抽水蓄能电站进水球阀阀座基础结构辨析

1、抽水蓄能电站进水球阀阀座基础结构辨析一、概述高水头、高转速抽水蓄能电站的进水球阀在机组启停、工况转换以及甩负荷时会有一个作用在活门上的强大水流推力，如仙游抽水蓄能电站球阀全关时的水推力达到27.7MN。虽然设计上该力是由阀体通过延伸段钢管及上游压力钢管传递给上游混凝土基础的，但阀体在上游水道瞬间推力作用下还是有一个沿着水流轴向移动的趋势，而球阀基础混凝土支墩由于材质、体积的原因是不设计用来承受球阀所带来水推力的。因此，在设计、选用水轮机进水阀时都有相关的设计规定，如：）水轮机进水球阀选用、试验及验收规范之“5.1.1”：“进水球阀底座应允许在基础板上沿压力钢管方向少量位移，最大允许位移量应按进

2、水球阀关闭时间作由于上游压力钢管的最大水推力引起的阀体轴向移动计算确定，基础板滑动面间应有防锈措施。”）水轮机进水液动蝶阀选用、试验及验收导则（DLT 1068-2007）之“5.1.15”：“进水蝶阀底座应允许少量的沿压力钢管方向的位移”。）水轮机设计手册第十七章“水轮机进水管道上的阀门”：“阀体的下半部的地脚承受蝴蝶阀的全部重量和操作活门传来的力和力矩，但不考虑承受作用在活门上的水推力，此水推力由上游或下游侧的连接钢管传到基础上。为此，在地脚螺钉和孔的配合间，应按水流方向留有3050毫米间隙”。据此，各设计制造厂商分别选择了各具特色的基础座滑动面（含防锈）的结构型式，本文仅就ALSTOM（

3、阿尔斯通）、VOITH(伏伊特)、ANDRITZ（安德里兹）和日本东芝水电这几个知名厂商的设计结构型式进行介绍和分析。二、ALSTOM（阿尔斯通）系列 1广州抽水蓄能电站一期工程(以下简称“GZ-I”) GZ-I球阀底座基础结构如图1所示,其特点是： 1）球阀基础由带套管基础螺杆（含调整配件）、基础板装配（含调整件）和附有螺套、垫圈、螺母的全扣紧固螺钉装配（与球阀底座把合）三部分组成。其中，基础螺杆装配生根于二期混凝土（球阀支墩）和基础板共同浇筑于三期混凝土中。 2）M64×4（光杆部分75）的基础螺杆长约2370mm，套管长700mm，基础螺杆的上端部可以在套管内有一定的调节裕量以

4、弥补浇筑二期混凝土时埋设的误差。 3）在浇筑三期混凝土前，安装并调整基础板的水平与高程符合图纸的设计要求。 4）球阀就位时底座与基础板、基础螺杆的把合如图2所示，长螺套下联基础螺杆、上联球阀底座紧固螺栓，其外径105mm与底座、基础板120mm螺孔有一定调节裕量；底座紧固螺栓下端面与基础螺杆上端面设计有5mm间隙，应在现场测量确定全扣螺钉的拧入量。 5）球阀底座下平面和基础板上平面加工精度均要求达到Ra3.2，安装时接触面涂抹润滑油脂；且基础底板设计有注油通道和油槽，可以从设置在侧面的油杯向滑动面注入润滑油脂。 6）浇筑三期混凝土经养护后紧固螺栓的预紧力矩为250N.m。图1 GZ-I球阀基础

5、 2惠州抽水蓄能电站（以下简称“惠蓄”）惠蓄球阀底座基础的固定方式如图3所示，其结构特点是： 1）球阀基础是由8×M60基础螺杆（用螺母直接与球阀底座把合）、基础板（含调整附件）两部分组成，基础螺杆和基础板均浇筑于三期混凝土中（球阀支墩为二期混凝土）。图3 惠蓄球阀基础 2）M60基础螺杆长约705mm，在与二期混凝土中的锚筋联结固定后直接浇筑于三期混凝土中。由于基础螺杆是直接通过螺母与球阀底座把合紧固的，需要安装施工队伍具有较高的工艺作业能力，才能确保基础螺杆与基础板埋设的位置、高程及水平达到设计要求。 3）球阀基础板埋设部件装配如图4所示，其作业程序是：根据球阀的中心、里程和球阀

