蝴蝶阀关闭故障分析及处理方法

      1 蝴蝶阀概况
      芹山水电站采用克瓦纳（杭州）发电设备有限公司生产的PDF130-WZ-280型蝴蝶阀，系卧式双平板活门结构。蝴蝶阀总装包括阀体、活门、工作主密封、轴承、转臂、接力器、锁定装置、重锤和旁通阀等。蝴蝶阀阀体采用铸焊整体结构，阀体与工作密封圈接触处采用不锈钢材料，延长了密封圈的使用寿命并提高了密封性能。阀门的密封设在下游侧，密封面采用斜面结构，因而有很好的密封性能。阀体的底部有8条地脚螺栓作为固定阀体用，能承受接力器向上推力和动水作用在活门上的向上分力，而不能承受活门全关时的水推力。为增加活门在动水关闭时的自关闭力矩，活门与阀体均按偏置设计，其几何中心与转动中心偏移50mm，增加了关闭的可靠性。阀门的主工作密封采用实心异形橡胶放在活门周边，用压圈和压紧螺钉紧固在活门上，为了保证密封圈可调和且调节后定位，设有锁紧螺钉加以固定。阀轴采用40Cr锻钢材料，与轴承和轴端密封接触处采用镀铬保护，与活门采用插入圆柱销固定。轴承由钢套和铜瓦组成，铜瓦材料为铸铝青铜（ZCuAl10Fe3），轴端密封采用U形支承环密封圈，密封力可调，更换方便。
      该阀布置2台200mm直缸摇摆式接力器，接力器的活塞杆通过转臂与阀轴相连，活塞杆表面镀铬处理。活塞与缸体间密封采用O形圈与聚四氟乙稀组合式密封圈；接力器缸内设有二段关闭装置和节流缓冲结构，外部采用高压软管连接。
      控制系统。蝴蝶阀的开启采用FYZ阀门液压控制装置供油，推动接力器把活门和重锤至全开后采用油压锁锭，锁锭油源来自于调速器油压装置。当机组发生事故或需正常停机时，切换锁锭油源脱开，蝴蝶阀依靠自身所配置的2个重锤（各3.5t）和水力作用至活门全关，起到切断水流和保护机组的作用。
      2 故障现象
      芹山水电站蝴蝶阀于2000年3月投入运行，运行至2002年3月，作者发现在关闭蝴蝶阀过程中，当蝴蝶阀关闭至全行程的约95%时，蝴蝶阀转臂（重锤）停止下落，蝴蝶阀不能自行到达全关位置。这与蝴蝶阀只能在全开或全关2个位置相矛盾，蝴蝶阀位置处于不定态，造成漏水量较大，引起较强的噪声，给水电站的检修运行带来了较大的安全隐患。
      3 原因分析
      3.1 油管路方面
      出现这种现象有可能是由于回油管路排油不畅引起接力器关侧油腔油未排尽，由此造成接力器活塞不能完全回复至全关位置，导致蝶阀转臂下落不能到达最大行程，引起蝴蝶阀关不到全关位置。
      就此对操作油管路进行检查，对于管路上的油阀门进行分解检查，确保操作油管路畅通无阻。
      3.2 接力器结构
      为了降低在关闭过程中接力器活塞冲击接力器油底部的速度和压力，在操作接力器缸内设有二段关闭装置，即节流缓冲结构。
      对接力器节流缓冲结构进行清洗并对接力器节流阀进行调整，加大节流阀开口，使回油的流量变大，节流阀前、后的压差变小，有利于接力器活塞的下落。同时，检查发现接力器活塞杆表面镀铬层完好，无锈蚀卡涩迹象。
      用以上2种方法进行处理后，没有明显的效果，说明蝴蝶阀不能到达全关位置的原因与操作系统（操作管路及接力器装置）无关。
      3.3 在蝴蝶阀关闭过程中关闭蝴蝶阀所需力矩小于轴承处所受到的摩擦阻力矩
      为了防止泥沙淤积妨碍阀门开启，蝴蝶阀下缘逆水流关闭，动水力矩M总是趋向使活门关闭，活门上的动水压力沿水流方向的分力p顺水流方向，垂直分力p1方向向上。
      活门关闭时，水完全静止，活门上承受静水压力。由于活门上、下的位置差异，静水压力的作用中心在活门中心线以下，这样，对于卧轴蝴蝶阀活门，就产生了使活门转动的静水力矩。
      在芹山水电站中，蝴蝶阀处于接近全关的位置不能正常关闭，其受力状况如图1所示。

      以蝴蝶阀全关闭时做为参考进行受力分析，当活门全关时，即=90°时，静水力矩
      式中：
      ps为静水压力，ps=ϒSps，max；S为活门面积，S=πD2/4；D为活门直径；L为水压力作用中心至转动轴线的距离，L=J/SX；J为水压力的惯性矩，J=πD4/64；ps，max为最大静水压力（=90°）。

