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進口蝶閥關閉故障分析及處理方法
發布時間:2022/3/7
摘要：在一些依靠重錘進行蝶閥自關閉的水電站，蝶閥運行幾年后，在關閉過程中出現了蝶閥關不到全關位置的故障。針對這個問題進行分析，提出了一種可靠的蝶閥自動關閉程序，該程序既保證了蝶閥的正常關閉，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。
關鍵詞：進口蝶閥；關閉故障；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構。蝶閥總裝包括閥體、活門、工作主密封、軸承、轉臂、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構，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。閥門的密封設在下游側，密封面采用斜面結構，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時的水推力。為增加活門在動水關閉時的自關閉力矩，活門與閥體均按偏置設計，其幾何中心與轉動中心偏移 50mm，增加了關閉的可靠性。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和且調節后定位，設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 形支承環密封圈，密封力可調，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；接力器缸內設有二段關閉裝置和節流緩沖結構，外部采用高壓軟管連接。
控制系統。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，鎖錠油源來自于調速器油壓裝置。當機組發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，起到切斷水流和保護機組的作用。
2 故障現象
芹山水電站蝶閥于 2000 年 3 月投人運行，運行至 2002 年 3 月，發現在關閉蝶閥過程中，當蝶閥關閉至全行程的約 95% 時，蝶閥轉臂（重錘）停止下落，蝶閥不能自行到達全關位置。這與蝶閥只能在全開或全關 2 個位置相矛盾，蝶閥位置處于不定態，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
出現這種現象有可能是由于回油管路排油不暢引起接力器關側油腔油未排盡，由此造成接力器活塞不能完全回復至全關位置，導致蝶閥轉臂下落不能到達最大行程，引起蝶閥關不到全關位置。
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 接力器結構
為了降低在關閉過程中接力器活塞沖擊接力器油底部的速度和壓力，在操作接力器缸內設有二段關閉裝置，即節流緩沖結構。
對接力器節流緩沖結構進行清洗并對接力器節流閥進行調整，加大節流閥開口，使回油的流量變大，節流閥前、后的壓差變小，有利于接力器活塞的下落。同時，檢查發現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位置的原因與操作系統（操作管路及接力器裝置）無關。
3.3 在蝶閥關閉過程中關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，蝶閥下緣逆水流關閉，動水力矩 M 總是趨向使活門關閉，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，就產生了使活門轉動的靜水力矩。
在芹山水電站中，蝶閥處于接近全關的位置不能正常關閉。
在閥門操作中，操作機構各轉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，其數值占據總的摩擦力降摩擦力矩的絕大部分。
根據設計工況，閥軸和鑄鋁青銅的摩擦因數一般取拜 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閉。而要出現蝶閥不能自動關閉現象必須的條件是 μ＞0.27。因此可以得出以下結論：
芹山水電站 #1、#2 蝶閥在運行 2 年以后，在關閉時出現了不同程度的關不到全關位置的現象。我們分析認為，出現這種情況的原因有以下 2 點：
（1）蝶閥在經過 2 年多的運行后，閥軸和軸承之間有可能出現泥沙沉淀，導致閥軸和軸承之間的間隙減小，軸承摩擦因數增加。在閥門的關閉過程中，當活門接近全關位置時，活門上、下游之間形成一個壓差，這個壓差會在閥軸上產生一個阻礙關閉的力矩，這個阻力矩與軸承的摩擦因數成正比，當阻力矩大于閥門關閉力矩時會出現上述現象。
（2）軸承經過一段時間運行后，軸承潤滑面可能有腐蝕，軸承出現了磨損，摩擦因數增加，也會導致上述現象。
4 處理方法
（1）改變關閉蝶閥的操作程序。在關閉蝶閥的同時，打開旁通閥，在關閥結束后，再關閉旁通閥。這樣，可以讓蝶閥在關閉過程中前、后水壓始終平衡，消除了關閥過程中蝶閥上、下游之間的壓差，大大降低了關閉時的摩擦阻力，使關閥能順利進行，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）現配置的 2 個重錘的側面各預留有 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量，從而增加蝶閥關閉時的重錘力矩，使蝶閥在軸承摩擦系數增大時也能順利關閉。
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比較順利地自行關閉，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，摩擦因數增大引起摩擦阻力越來越大，蝶閥有可能又不能自行關閉，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濟運行，在采用了修改蝶閥關閉流程的方法，如圖 1 所示（圖中灰色為改進增加流程部分）。
圖片
圖 1 改進后的蝶閥關閉流程
5 實際應用情況
芹山水電站蝶閥關閉流程經過改進后，在關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，改進后蝶閥運行穩定，自行關閉正常，關閉效果良好。
同時考慮到機組過速時，因調速器主配壓閥拒動，需使蝶閥關閉來防止機組過速。在這種方式下，為防止由于關閉蝶閥時開旁通閥造成機組轉速升高，在過速保護裝置動作油管路中，并一油管至調速器事故電磁閥。當過速保護裝置動作時，事故電磁閥也動作，調速器主配壓閥快速朝關側動作，關閉導葉，防止機組飛逸。
6 結束語
應用該關閉流程的蝶閥，由于在關閉時蝶閥前、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定運行，確保了水電站的安全經濟運行。
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閉裝置的蝶閥，因為采用帶自關閉裝置的蝶閥，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，軸承摩擦因數增大引起摩擦阻力越來越大，蝶閥最終將不會自行關閉。這必將增加蝶閥檢修次數，減少蝶閥使用壽命，不利于水電站的安全經濟穩定運行
