采用了修改蝶閥關(guān)閉流程的方法，如圖 1 所示（圖中灰色為改進增加流程部分）。
圖片
圖 1 改進后的蝶閥關(guān)閉流程
5 實際應(yīng)用情況
芹山水電站蝶閥關(guān)閉流程經(jīng)過改進后，在關(guān)閉的同時開啟旁通閥，對閥后充水。蝶閥在上、下游無水壓差的情況下關(guān)閉。在此過程中，基本消除了作用在活門上的靜水力矩，同時，大大減小了閥軸的摩擦力矩。實踐表明，改進后蝶閥運行穩(wěn)定，自行關(guān)閉正常，關(guān)閉效果良好。
同時考慮到機組過速時，因調(diào)速器主配壓閥拒動，需使蝶閥關(guān)閉來防止機組過速。在這種方式下，為防止由于關(guān)閉蝶閥時開旁通閥造成機組轉(zhuǎn)速升高，在過速保護裝置動作油管路中，并一油管至調(diào)速器事故電磁閥。當(dāng)過速保護裝置動作時，事故電磁閥也動作，調(diào)速器主配壓閥快速朝關(guān)側(cè)動作，關(guān)閉導(dǎo)葉，防止機組飛逸。
6 結(jié)束語
應(yīng)用該關(guān)閉流程的蝶閥，由于在關(guān)閉時蝶閥前、后水壓平衡，受靜水壓力較小，大大減少了閥軸的摩擦力矩，也減小了蝶閥的主軸及軸承的磨損，延長了蝶閥主軸及軸承的檢修周期，同時也保證了蝶閥的穩(wěn)定運行，確保了水電站的安全經(jīng)濟運行。
若在含泥沙量較大的水電站使用蝶閥，最好不要采用該種帶自關(guān)閉裝置的蝶閥，因為采用帶自關(guān)閉裝置的蝶閥，運行時間長了以后，隨著泥沙在閥軸和軸承之間的沉淀和軸承潤滑面的磨損，軸承摩擦因數(shù)增大引起摩擦阻力越來越大，蝶閥最終將不會自行關(guān)閉。這必將增加蝶閥檢修次數(shù)，減少蝶閥使用壽命，不利于水電站的安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行
關(guān)鍵詞：進口蝶閥；關(guān)閉故障；原因分析；處理方法
1 故障蝶閥概況
芹山水電站采用 PDF130-WZ-280 型蝶閥，系臥式雙平板活門結(jié)構(gòu)。蝶閥總裝包括閥體、活門、工作主密封、軸承、轉(zhuǎn)臂、接力器、鎖定裝置、重錘和旁通閥等。蝶閥閥體采用鑄焊整體結(jié)構(gòu)，閥體與工作密封圈接觸處采用不銹鋼材料，延長了密封圈的使用壽命并提高了密封性能。閥門的密封設(shè)在下游側(cè)，密封面采用斜面結(jié)構(gòu)，因而有很好的密封性能。閥體的底部有 8 條地腳螺栓作為固定閥體用，能承受接力器向上推力和動水作用在活門上的向上分力，而不能承受活門全關(guān)時的水推力。為增加活門在動水關(guān)閉時的自關(guān)閉力矩，活門與閥體均按偏置設(shè)計，其幾何中心與轉(zhuǎn)動中心偏移 50mm，增加了關(guān)閉的可靠性。閥門的主工作密封采用實心異形橡膠放在活門周邊，用壓圈和壓緊螺釘緊固在活門上，為了保證密封圈可調(diào)和且調(diào)節(jié)后定位，設(shè)有鎖緊螺釘加以固定。閥軸采用 40Cr 鍛鋼材料，與軸承和軸端密封接觸處采用鍍鉻保護，與活門采用插人圓柱銷固定。軸承由鋼套和銅瓦組成，銅瓦材料為鑄鋁青銅（ZCuAl1OFe3)，軸端密封采用 U 形支承環(huán)密封圈，密封力可調(diào)，更換方便。
該閥布置 2 臺直徑 200mm 直缸搖擺式接力器，接力器的活塞桿通過轉(zhuǎn)臂與閥軸相連，活塞桿表面鍍鉻處理。活塞與缸體問密封采用 O 形圈與聚四氟乙稀組合式密封圈；接力器缸內(nèi)設(shè)有二段關(guān)閉裝置和節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)，外部采用高壓軟管連接。
