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抽水蓄能电站一般水头较高，其进水阀也多采用双密封结构的球阀[1]，即包括上游侧检修密封与下游侧工作密封，均为可拆卸的不锈钢活动密封环和不锈钢固定密封环。固定密封环用不锈钢螺栓把合在活门上，当活门关闭后活动密封环滑动并压紧固定密封环达到密封止漏功能。
作为不锈钢密封副的活动密封环和固定密封环，两者之间有一定的硬度差是可以理解的，但究竟孰高孰低及差值的选择，不同厂家设计理念不同。表1所列为我国南方几个抽水蓄能电站的相关数据，上下游密封副均采用相同的设计。
表1可以归纳为两个不同的设计理念：其一是ALSTOM的固定环硬度比活动环硬度高约35 HB；其二是以ANDRITZ为代表的活动环硬度比活动环硬度高约50 HB。本文拟对此作一粗浅的分析，仅供商榷。
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1)《石油、石化及相关工业用法兰端和对焊端钢制截止阀与和截止止回阀》文中“表2 内件材料、硬度和可接受的规范”对“13Cr”规定“阀体和闸板密封面的最小硬度为HB250，二者之间的最小硬度差为HB50。”
2)《实用阀门设计手册(第二版)》之“表4-219 BS1873-1990规定的内件材料、硬度及应用范围”对“13Cr”规定：“阀体和阀瓣密封面最小硬度为250 HB，这时二者的硬度差至少应为50 HB。”
3)《混流式水泵水轮机基本技术条件》[2]倾向于以易更换件硬度低为原则，如：“4.2.1.9转轮的转动迷宫环与固定迷宫环或止漏环硬度差应不小于20 HB”，也就是固定迷宫环的硬度应低于转动迷宫环的硬度；“4.2.1.13导叶端部与之相应的抗磨板之间宜有不小于20 HB硬度差异”，也就是抗磨板硬度低于导水叶的硬度。
以上相关标准或规范都是针对摩擦副或动密封副而言的，例如阀门的“阀体和阀瓣密封面”、转轮的转动迷宫环与固定迷宫环、导叶端部与之相应的抗磨板等。而球阀的主密封副为静密封副(或充其量是微动密封副)，其密封和摩擦损伤机理均不相同，需区别对待。
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方本孝等人通过试验研究了阀门密封副硬度差对密封副抗摩擦损伤的影响[3,4,5]，结果证实：硬度和硬度差对密封副抗摩擦损伤有一定影响，密封副中软件的硬度不能太低，其真实接触应力不应超过材料的压缩屈服极限；不同摩擦副都有一定的耐擦伤性能较好的硬度差范围。
张厚君等人通过试验研究了活塞环和缸套摩擦副的硬度差对其耐磨性能的影响[6]，结果同样证实：每一种摩擦副都有一个耐摩性能较好的硬度差范围，活塞环硬度稍大于缸套硬度(15～30 HB)时，其耐磨性最好。
也就是说，一般的摩擦副或动密封副其硬度差宜选15～30 HB。
1.1 相关标准及规范
1.2 国内的相关研究成果
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广蓄二期球阀由德国VOITH设计制造，其密封(下游)结构如图1所示。活动密封环采用马氏体不锈钢(SA182-93B F6NM)、固定密封环采用奥氏体不锈钢(SA182-93B F316L)，设计要求活动环硬度高于固定环相应设计硬度参见表1。
Figure 1. Main inlet valve's downstream sealing pair of GuangZhou ii
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电站投运以来，球阀下游固定密封环泄漏严重，影响到机组的正常运行，进行过多次检修。2015年10月对四台机组球阀进行大修，发现固定密封环密封面有较多压痕、磨痕以及由此引发气蚀产生的凹坑。上下游密封副的损伤情况如下：
1)上、下游固定密封环。
球阀编号 固定环损伤情况(参见图2) 上游检修密封 下游工作密封 # 8 密封面有多处较深凹坑及较多磨损痕迹 密封面有多处较深凹坑及较多磨损痕迹 #7 有一处较深凹坑 密封面有多处较深凹坑及较多磨损痕迹 #6 密封面仅有较浅磨损痕迹 密封面有多处较深凹坑及较多磨损痕迹 # 5 密封面较好，无明显坑点、汽蚀 密封面有多处较深凹坑及较多磨损痕迹 Table 2.
Damage of fixed sealing rings 
Figure 2. Upstream fixed sealing rings of unit 8
2)上、下游活动密封环。
球阀编号 活动密封环损伤情况(参见图3) 上游检修密封 下游工作密封 # 8 中间盘根槽由于密封破损导致汽蚀严重 密封面较好，无坑点、汽蚀 #7 密封面较好，无坑点、汽蚀 密封面较好，无坑点、汽蚀 #6 密封面一段约100 mm长的较深磨损痕迹 密封面较好，无坑点、汽蚀 # 5 密封面较好，无坑点、汽蚀 密封面较好，无坑点、汽蚀 Table 3.