關鍵詞：進口蝶閥；關閉故障；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構。蝶閥總裝包括閥體、活門、工作主密封、軸承、轉臂、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構，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。閥門的密封設在下游側，密封面采用斜面結構，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時的水推力。為增加活門在動水關閉時的自關閉力矩，活門與閥體均按偏置設計，其幾何中心與轉動中心偏移 50mm，增加了關閉的可靠性。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和且調節后定位，設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 形支承環密封圈，密封力可調，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；接力器缸內設有二段關閉裝置和節流緩沖結構，外部采用高壓軟管連接。
控制系統。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，鎖錠油源來自于調速器油壓裝置。當機組發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，起到切斷水流和保護機組的作用。
2 故障現象
芹山水電站蝶閥于 2000 年 3 月投人運行，運行至 2002 年 3 月，發現在關閉蝶閥過程中，當蝶閥關閉至全行程的約 95% 時，蝶閥轉臂（重錘）停止下落，蝶閥不能自行到達全關位置。這與蝶閥只能在全開或全關 2 個位置相矛盾，蝶閥位置處于不定態，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
出現這種現象有可能是由于回油管路排油不暢引起接力器關側油腔油未排盡，由此造成接力器活塞不能完全回復至全關位置，導致蝶閥轉臂下落不能到達最大行程，引起蝶閥關不到全關位置。
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 接力器結構
為了降低在關閉過程中接力器活塞沖擊接力器油底部的速度和壓力，在操作接力器缸內設有二段關閉裝置，即節流緩沖結構。
對接力器節流緩沖結構進行清洗并對接力器節流閥進行調整，加大節流閥開口，使回油的流量變大，節流閥前、后的壓差變小，有利于接力器活塞的下落。同時，檢查發現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位置的原因與操作系統（操作管路及接力器裝置）無關。
3.3 在蝶閥關閉過程中關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，蝶閥下緣逆水流關閉，動水力矩 M 總是趨向使活門關閉，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，就產生了使活門轉動的靜水力矩。
在芹山水電站中，蝶閥處于接近全關的位置不能正常關閉。
在閥門操作中，操作機構各轉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，其數值占據總的摩擦力降摩擦力矩的絕大部分。
根據設計工況，閥軸和鑄鋁青銅的摩擦因數一般取拜 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閉。而要出現蝶閥不能自動關閉現象必須的條件是 μ＞0.27。因此可以得出以下結論：
芹山水電站 #1、#2 蝶閥在運行 2 年以后，在關閉時出現了不同程度的關不到全關位置的現象。我們分析認為，出現這種情況的原因有以下 2 點：
（1）蝶閥在經過 2 年多的運行后，閥軸和軸承之間有可能出現泥沙沉淀，導致閥軸和軸承之間的間隙減小，軸承摩擦因數增加。在閥門的關閉過程中，當活門接近全關位置時，活門上、下游之間形成一個壓差，這個壓差會在閥軸上產生一個阻礙關閉的力矩，這個阻力矩與軸承的摩擦因數成正比，當阻力矩大于閥門關閉力矩時會出現上述現象。
（2）軸承經過一段時間運行后，軸承潤滑面可能有腐蝕，軸承出現了磨損，摩擦因數增加，也會導致上述現象。
4 處理方法
（1）改變關閉蝶閥的操作程序。在關閉蝶閥的同時，打開旁通閥，在關閥結束后，再關閉旁通閥。這樣，可以讓蝶閥在關閉過程中前、后水壓始終平衡，消除了關閥過程中蝶閥上、下游之間的壓差，大大降低了關閉時的摩擦阻力，使關閥能順利進行，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）現配置的 2 個重錘的側面各預留有 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量，從而增加蝶閥關閉時的重錘力矩，使蝶閥在軸承摩擦系數增大時也能順利關閉。
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比較順利地自行關閉，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，摩擦因數增大引起摩擦阻力越來越大，蝶閥有可能又不能自行關閉，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濟運行，在采用了修改蝶閥關閉流程的方法，如圖 1 所示（圖中灰色為改進增加流程部分）。
圖片
圖 1 改進后的蝶閥關閉流程
5 實際應用情況
芹山水電站蝶閥關閉流程經過改進后，在關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，改進后蝶閥運行穩定，自行關閉正常，關閉效果良好。
同時考慮到機組過速時，因調速器主配壓閥拒動，需使蝶閥關閉來防止機組過速。在這種方式下，為防止由于關閉蝶閥時開旁通閥造成機組轉速升高，在過速保護裝置動作油管路中，并一油管至調速器事故電磁閥。當過速保護裝置動作時，事故電磁閥也動作，調速器主配壓閥快速朝關側動作，關閉導葉，防止機組飛逸。
6 結束語
應用該關閉流程的蝶閥，由于在關閉時蝶閥前、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定運行，確保了水電站的安全經濟運行。
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閉裝置的蝶閥，因為采用帶自關閉裝置的蝶閥，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，軸承摩擦因數增大引起摩擦阻力越來越大，蝶閥最終將不會自行關閉。這必將增加蝶閥檢修次數，減少蝶閥使用壽命，不利于水電站的安全經濟穩定運行
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