控制系統(tǒng)。蝶閥的開啟采用 FYZ 閥門液壓控制裝置供油，推動接力器把活門和重錘至全開后采用油壓鎖錠，鎖錠油源來自于調(diào)速器油壓裝置。當(dāng)機組發(fā)生事故或需正常停機時，切換鎖錠油源脫開，蝶閥依靠自身所配置的 2 個重錘（各 3.5 t）和水力作用至活門全關(guān)，起到切斷水流和保護機組的作用。
2 故障現(xiàn)象
芹山水電站蝶閥于 2000 年 3 月投人運行，運行至 2002 年 3 月，發(fā)現(xiàn)在關(guān)閉蝶閥過程中，當(dāng)?shù)y關(guān)閉至全行程的約 95% 時，蝶閥轉(zhuǎn)臂（重錘）停止下落，蝶閥不能自行到達全關(guān)位置。這與蝶閥只能在全開或全關(guān) 2 個位置相矛盾，蝶閥位置處于不定態(tài)，造成漏水量較大，引起較強的噪聲，給水電站的檢修運行帶來了較大的安全隱患。
3 原因分析
3.1 油管路方面
出現(xiàn)這種現(xiàn)象有可能是由于回油管路排油不暢引起接力器關(guān)側(cè)油腔油未排盡，由此造成接力器活塞不能完全回復(fù)至全關(guān)位置，導(dǎo)致蝶閥轉(zhuǎn)臂下落不能到達最大行程，引起蝶閥關(guān)不到全關(guān)位置。
就此對操作油管路進行檢查，對于管路上的油閥門進行分解檢查，確保操作油管路暢通無阻。
3.2 接力器結(jié)構(gòu)
為了降低在關(guān)閉過程中接力器活塞沖擊接力器油底部的速度和壓力，在操作接力器缸內(nèi)設(shè)有二段關(guān)閉裝置，即節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)。
對接力器節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)進行清洗并對接力器節(jié)流閥進行調(diào)整，加大節(jié)流閥開口，使回油的流量變大，節(jié)流閥前、后的壓差變小，有利于接力器活塞的下落。同時，檢查發(fā)現(xiàn)接力器活塞桿表面鍍鉻層完好，無銹蝕卡澀跡象。
用以上 2 種方法進行處理后，沒有明顯的效果，說明蝶閥不能到達全關(guān)位置的原因與操作系統(tǒng)（操作管路及接力器裝置）無關(guān)。
3.3 在蝶閥關(guān)閉過程中關(guān)閉蝶閥所需力矩小于軸承處所受到的摩擦阻力矩
為了防止泥沙淤積妨礙閥門開啟，蝶閥下緣逆水流關(guān)閉，動水力矩 M 總是趨向使活門關(guān)閉，活門上的動水壓力沿水流方向的分力 p 順水流方向，垂直分力 P1 方向向上。
活門關(guān)閉時，水完全靜止，活門上承受靜水壓力。由于活門上、下的位置差異，靜水壓力的作用中心在活門中心線以下，這樣，對于臥軸蝶閥活門，就產(chǎn)生了使活門轉(zhuǎn)動的靜水力矩。
在芹山水電站中，蝶閥處于接近全關(guān)的位置不能正常關(guān)閉。
在閥門操作中，操作機構(gòu)各轉(zhuǎn)動銷軸處均存在摩擦力和摩擦力矩。其中，閥軸與軸瓦間的摩擦力和力矩是主要的，其數(shù)值占據(jù)總的摩擦力降摩擦力矩的絕大部分。
根據(jù)設(shè)計工況，閥軸和鑄鋁青銅的摩擦因數(shù)一般取拜 μ=0.15，所以在最高水頭 121.5m 時，蝶閥可以靠本身配置的重錘進行自動關(guān)閉。而要出現(xiàn)蝶閥不能自動關(guān)閉現(xiàn)象必須的條件是 μ＞0.27。因此可以得出以下結(jié)論：
芹山水電站 #1、#2 蝶閥在運行 2 年以后，在關(guān)閉時出現(xiàn)了不同程度的關(guān)不到全關(guān)位置的現(xiàn)象。我們分析認為，出現(xiàn)這種情況的原因有以下 2 點：