6、底座尺寸在二期混凝土的基础锚筋上焊接高程调整螺栓将调整支座装配于高程调整螺栓上把基础螺栓穿入基础板调整螺杆外露部分到基础板上的距离套上保护套管和螺母吊放该装配至安装位置的基础埋件上配合工字钢调整球阀基础板的水平、中心和高程（要求基础板水平0.10mm/m、高程偏差1 mm、中心偏差±2mm）调整合格后在百分表监控下进行点焊加固终检后进行三期混凝土浇筑。 图4 惠蓄球阀基础埋设 4）吊装球阀后用液压工具按1400N/m（±140N·m）对称拧紧固定螺母和垫圈（见图3）。 5）球阀底座下平面和基础板顶面两个接触的工件表面的加工光洁度均为Ra3.2，安装时涂抹二硫化钼润

7、滑脂，使得球阀底座与基础板紧密贴合时形成油膜起到润滑作用。 3海南琼中抽水蓄能电站（以下简称“海蓄”）海蓄球阀基础底座的固定方式如图5所示，其结构特点是： 1）球阀基础是由8×M60基础螺杆（上端部丝牙联结长螺母）、基础板（含调整附件）和M60全扣丝杆（带螺母，与球阀底座把合）三部分组成。基础螺杆和基础板均浇筑于三期混凝土中（球阀支墩为二期混凝土）。图5 海蓄球阀基础 2）M60基础螺杆长约570mm，在与二期混凝土中的锚筋联结固定后直接浇筑于三期混凝土中。由于基础螺杆是直接通过螺母与球阀底座把合紧固的，需要安装施工队伍具有较高的工艺作业能力，才能确保基础螺杆与基础板埋设的位置、高程

8、及水平达到设计要求。 3）球阀就位时底座与基础板把合结构如图6所示，在螺母1000N.m拧紧力矩作用下的垫片与阀体底座之间、阀体底座与基础板之间是紧密贴合没有间隙的。 4）球阀底座下平面和基础板顶面两个接触工件表面的加工光洁度均为Ra3.2，安装时涂抹二硫化钼润滑脂，设计意图是阀体底座与基础板之间紧密贴合形成油膜在相对滑动时能起到润滑作用。图6 球阀基础把合结构三、VOITH(伏伊特)系列广州抽水蓄能电站二期工程(以下简称“GZ-II”)球阀基础的结构形式如图7所示，其特点是：图7 GZ-II球阀基础结构 1）球阀基础由基础螺栓组装 (含套筒)、带滑板的基础板（含调整附件）和附有定距隔套的紧固

9、螺母组合（直接将球阀底座与基础螺杆把合）三部分组成。其中，基础螺栓组装浇筑于二期混凝土中；套管中的地脚螺杆、基础板(含调整附件)浇筑于三期混凝土（非收缩型）中。 2）M80×6地脚螺杆长2540mm穿过基础板直接把合球阀底座，其上端部可以在套管内有较大的调节裕量以弥补浇筑二期混凝土埋设时的可能引起的误差。 3）基础板可用生根于二期混凝土的调整螺钉调整其高程、水平及方位，尤其是基础板上方12mm厚的铝铜板（B21 CA46400）的高程和水平度应符合图纸设计要求，最终交付三期混凝土浇筑。 4）球阀就位时底座与基础螺杆把合结构如图7之A-A视图所示，其作业程序是：准确测量球阀底座鱼眼孔深

