1 概述
耿达水电站位于四川省阿坝州汶川县及卧龙特别行政区耿达乡境内的岷江上游支流渔子溪河上，是该河流上第二座梯级电站。电站设计水头283m，最高水头302.2m，最低水头255.7m，设计最大引用流量69.3m3/s，电站共装有4台单机容量为40MW的高水头混流式水轮发电机组，每台水轮机前端装有一台φ1.6m的球形阀。电站的引水流程为：大坝取水———压力隧洞———调压井———压力钢管———四台机组———尾水———排入渔子溪河。电站由原水利电力部成都勘测设计院设计，原中国水利水电第十工程局施工。电站始建于1982年3月，1986年3月开始下闸蓄水，1986年5月第一台机组发电，1988年6月全部建成。
2 旧球形阀运行中存在的主要问题
2.1 活门轴端漏水
球形阀经过较长时间运行后，活门两端转轴与轴套间由于摩擦磨损会形成相对的椭圆，U型橡皮密封的性能随之下降，水即会从轴端处漏出，冲刷损坏轴端密封圈，造成轴端漏水；而要处理漏水只有全站停机停水，放空压力钢管内的积水后方能进行。造成这种现象的主要原因是阀体组合缝正处在轴端的中央，阀体沿活门轴孔中心线分半，造成轴孔两侧螺栓孔跨距大、把合力不足引起的。这种设备固有的结构缺陷导致的合缝面漏水给检修带来了极大的麻烦，给电站的安全运行带来了隐患，给电站的经济效益带来了巨大的损失。
2.2 移动密封环行程指示杆漏油
球形阀在运行过程中会经常动作移动密封环，特别是工作密封移动环，在每次球形阀开关过程中都会动作一次，从而带动安装在移动密封环上的行程指示杆就会动作一次。虽然行程指示杆使用了两道O型橡胶密封，但由于是动密封，球形阀经较长时间运行后，行程指示杆密封就会因性能下降而漏油，进而造成压油装置油料损失，给电站经济运行带来影响。行程指示杆密封装置见图1。
图1 行程指示杆密封装置图
2.3 密封环漏水大
由于电站水头高且所处河段属山区河流，河水中泥沙含量大，球形阀在运行过程中密封环止水面常会因关闭不严而漏水，引起密封环汽蚀磨损，从而加速密封环的损坏，造成密封环漏水过大，进而影响机组大修和正常的安全运行。
鉴于以上种种原因，结合“5.12”震后恢复生产，我厂决定对耿达水电站球形阀进行改造，重点对球形阀的结构进行了重新设计，使其满足电站安全生产的需要。
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3 新球形阀的基本参数（表1）
表1 新球形阀基本参数表
4 新球形阀的工作原理
当球形阀要开启时，首先解除检修密封处的锁锭，然后在检修密封的开启腔通入压力油，使检修密封处于开启状态，且上游检修密封的行程开关的信号显示开启，在此状况下，先后打开旁通管手动阀和液压阀，向蜗壳内充水，一定延时后，在下游工作密封的开启腔通入压力油，使工作密封处于开启状态，且下游工作密封的行程开关的信号显示开启，当活门前后压力趋于平衡，控制球形阀的压力传感器和压力开关的显示达到设定值时，接力器转动活门由全关旋转到全开，接着关闭旁通管液压阀，球形阀开启过程结束。
当球形阀要关闭时，首先打开旁通管液压阀，接力器转动活门由全开旋转到全关，然后在下游工作密封的关闭腔通入压力油，使工作密封处于关闭状态，且下游工作密封的行程开关的信号显示关闭，最后关闭旁通管液压阀，水流被全部截断，球形阀关闭过程结束。
一般情况下，上游检修密封始终处于开启位置，只有当机组检修或球形阀更换工作密封时才关闭球形阀检修密封并投入检修密封的机械锁锭。正常停机或机组发生事故时，在关闭导水机构的同时，还需关闭球形阀工作密封。值得一提的是球形阀工作密封是要经常被操作、动作的，而检修密封是很少动作的。另外，在引水钢管充满水的情况下，球形阀活门或处于关闭，或处于开启，不允许停留在其它位置做调节流量用。
5 新球形阀的结构特点
（1）球形阀本体由分半的前阀体、后阀体、活门、自润滑轴承及检修密封、工作密封等零部件组成，附属设备有旁通阀、空气阀、部分管路和部分自动化元件等。