    
      重锤力矩

   
      总的关闭力矩

♂
      在阀门操作中，操作机构各转动销轴处均存在摩擦力和摩擦力矩。其中，阀轴与轴瓦间的摩擦力和力矩是主要的，其数值占据总的摩擦力降摩擦力矩的绝大部分。为了简化计算，一般可以只考虑这个摩擦力和力矩，计算以后再增加少量的裕量。
      阀轴轴瓦处的摩擦力和摩擦力矩为
      式中：Mt为各活门转角下的摩擦力矩；r为阀轴半径，r=0.21m；F（a）为各活门转角下阀轴轴瓦处支反力

     
      若Mt>M，则活门在将不能自动靠自重完全关闭，应有

    
      根据设计工况，阀轴和铸铝青铜的摩擦因数一般取μ=0.15，所以在最高水头121.5m时，蝴蝶阀可以靠本身配置的重锤进行自动关闭。而要出现蝴蝶阀不能自动关闭现象必须的条件是>0.27。因此可以得出以下结论：
      芹山水电站#1、#2蝴蝶阀在运行2年以后，在关闭时出现了不同程度的关不到全关位置的现象。作者分析认为，出现这种情况的原因有以下2点：
      （1）蝴蝶阀在经过2年多的运行后，阀轴和轴承之间有可能出现泥沙沉淀，导致阀轴和轴承之间的间隙减小，轴承摩擦因数增加。在阀门的关闭过程中，当活门接近全关位置时，活门上、下游之间形成一个压差，这个压差会在阀轴上产生一个阻碍关闭的力矩，这个阻力矩与轴承的摩擦因数成正比，当阻力矩大于阀门关闭力矩时会出现上述现象。
      （2）轴承经过一段时间运行后，轴承润滑面可能有腐蚀，轴承出现了磨损，摩擦因数增加，也会导致上述现象。
      4 处理方法
      （1）改变关闭蝶阀的操作程序。在关闭蝶阀的同时，打开旁通阀，在关阀结束后，再关闭旁通阀。这样，可以让蝴蝶阀在关闭过程中前、后水压始终平衡，消除了关阀过程中蝴蝶阀上、下游之间的压差，大大降低了关闭时的摩擦阻力，使关阀能顺利进行，而且可以减少轴承润滑面的磨损，增加蝴蝶阀轴承的使用寿命。
      （2）现配置的2个重锤的侧面各预留有4个M30的螺孔，可在重锤上加一些钢板，然后用螺丝紧固。这样就增加了重锤的质量，从而增加蝴蝶阀关闭时的重锤力矩，使蝴蝶阀在轴承摩擦系数增大时也能顺利关闭。
      在以上2种方法中，如果采用第2种方法进行改造，蝴蝶阀可在一段时间内比较顺利地自行关闭，但运行时间长了以后，随着泥沙在阀轴和轴承之间的沉淀和轴承润滑面的进一步磨损，摩擦因数增大引起摩擦阻力越来越大，蝴蝶阀有可能又不能自行关闭，甚至需更换新轴承。因此，在考虑到处理上述问题的难度和电站的安全经济运行，在采用了修改蝴蝶阀关闭流程的方法，如图2所示（图中灰色为改进增加流程部分）。

      5 实际应用情况
      芹山水电站蝴蝶阀关闭流程经过改进后，在关闭的同时开启旁通阀，对阀后充水。蝴蝶阀在上、下游无水压差的情况下关闭。在此过程中，基本消除了作用在活门上的静水力矩，同时，大大减小了阀轴的摩擦力矩。实践表明，改进后蝴蝶阀运行稳定，自行关闭正常，关闭效果良好。
      同时考虑到机组过速时，因调速器主配压阀拒动，需使蝴蝶阀关闭来防止机组过速。在这种方式下，为防止由于关闭蝴蝶阀时开旁通阀造成机组转速升高，在过速保护装置动作油管路中，并一油管至调速器事故电磁阀。当过速保护装置动作时，事故电磁阀也动作，调速器主配压阀快速朝关侧动作，关闭导叶，防止机组飞逸。
      6 结束语
      应用该关闭流程的蝴蝶阀，由于在关闭时蝴蝶阀前、后水压平衡，受静水压力较小，大大减少了阀轴的摩擦力矩，也减小了蝴蝶阀的主轴及轴承的磨损，延长了蝴蝶阀主轴及轴承的检修周期，同时也保证了蝴蝶阀的稳定运行，确保了水电站的安全经济运行。
      若在含泥沙量较大的水电站使用蝴蝶阀，最好不要采用该种带自关闭装置的蝴蝶阀，因为采用带自关闭装置的蝴蝶阀，运行时间长了以后，随着泥沙在阀轴和轴承之间的沉淀和轴承润滑面的磨损，轴承摩擦因数增大引起摩擦阻力越来越大，蝴蝶阀最终将不会自行关闭。这必将增加蝴蝶阀检修次数，减少蝴蝶阀使用寿命，不利于水电站的安全经济稳定运行。