蝴蝶閥故障分析及處理方法

1 蝴蝶閥概況

芹山水電站采用克瓦納（杭州）發(fā)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PDF130-WZ-280型蝴蝶閥，系臥式雙平板活門結(jié)構(gòu)。蝴蝶閥總裝包括閥體、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。蝴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(shí)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(hù)，與活門采用插入圓柱銷固定。軸承由鋼套和銅瓦組成，銅瓦材料為鑄鋁青銅（ZCuAl10Fe3），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。活塞與缸體間密封采用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)。蝴蝶閥的開啟采用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(jī)組發(fā)生事故或需正常停機(jī)時，切換鎖錠油源脫開，蝴蝶閥依靠自身所配置的2個重錘（各3.5t）和水力作用至活門全關(guān)，起到切斷水流和保護(hù)機(jī)組的作用。

2 故障現(xiàn)象

芹山水電站蝴蝶閥于2000年3月投入運(yùn)行，運(yùn)行至2002年3月，作者發(fā)現(xiàn)在關(guān)閉蝴蝶閥過程中，當(dāng)蝴蝶閥關(guān)閉至全行程的約95%時，蝴蝶閥轉(zhuǎn)臂（重錘）停止下落，蝴蝶閥不能自行到達(dá)全關(guān)位置。這與蝴蝶閥只能在全開或全關(guān)2個位置相矛盾，蝴蝶閥位置處于不定態(tài)，造成漏水量較大，引起較強(qiáng)的噪聲，給水電站的檢修運(yùn)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(dá)最大行程，引起蝴蝶閥關(guān)不到全關(guān)位置。

就此對操作油管路進(jìn)行檢查，對于管路上的油閥門進(jìn)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(jìn)行清洗并對接力器節(jié)流閥進(jìn)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(jìn)行處理后，沒有明顯的效果，說明蝴蝶閥不能到達(dá)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 在蝴蝶閥關(guān)閉過程中關(guān)閉蝴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，蝴蝶閥下緣逆水流關(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?biāo)鞣较颍怪狈至?span lang="EN-US">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，對于臥軸蝴蝶閥活門，就產(chǎn)生了使活門轉(zhuǎn)動的靜水力矩。

在芹山水電站中，蝴蝶閥處于接近全關(guān)的位置不能正常關(guān)閉，其受力狀況如圖1所示。

圖1 蝴蝶閥全關(guān)閉時的受力狀況

以蝴蝶閥全關(guān)閉時做為參考進(jìn)行受力分析，當(dāng)活門全關(guān)時，即=90°時，靜水力矩

式中：

p_s為靜水壓力，p_s=ϒSp_s，max；S為活門面積，S=πD²/4；D為活門直徑；L為水壓力作用中心至轉(zhuǎn)動軸線的距離，L=J/SX；J為水壓力的慣性矩，J=πD⁴/64；p_s，max為最大靜水壓力（=90°）。

重錘力矩

總的關(guān)閉力矩

在閥門操作中，操作機(jī)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。為了簡化計算，一般可以只考慮這個摩擦力和力矩，計算以后再增加少量的裕量。

閥軸軸瓦處的摩擦力和摩擦力矩為

式中：M_t為各活門轉(zhuǎn)角下的摩擦力矩；r為閥軸半徑，r=0.21m；F（a）為各活門轉(zhuǎn)角下閥軸軸瓦處支反力

若M_t>M，則活門在將不能自動靠自重完全關(guān)閉，應(yīng)有

根據(jù)設(shè)計工況，閥軸和鑄鋁青銅的摩擦因數(shù)一般取μ=0.15，所以在最高水頭121.5m時，蝴蝶閥可以靠本身配置的重錘進(jìn)行自動關(guān)閉。而要出現(xiàn)蝴蝶閥不能自動關(guān)閉現(xiàn)象必須的條件是>0.27。因此可以得出以下結(jié)論：

芹山水電站#1、#2蝴蝶閥在運(yùn)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。作者分析認(rèn)為，出現(xiàn)這種情況的原因有以下2點(diǎn)：

（1）蝴蝶閥在經(jīng)過2年多的運(yùn)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(yùn)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，可以讓蝴蝶閥在關(guān)閉過程中前、后水壓始終平衡，消除了關(guān)閥過程中蝴蝶閥上、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(jìn)行，而且可以減少軸承潤滑面的磨損，增加蝴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，從而增加蝴蝶閥關(guān)閉時的重錘力矩，使蝴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(jìn)行改造，蝴蝶閥可在一段時間內(nèi)比較順利地自行關(guān)閉，但運(yùn)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(jìn)一步磨損，摩擦因數(shù)增大引起摩擦阻力越來越大，蝴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(jì)運(yùn)行，在采用了修改蝴蝶閥關(guān)閉流程的方法，如圖2所示（圖中灰色為改進(jìn)增加流程部分）。

圖2 改進(jìn)后的蝴蝶閥關(guān)閉流程

5 實(shí)際應(yīng)用情況

芹山水電站蝴蝶閥關(guān)閉流程經(jīng)過改進(jìn)后，在關(guān)閉的同時開啟旁通閥，對閥后充水。蝴蝶閥在上、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(shí)踐表明，改進(jìn)后蝴蝶閥運(yùn)行穩(wěn)定，自行關(guān)閉正常，關(guān)閉效果良好。

同時考慮到機(jī)組過速時，杉米閥門因調(diào)速器主配壓閥拒動，需使蝴蝶閥關(guān)閉來防止機(jī)組過速。在這種方式下，為防止由于關(guān)閉蝴蝶閥時開旁通閥造成機(jī)組轉(zhuǎn)速升高，在過速保護(hù)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(hù)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(jī)組飛逸。

6 結(jié)束語

應(yīng)用該關(guān)閉流程的蝴蝶閥，由于在關(guān)閉時蝴蝶閥前、后水壓平衡，受靜水壓力較小，大大減少了閥軸的摩擦力矩，也減小了蝴蝶閥的主軸及軸承的磨損，延長了蝴蝶閥主軸及軸承的檢修周期，同時也保證了蝴蝶閥的穩(wěn)定運(yùn)行，確保了水電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

若在含泥沙量較大的水電站使用蝴蝶閥，最好不要采用該種帶自關(guān)閉裝置的蝴蝶閥，因?yàn)椴捎脦ё躁P(guān)閉裝置的蝴蝶閥，運(yùn)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，蝴蝶閥最終將不會自行關(guān)閉。這必將增加蝴蝶閥檢修次數(shù)，減少蝴蝶閥使用壽命，不利于水電站的安全經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。

核心提示：在一些依靠重錘進(jìn)行蝴蝶閥自關(guān)閉的水電站，蝴蝶閥運(yùn)行幾年后，在關(guān)閉過程中出現(xiàn)了蝴蝶閥關(guān)不到全關(guān)位置的故障。針對這個問題進(jìn)行分析，提出了一種可靠的蝴蝶閥自動關(guān)閉程序，該程序既保證了蝴蝶閥的正常關(guān)閉，對水電站的檢修、運(yùn)行提供了安全保障，又較好地保護(hù)了蝴蝶閥主軸及軸承，延長了蝴蝶閥的使用時間。