10、度和定距隔套原高度确定每个定距隔套的加工尺寸进行隔套加工调整合适的球阀底座鱼眼孔与定距隔套的上下游间隙采用液压拉伸器按67MPa拧紧螺母、通过垫环将定距隔套紧压于基础板上检测垫环至球阀基础螺栓鱼眼孔端面间隙应为0.150.20mm。 5）滑板上下表面及基础板上平面加工精度均为Ra6.3，安装时涂抹MoS2润滑剂使得阀体底座与滑板构成良好的摩擦副。四、ANDRITZ（安德里兹）系列 1仙游抽水蓄能电站(以下简称“仙蓄”)球阀基础的结构形式如图8所示，其特点是：图8 仙蓄球阀基础结构 1）球阀由基础框架（含支撑基础板的地脚螺杆）、基础板（含调整附件）和附有定距隔套的紧固螺钉（与球阀底座把合）三部分

11、组成。基础框架生根于一期混凝土并浇筑于二期混凝土中；基础板浇筑于三期混凝土（非收缩型）中。 2）支撑基础板的M64地脚螺杆长约2100mm，随其基础框架直接浇筑于二期混凝土中，其浇筑后的定位对基础板的方位影响较大，安装调整及固定时需要采取稳妥的作业措施。 3）在浇筑三期混凝土前，安装并调整滑板式基础底板的水平、高程与方位符合图纸设计要求。 4）球阀就位时底座与基础板把合结构如图9所示，定距隔套的高度在现场根据实际测定使底座上平面与垫块之间有0.20.3mm的间隙，压力钢管处于排空状态时定距隔套处于中间位置。图9 底座与基础板把合结构 5）球阀底座下平面加工精度要求达到Ra3.2，与表面有润滑油

12、槽的滑动式基础底板之间需涂二硫化钼润滑油脂；且基础底板设计有注油通道，可以从设置在侧面的油杯向滑动面注入润滑油脂。 6）浇筑三期混凝土经养护后紧固螺栓的预紧力矩为5150N.m。 2深圳抽水蓄能电站(以下简称“深蓄”)ANDRITZ在仙游抽水蓄能电站实践的基础上经改进用于深蓄的球阀基础结构如图10所示，其特点是：图10 深蓄球阀基础结构 1）球阀基础由框架式安装模板、带滑板的基础板（含调整附件）和附有定距隔套的紧固螺钉（与球阀底座把合）三部分组成。其中，框架式安装模板生根于一期混凝土浇筑于二期混凝土中；框架式安装模板套管中的地脚螺杆、基础板浇筑于三期混凝土（非收缩型）中。 2）框架式安装模板套

13、管中的M64地脚螺杆长约2100mm，其支撑、固定基础板的上端部可以在套管内有较大地调节裕量以弥补框架式安装模板在浇筑二期混凝土时埋设的误差（控制在±2mm内）。 3）在浇筑三期混凝土前，安装并调整包括滑板的基础板的水平、高程与方位符合图纸设计要求。 4）球阀就位时底座与基础板把合结构如图11所示，左右支墩基础板上各均布四块750×150×3（厚度3mm）的滑板，其材质为FZB06(双金属自润滑材料)，具有承载能力高、减摩耐磨性能好的特点，定距隔套的高度在现场根据实际测定使底座上平面与垫块之间有0.20.3mm的间隙。图11 底座与基础板把合结构 5）球阀底座下平

14、面加工精度要求达到Ra3.2，与表面有润滑油槽的滑动式基础底板之间需涂二硫化钼润滑油脂；且基础底板设计有注油通道，可以从设置在侧面的油杯向滑动面注入润滑油脂。 6）浇筑三期混凝土经养护后紧固螺栓的预紧力矩为5150N.m。五、东芝水电系列 1清远抽水蓄能电站（以下简称“清蓄”）球阀基础座的固定方式如图12所示，其结构特点是：图12 清蓄球阀基础结构 1）球阀基础由安装框架定位基础螺栓、基础板（含调整附件）和附有定距套筒的紧固螺母（与球阀底座把合）三部分组成。其中，安装框架（包括基础螺栓下端部）焊接固定于一期混凝土的预埋钢筋上并浇筑于二期混凝土中；基础螺栓上部一段与基础板浇筑于三期混凝土（非收缩