（1）蝶閥在經(jīng)過 2 年多的運行后，閥軸和軸承之間有可能出現(xiàn)泥沙沉淀，導(dǎo)致閥軸和軸承之間的間隙減小，軸承摩擦因數(shù)增加。在閥門的關(guān)閉過程中，當(dāng)活門接近全關(guān)位置時，活門上、下游之間形成一個壓差，這個壓差會在閥軸上產(chǎn)生一個阻礙關(guān)閉的力矩，這個阻力矩與軸承的摩擦因數(shù)成正比，當(dāng)阻力矩大于閥門關(guān)閉力矩時會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。
（2）軸承經(jīng)過一段時間運行后，軸承潤滑面可能有腐蝕，軸承出現(xiàn)了磨損，摩擦因數(shù)增加，也會導(dǎo)致上述現(xiàn)象。
4 處理方法
（1）改變關(guān)閉蝶閥的操作程序。在關(guān)閉蝶閥的同時，打開旁通閥，在關(guān)閥結(jié)束后，再關(guān)閉旁通閥。這樣，可以讓蝶閥在關(guān)閉過程中前、后水壓始終平衡，消除了關(guān)閥過程中蝶閥上、下游之間的壓差，大大降低了關(guān)閉時的摩擦阻力，使關(guān)閥能順利進行，而且可以減少軸承潤滑面的磨損，增加蝶閥軸承的使用壽命。
（2）現(xiàn)配置的 2 個重錘的側(cè)面各預(yù)留有 4 個 M30 的螺孔，可在重錘上加一些鋼板，然后用螺絲緊固。這樣就增加了重錘的質(zhì)量，從而增加蝶閥關(guān)閉時的重錘力矩，使蝶閥在軸承摩擦系數(shù)增大時也能順利關(guān)閉。
在以上 2 種方法中，如果采用第 2 種方法進行改造，蝶閥可在一段時間內(nèi)比較順利地自行關(guān)閉，但運行時間長了以后，隨著泥沙在閥軸和軸承之間的沉淀和軸承潤滑面的進一步磨損，摩擦因數(shù)增大引起摩擦阻力越來越大，蝶閥有可能又不能自行關(guān)閉，甚至需更換新軸承。因此，在考慮到處理上述問題的難度和電站的安全經(jīng)濟運行，在采用了修改蝶閥關(guān)閉流程的方法，如圖 1 所示（圖中灰色為改進增加流程部分）。
圖片
圖 1 改進后的蝶閥關(guān)閉流程
5 實際應(yīng)用情況
芹山水電站蝶閥關(guān)閉流程經(jīng)過改進后，在關(guān)閉的同時開啟旁通閥，對閥后充水。蝶閥在上、下游無水壓差的情況下關(guān)閉。在此過程中，基本消除了作用在活門上的靜水力矩，同時，大大減小了閥軸的摩擦力矩。實踐表明，改進后蝶閥運行穩(wěn)定，自行關(guān)閉正常，關(guān)閉效果良好。
同時考慮到機組過速時，因調(diào)速器主配壓閥拒動，需使蝶閥關(guān)閉來防止機組過速。在這種方式下，為防止由于關(guān)閉蝶閥時開旁通閥造成機組轉(zhuǎn)速升高，在過速保護裝置動作油管路中，并一油管至調(diào)速器事故電磁閥。當(dāng)過速保護裝置動作時，事故電磁閥也動作，調(diào)速器主配壓閥快速朝關(guān)側(cè)動作，關(guān)閉導(dǎo)葉，防止機組飛逸。
6 結(jié)束語
應(yīng)用該關(guān)閉流程的蝶閥，由于在關(guān)閉時蝶閥前、后水壓平衡，受靜水壓力較小，大大減少了閥軸的摩擦力矩，也減小了蝶閥的主軸及軸承的磨損，延長了蝶閥主軸及軸承的檢修周期，同時也保證了蝶閥的穩(wěn)定運行，確保了水電站的安全經(jīng)濟運行。
若在含泥沙量較大的水電站使用蝶閥，最好不要采用該種帶自關(guān)閉裝置的蝶閥，因為采用帶自關(guān)閉裝置的蝶閥，運行時間長了以后，隨著泥沙在閥軸和軸承之間的沉淀和軸承潤滑面的磨損，軸承摩擦因數(shù)增大引起摩擦阻力越來越大，蝶閥最終將不會自行關(guān)閉。這必將增加蝶閥檢修次數(shù)，減少蝶閥使用壽命，不利于水電站的安全經(jīng)濟穩(wěn)定運行
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