Damage of dynamic sealing rings 
Figure 3. Upstream dynamic sealing rings of unit 8
3)全面检查揭示的损伤情况。
上、下游活动密封环基本完好无损，局部气蚀严重也只是由于密封圈破损所致；动作比较频繁的下游工作密封的固定环均呈现“密封面有多处较深凹坑及较多磨损痕迹”；动作较少的上游检修密封固定环仅# 8球阀密封面有多处较深凹坑及较多磨损痕迹，其他状况稍好，而# 5球阀则密封面较好，无坑点、汽蚀。
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为了进一步探究密封环的密封面汽蚀及磨损与密封副硬度匹配的关系，采用硬度计分别对损坏较少的# 5球阀和损坏最严重的# 8球阀密封环硬度进行了检测。检测结果(见表4)表明，由于材质、热处理等多方面原因，四台机密封环的硬度值与设计值的差异还是明显存在的。
序号 部件名称 材质 平均值 1 # 5上游活动环-1 SA182-93B F6NM 309 # 5上游活动环-2 305 # 5上游活动环-3 308 # 5上游活动环-4 309 2 # 5上游固定环N SA182-93B F316 299 # 5上游固定环M 334 # 5上游固定环L 306 # 5上游固定环R 309 3 # 8上游活动环-1 SA182-93B F6NM 296 # 8上游活动环-2 296 # 8上游活动环-3 296 # 8上游活动环-4 300 4 # 8上游固定环N SA182-93B F316 243 # 8上游固定环M 237 # 8上游固定环L 242 # 8上游固定环R 247 Table 4.
Measurement results of sealing ring hardness -
1)# 5球阀上游固定密封环的硬度测值达到299～334 HB，且大部分测点的硬度值均为300 HB左右；而上游活动密封环硬度测值则为305～309 HB，两者的硬度值相近，甚至相当一部分区域活动环密封面的硬度还低于固定环。因此，# 5球阀上游固定密封环的密封面基本完好，极少坑点、汽蚀的现象。
2)# 8球阀的上游固定密封环硬度测值达到237～247 HB，而其上游活动密封环硬度测值为296～300 HB，活动密封环硬度比固定密封环高了将近60 HB，这就使得其固定环密封面呈现多处较深凹坑及较多的磨损痕迹。
3)其他机组硬度较高的上、下游活动密封环均未出现“凹坑和磨损”，也是明显的例证。
2.1 球阀主密封设计
2.2 运行及检修情况
2.3 密封副硬度测量结果
2.4 密封环损伤与密封副硬度匹配探析
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哈电设计制造的仙居电站球阀在进行密封泄漏试验后拆除检查时发现，上游侧和下游侧固定密封环均在局部出现两条压痕，随后试验发现压痕宽度有增加的现象，如图4所示。
Figure 4. Upstream fixed sealing rings
仙居电站球阀活动密封环采用的ZG0Cr 13 Ni5Mo硬度通常大于300 HB，而固定密封采用的锻钢1Cr13硬度通常小于200 HB，两者的硬度差大于100 HB，其固定密封环的压痕形成源于其硬度过低是极有可能的，而这也可能是导致球阀检修密封泄漏量偏大的主要原因之一。
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广蓄一期进水球阀由法国ALSTOM设计制造，从表1可以看到，其活动密封环和固定密封环硬度值是极为相近。自上个世纪九十年代投运至今，球阀上下游密封一直正常，未出现明显故障或损坏。
同为ALSTOM设计制造的惠蓄进水阀，其用不锈钢材料制造的活动密封环的硬度要求比固定密封环低35 HB，自2008年开始投运至今，球阀上下游密封一直正常，未出现明显故障或损坏。
3.1 仙居电站球阀密封的事故分析
3.2 ALSTOM设计制造的球阀密封
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1)球阀上下游密封这样的静密封副与阀门的“阀体和阀瓣密封面”、转轮的转动迷宫环与固定迷宫环或导叶端部与之相应的抗磨板等那样的摩擦副或动密封副显然是有区别的，因此相关摩擦副或动密封副的规定套用于进水球阀上、下游密封这样的静密封副球阀显然是不尽合适的。
2)广蓄二期球阀的运行经验表明：密封面的损伤与其硬度差密切相关，即固定密封环与活动密封环硬度接近时，密封面基本没有损伤或损伤程度很小；固定密封环硬度低于活动密封环硬度且差值比较大时，其密封面损伤的程度也相对较大。
3)ALSTOM设计制造的球阀如惠蓄电站，明确要求固定密封环的硬度比活动密封环高35 HB，多年以来运行一直都很正常。而广蓄一期电站球阀上下游密封副又几乎没有硬度差，也能长期稳定运行。这也是说明固定密封环硬度不宜低于活动密封环，或者说两者硬度差不宜设置过大。
4)对于球阀上下游密封这样的静密封副是否设置硬度差是值得商榷的。我们认为适当控制两者硬度差的幅值或建议控制在±35 HB范围内是可行的，球阀厂商在设计制造时应审慎考虑。
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