海南琼中抽水蓄能电站2号机组进水阀轴颈密封漏水缺陷分析及处理

冯 焕，徐 明，王志楠

（1．南方电网调峰调频发电有限公司检修试验分公司，广东省广州市 511400；
2．海南蓄能发电有限公司，海南省海口市 570100）

海南琼中抽水蓄能电站（以下简称“海蓄”）于2018年7月全面投产，装设3台200MW机组。海蓄3台机组进水阀均为ALSTOM公司供货，为卧轴双密封球阀，公称直径为2350mm，设计压力为5.38MPa。

进水阀主要作用包括为机组检修提供安全的工作条件、停机时减少机组漏水量和防止机组飞逸事故扩大等[1]，是水轮发电机组的重要设备。轴颈密封作为进水阀的关键密封，对保证进水阀安全、高可靠性地运行有着重要影响，轴颈密封的可靠性直接影响进水阀乃至机组的可靠性指标。目前进水阀密封故障分析对象主要是检修密封[2]、工作密封[3]及其操作系统，对轴颈密封分析研究较为罕见。

国内外大中型水泵水轮机主进水阀均采用球阀型式，其轴颈密封通常采用唇形密封圈。唇形密封是由来已久、用途广泛的密封，按断面形状划分主要有Y形、V形、蕾形、U形、L形、J形等。由于Y形圈与U形圈形状较为相似，均靠两唇工作，因此，在国外有时将Y形圈称为U形圈[4]。哈电[5]采用防砂圈加主密封结构，在马来西亚沐若水电站[6]使用U形密封；
牛角湾三级电站[7]则使用V形夹布橡胶密封；
彭建宏[8]、张清双[9]介绍了采用U形填料与O形圈组合密封设计。目前国内大型抽水蓄能机组进水阀轴颈密封主要有Y形（又称U形）和V形两种结构，其中，V形密封对轴的偏心载荷和偏心运动有较强的追随能力，但摩擦助力较大；
Y形密封则对偏心载荷和偏心运动的适应性不高，而具有摩擦阻力小、结构简单、安装方便等优点。

海蓄机组进水阀的轴颈密封采用U形密封结构，该结构主要包括了U形密封、密封压盖、轴颈3个部件，其中，轴颈与密封压盖组成装配U形密封的沟槽，U形密封外唇边与密封压盖内壁为接触静密封，U形密封内唇边与轴颈外壁为接触动密封，U形密封为丁腈橡胶材料。从结构上分析，轴颈密封失效漏水包括轴颈漏水、U形密封本体漏水、密封压环漏水及U形密封与沟槽配合不良等失效模式，具体分析见，表1。

表1 U形密封失效分析Table 1 Failure analysis of U-shaped sealing ring

在分析密封与沟槽配合不良引起泄漏时，需考虑橡胶材料密封失效机理。文献[10]中提出了从最大应力、接触应力和剪应力三方面考虑橡胶密封失效模式和失效判据。其中，最大应力超过橡胶材料屈服强度时，密封圈压溃而失效；
当最大接触应力低于工作压力时，密封圈泄漏；
当密封圈在槽口转角处最大剪切应力超过橡胶材料剪切强度时，密封圈将撕裂而失效。故在橡胶材料未发生破坏的情况下，产生密封泄漏的原因是接触应力低于密封工作压力。

2．1 密封结构简介

海蓄机组进水阀由左、右岸（面向下库侧）共两个油压操作接力器驱动开关，其中，右岸接力器拐臂处设置了机械锁锭装置。如图1所示，进水阀拐臂分别通过销钉与枢轴钢套、枢轴连接，故拐臂枢轴钢套随枢轴转动。进水阀枢轴铜套通过销钉与进水阀阀壳连接，通过密封压环固定螺栓固定于阀壳上。在枢轴铜套靠近阀芯处设置了一道丁腈橡胶＋聚氨酯的组合密封，主要起防止杂质进入轴套间隙的作用。进水阀轴颈密封为U形密封，安装于密封压环内，防止枢轴与铜套间隙漏水，该密封型号为PXL U150-XI，采用丁腈橡胶（NBR85）密封圈底部设置聚甲醛（POM）挡圈的结构，以防止U形密封底部在槽口间隙处发生挤出破坏。在密封压环与枢轴铜套之间设置了O形密封，防止该端面漏水。

图1 进水阀局部剖视图Figure 1 Inlet valve partial section view

2．2 缺陷检查情况

2019年9月，海蓄2号机组小修后调试期间，右岸拐臂处轴颈密封漏水，启闭进水阀7次，该轴颈密封在启停过程中均有漏水。拆出该右岸拐臂处轴颈密封，外观检查无异常，检查密封压环、枢轴钢套表面均无异常。使用新轴颈密封更换后进行调试，退出上游密封、进水阀阀芯建压，右岸轴颈密封漏水约5min后无漏水；
进行2次单步静水开启关闭进水阀试验，进水阀全关时，下游密封投入后，右岸轴颈密封出现漏水；
在机组带负荷试验后该轴颈密封无漏水。后续2号机组启动后再次出现进水阀右岸轴颈密封漏水，停机后该密封持续漏水。