（2）新球形阀为横轴型，活门中间流道直径与上、下游引水管直径相同，具有全开时阻力损失小（可忽略不计）、全关时密封性能好的优点，是一种新型的双密封环球形阀，能在机组事故且导水机构不能关闭时实现动水关闭球形阀。
（3）阀体采用偏离轴孔斜分半整铸结构，分半面与水流方向成51°夹角，其优点是阀体分半面为整圆，便于密封，同时使分半面螺栓分布均匀，受力好，避免了沿阀体轴孔中心线垂直分半所造成轴孔两侧螺栓跨距大，把合力不足，合缝错牙漏水现象。阀体两侧各有一个水平轴承座用于支撑阀轴和活门。阀体带有连接上游侧压力钢管和下游侧可拆卸伸缩节的法兰，阀体、轴承座、上游侧法兰能承受在球形阀截断水流时水流作用在活门和阀体上的最大水推力。阀体两侧均设有整体的支撑底座，按传递球形阀全部垂直荷载设计。设计允许球形阀沿压力钢管轴线方向相对于基础板有微小位移，因此基础板与球形阀支撑底座接触面需加工光滑，且该位移不会损坏或擦伤地脚螺栓、螺母。阀体顶部设置一个排气孔，用于充水时排除阀体顶部的空气，底部设置排污阀，用于检修时排掉积水和沉积的泥沙。
（4）活门采用铸钢整体制造，具有很好的刚强度。活门两轴身覆盖有不锈钢衬套，以增加活门轴抗磨蚀能力，进而保护轴承及其密封。
（5）主密封为双面金属密封，分为上游侧检修密封与下游侧工作密封，均为可拆卸式结构。主密封包括高强度不锈钢移动密封环和不锈钢固定密封座，移动密封环位于阀体与过渡法兰间的密封腔内，可根据需要控制其前后移动；固定密封环用不锈钢螺栓把合在活门上，当活门到达全关位置后，移动密封环滑动并压紧固定密封座，起到密封作用；在活门开启前移动密封环离开固定密封座，解除密封。阀体和过渡法兰上的密封环导向面采用不锈钢护衬。移动密封环上的密封采用进口的D型密封圈，密封圈密封面中含有润滑材料，在保证密封的同时使密封圈有较长的寿命。移动密封环均由取自操作系统的压力油进行操作，下游工作密封由球形阀控制系统自动控制操作上游检修密封采用手动控制操作，并设有手动锁锭杆，可以在工作密封检修时将检修密封锁锭在全关位置。工作密封和检修密封均设有移动密封环位置指示信号装置，其信号通过电缆线接至球形阀的控制系统。球形阀主密封结构见图2。
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图2 球形阀主密封及接近开关传感器示意图
（6）密封环位置信号装置电信号器采用进口产品接近开关传感器。为了保证密封环动作的可靠性，在密封环圆周上均布了四个电信号器，只有当密封环在退出位置时四个点全部接通才发出电气信号给控制系统。在信号未发出之前，活门禁止转动。接近开关传感器结构见图2。
（7）球形阀轴承采用德国进口的DEVA－BM自润滑轴承，具有良好的承载性能。轴承瓦镶嵌在轴承钢套里，可随钢套一起在阀体不解体条件下从阀体内拆出来。钢套外侧与阀体接触部位设有两道O型静密封，钢套内侧与阀轴接触部位属于旋转运动密封，设两道密封，一道接近阀体内圆，采用整圈O型橡胶密封圈，起封沙作用，尽可能防止泥沙进入轴瓦，密封槽设有旁通孔；另一道在阀体外侧，采用进口格莱圈。球形阀轴承及密封结构见图3。
图3 球形阀轴承及密封示意图
6 结语
在耿达水电站新球形阀应用中，通过采用偏离轴孔斜分半整铸结构，提高了合缝密封的可靠性，避免了旧阀体沿轴孔中心线垂直分半所造成的轴孔两侧螺栓跨距大、把合力不足的缺陷。同时，在球形阀轴承的运用中，采用德国进口的DE-VA－BM自润滑轴承，改善了轴承的承载性能，进一步提高了活门轴端密封的可靠性，解决了旧球形阀活门轴端的漏水现象。通过改变移动密封环位置状态的显示方式，变动密封为静密封，有效解决了旧球形阀移动密封环行程指示杆漏油现象。同时，通过在移动密封环上采用双套密封圈设置，并在密封圈之间加开溢流口，有效避免了油混水现象的发生；通过采用高强度不锈钢主密封，提高了密封环的抗汽蚀磨损性能，延长了密封环的使用周期。应该说，新球形阀在耿达水电站的应用是成功的，解决了旧球形阀近30年来存在的诸多问题，提高了电站的经济效益，促进了电站安全生产长治久安。