15、型）中。 2）M125×6A基础螺栓长2390mm，如图13所示的安装框架可以经过精心施工将基础螺栓准确定位。图13 清蓄球阀基础框架 3）在浇筑三期混凝土前，安装并调整基础板的水平、高程及方位符合图纸设计要求。 4）球阀就位时底座与基础板把合结构如图14所示，定距套筒的高度在现场根据实际测定使底座上平面与垫块之间有0.10.3mm的间隙。 5）球阀底座下平面及基础板上平面的加工精度均为Ra12.5，安装时接触面需涂二硫化钼润滑油脂。 6）浇筑三期混凝土经养护后紧固螺栓的力矩使得螺M125栓伸长值0.23±0.02mm。图14 底座与基础板把合结构 2四台机组投入运行后均发

16、现球阀阀体基础三期混凝土有不同程度的裂隙，其中以#4机最为严重，参见图14。图14球阀基础裂隙情况 设计制造厂商（东芝水电）分析认为，虽然产生裂隙的三期混凝土已不再承受拉应力，但固结于二期混凝土的基础螺栓在整体强度上还不会受到影响。鉴于裂隙状况可能会有恶化的趋势，建议进一步查找原因并研究遏制裂隙的对策。六、结语 1根据惠蓄、清蓄球阀的实际监测，阀体在各种工况的轴线方向位移如下表所示。 表1电站项目名称球阀混凝土支墩惠蓄开机空载0.0970.016180MW负荷0.0060.003300MW负荷0.0100.006停机过程1.0750.057水泵工况关机0.9380.083发电工况开机0.678

17、0.127空载关球阀0.3360.01050%负荷关球阀1.0970.105100%负荷关球阀1.6720.295清蓄水轮机开机过程0.2050.161水轮机稳态运行0.0030.01150%动水关球阀0.2520.162100%动水关球阀1.5010.361可以看出，惠蓄球阀阀体轴向位移最大值为100%负荷关球阀时的1.672-0.295=1.377mm ；清蓄球阀阀体轴向位移最大值为100%负荷动水关球阀的1.501-0.361=1.090mm。这足以证实必须在球阀底座与埋设于混凝土支墩的基础板之间采取能够相对滑动的设计才能有效减小球阀对混凝土支墩的推力，避免支墩混凝土承受过大的拉应力。

18、2采用框架式安装模板或者基础框架（如仙蓄、深蓄和清蓄）有助于准确定位基础螺栓，使得球阀基础板埋设中心、里程和高程能够较好的满足设计要求和实际需要。 3较长的埋设于二期混凝土中的地脚螺杆（如GZ-I的M64×2370mm、GZ-II的M80×2540mm、仙蓄和深蓄的M64×2100mm、清蓄的M125×2390mm）对球阀基础板的固定是有利的，显然优于较短而又仅埋设于三期混凝土中的基础螺栓。 4采用附有套管的地脚螺杆（如仙蓄、深蓄和GZ-II）使得其固定基础板的上端部可以有较大的调节裕量以弥补浇筑二期混凝土时可能潜在的埋设误差，而浇筑于二期混凝土中又直接与球阀底座穿接紧固的基础螺栓则需要更为精湛的施工工艺和较长的作业时间。 5球阀底座与基础板之间衬垫承载能力高、减摩耐磨性能好的滑板（如GZ-II的12mm厚铝铜板、深蓄3mm双金属自润滑材料FZB06）能够有效避免接触面锈结、大大降低相对滑移时的摩阻力，从而锐减基础混凝土所可能承受的拉应力。 6采用在现场根据实际测定、加工定距隔套高度的方式使得球阀基础紧固时其底座上平面与垫块之间可以保持0.20.3mm的间隙，这种有助于阀体