2．3 缺陷原因分析

因该轴颈密封在进水阀全开时无漏水，偶尔在进水阀全关时也不漏水，并且根据解体检查的结果，排除U形密封、轴颈表面、密封压环内表面有缺陷导致漏水的可能性，确认漏水是U形密封与沟槽配合不良引起的。分别从设计、制造、安装及运行角度进行分析，讨论导致该轴颈U形密封产生配合不佳的可能失效原因，结合该U形密封更换和调试工作，测量相关数据并检查各部件，对全部可能的失效原因逐项进行排查，分析结果详见表2。综合分析可知，安装、运行因素均已排除，设计、制造因素不能完全排除，其中，密封压环内径略偏大（仅比超出上限值0.016mm）对导致密封漏水有影响，但不是主要影响因素，最终判断U形密封的结构设计和材料选用不能满足使用要求是导致漏水的主要原因。

表2 U形密封与沟槽配合不良原因分析Table 2 Analysis of causes of poor coordination between U-shaped seal ring and groove

通过横向对比海蓄、广蓄、惠蓄、深蓄等多电厂的进水阀轴颈U形密封结构，其中，广蓄与海蓄轴颈U形密封的沟槽尺寸均为25mm（径向）×32mm（轴向），广蓄采用聚氨酯U形密封，其设计过盈量范围为4.19～5.39mm；
海蓄采用丁腈橡胶U形密封，实测过盈量为2.51mm。且海蓄轴颈密封丁腈橡胶的硬度（邵氏硬度85）、弹性模量均低于广蓄使用的聚氨酯密封（邵氏硬度95），故密封截面在相同过盈量下所产生的接触压力也远低于广蓄所用产品。判断海蓄进水阀轴颈U形密封的过盈量设计裕度偏小，同时丁腈橡胶材料偏软，所产生的接触压力相对不高，在进水阀轴颈偏移时，会出现U形密封圈局部压缩量进一步减小，当该处的密封接触压力降低至低于外部水压时则发生漏水。另外，由于海蓄2号进水阀右侧轴颈外径小、密封压盖内径大，导致密封沟槽径向宽度取设计最大值，在U形密封设计过盈量偏低的情况下，沟槽宽度偏大进一步降低了密封的接触压力，所以，短期内仅2号进水阀右岸轴颈密封漏水。进水阀在长期运行后，考虑U形密封丁腈材料本身的老化及塑性变形，U形密封会出现应力松弛，同时，U形密封在轴颈摩擦也存在磨损，将进一步降低U形密封接触压力，最终可能导致在密封外观无明显破损的情况下发生漏水。

2．4 缺陷处理方案

针对分析的原因，提出了两种处理方案。方案一是在现有丁腈橡胶U形密封内部增加密封绳，增大密封预压缩量。结合以往处理U形密封漏水的经验，计划在该U形密封唇口中点固4段φ8mm密封绳，并在每两段密封绳间保留一定间隙。方案二是重新定制聚氨酯材料的U形密封，同时增加U形密封预压缩量。经比选后采用斯凯孚生产的GS03型号聚氨酯密封，该U形密封内部设置有一条O形密封圈，以补偿枢轴的偏心运动及偏心载荷，可提高密封的追随性。

2．5 缺陷处理结果

由于方案一成本较低，首先应用该处理方案更换轴颈密封后，该轴颈密封在进水阀处于启闭过程及全开状态下无漏水，在进水阀处于关闭状态下有漏水，漏水量比更换密封前略小，未能有效解决该漏水缺陷。再应用方案二，在更换新定制的聚氨酯U形密封（设计过盈量为3.01～3.81mm）后，在机组启停各种工况下，该进水阀轴颈密封均无漏水，有效解决该漏水缺陷。说明海蓄2号进水阀右岸轴颈密封漏水原因分析正确，通过增大U形密封接触压力可以有效解决问题。此前对比多个抽水电站进水阀轴颈密封的运行情况，发现采用V形组合密封结构的可靠性明显高于U形密封。结合此次进水阀轴颈密封换型的经验，U形密封的压缩量（过盈量）应尽量取大，密封材料硬度应尽量取高，以优先保证密封性能；
同时，聚氨酯材料的撕裂强度、耐磨性、弹性回复率等指标均远优于丁腈橡胶，建议优先选用聚氨酯材料。

大型水泵水轮机进水阀轴颈密封建议优先选用V形密封结构，其随动性优于U形密封，可以较好地满足进水阀工作的高可靠性要求；
对于已采用U形密封结构的进水阀，建议选用聚氨酯材料，且密封设计压缩量不应低于丁腈橡胶材料，以提高密封的接触应力，增强密封对轴颈偏心位移的适应性。本次海蓄机组进水阀轴颈密封换型改造取得较好的效果，可为同类型进水阀轴颈密封的设计选型或技术改造工作提供较好的借鉴。