太平江一級水電站3號水輪機抗磨環(huán)磨損分析及處理

包國強

（大唐（云南）水電聯(lián)合開發(fā)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650000）

太平江一級水電站3號水輪機抗磨環(huán)磨損分析及處理

包國強

（大唐（云南）水電聯(lián)合開發(fā)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650000）

摘要：水輪機主軸密封形式多樣，太平江一級水電站采用端面密封，轉(zhuǎn)環(huán)固定在主軸上，密封環(huán)安裝在檢修密封支撐蓋上部，利用密封水壓頂起密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)形成轉(zhuǎn)動水膜潤滑密封。3號機組檢修過程中發(fā)現(xiàn)，主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)磨損嚴(yán)重、不能繼續(xù)使用。在工期緊迫的情況下，采用變更加工工藝的加工方法。將原設(shè)計碳鋼與不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)環(huán)與抗磨環(huán)結(jié)構(gòu)，更改為不銹鋼整體加工，減少了焊接程序。有效的縮短加工工期，保證了大修如期完成。改造后設(shè)備運行正常。

關(guān)鍵詞：主軸密封轉(zhuǎn)換；磨損；分析；更換；處理措施

1　簡介

太平江一級水電站位于緬甸東北克欽邦（Kachin）境內(nèi)緊鄰中緬邊境的Dapein江上，工程區(qū)上游為中國云南省德宏傣族景頗族自治州盈江縣。壩址所在地距中緬第37號界樁約2.5 km。工程區(qū)距盈江縣城、瑞麗、芒市、昆明市、八莫的公路距離分別是90 km、170 km、241 km、876 km、60 km。水庫正常蓄水位253.00m，死水位250.00m。電站為引水式電站，主體建筑物包括：首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐，壩址控制流域面積6 010 km2，裝機4×60MW，立軸懸吊式水輪發(fā)電機組。設(shè)計多年平均發(fā)電量10.7億kW·h，4臺機組于2010年12月31日全部投產(chǎn)發(fā)電。工程規(guī)模為中型，工程等別為Ⅲ等。本工程的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為單一開發(fā)目標(biāo)，所發(fā)電量8%送往緬甸八莫市，其余92%送回中國境內(nèi)。

2　事故過程

3號機組大修過程中，拆除水輪機主軸密封后，發(fā)現(xiàn)主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)抗磨板及主軸密封條均磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)磨損寬度12mm，深度4mm,密封環(huán)深度8mm，寬度均整體（見圖1）。

主軸密封拆除施工嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)工序進行，拆除前檢查轉(zhuǎn)環(huán)把合螺栓、轉(zhuǎn)環(huán)定位螺栓緊固，無缺損及松動現(xiàn)象；主軸密封導(dǎo)向銷正常無松動，據(jù)此，初步排除了外力的作用，即金屬相互摩擦引起磨損的可能性。

圖1　磨損嚴(yán)重的抗磨環(huán)

通過設(shè)計圖紙以及和生產(chǎn)廠家核對，轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)材料為H00Gr18Ni14Mo2不銹鋼，密封條為聚氟乙烯塑性材質(zhì)。后兩者材料不論硬度和強度、抗磨能力，均小于主軸密封抗磨環(huán)材質(zhì)。理論上不會引起主軸密封抗磨環(huán)磨損。

3　磨損原因分析

3.1主軸密封結(jié)構(gòu)

正常運行時，通過機組技術(shù)供水向主軸密封內(nèi)通水，水壓約0.2MPa，壓力水通過密封環(huán)上均勻分布的8個水孔進入主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)集水槽。水壓受阻使密封條反浮向下，密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)形成水膜。

3.2原因分析

根據(jù)主軸密封結(jié)構(gòu)形式，分析原因如下：

（1）主軸密封條內(nèi)、外均有兩圈盤根，原設(shè)計盤根直徑為6mm，由于加工原因，盤根實際直徑為6.5mm，密封環(huán)安裝間隙比設(shè)計偏小，導(dǎo)致密封環(huán)不能上下自由浮動。

（2）機組轉(zhuǎn)動過程由于主軸密封供水管密封環(huán)水孔堵塞，導(dǎo)致密封環(huán)沒有上下浮動，造成密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)長時間干摩擦。

（3）由于來水泥沙含量較大，夾雜著泥沙的水流進入轉(zhuǎn)環(huán)與密封環(huán)間間隙，長時間運行造成磨損。

（4）轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)原有的分段凹形集水槽局部磨損，導(dǎo)致分段集水槽磨平，使得主軸潤滑密封水無法形成有效水膜。轉(zhuǎn)環(huán)與密封環(huán)接觸后形成真空，進而導(dǎo)致二者干摩擦。

（5）主軸補氣閥調(diào)整彈簧過緊（實驗測試需1 570 N作用力才能開啟），從而不能有效對頂蓋補氣，轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋間空間長期處于負(fù)壓狀態(tài)，導(dǎo)致密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)干磨。

以上五種狀況都會導(dǎo)致抗磨環(huán)與密封嚴(yán)重磨損，最終出現(xiàn)相互鑲貼的、具有一定規(guī)則的凹凸面。

針對上述分析，為了避免磨損情況再次發(fā)生，需要加強主軸密封水過濾器的維護，從而改善密封水水質(zhì)，此外，還需調(diào)整主軸補氣閥動作值。

4　修復(fù)方案

對3號機組損壞的主軸密封的修復(fù)工作，存在2種方案：

①按照原設(shè)計，主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)與抗磨環(huán)由不同材料制作，經(jīng)焊接連接。

②主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)與抗磨環(huán)使用同一材料整體加工。

主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)與水輪機主軸通過緊配方式安裝，間隙為0.02～0.06mm，如果不采取措施隨意補焊抗磨環(huán)，會導(dǎo)致其焊接變形，影響轉(zhuǎn)環(huán)安裝尺寸。

主軸密封裝配如圖2所示。

（1）如圖2所示，區(qū)域1和區(qū)域2按照設(shè)計圖紙采用的是焊接結(jié)構(gòu)。尤其對于區(qū)域2，因焊縫狹小根部不能滿焊，廠家反饋我廠在設(shè)備制造過程中，曾經(jīng)因焊接變型等原因?qū)е略摬课患庸び嗔坎蛔愫缚p裸露，最終報廢一臺后重做。

（2）對于區(qū)域4，該部位尺寸是與主軸實際尺寸配車，以保證加工精度。此次如對3號轉(zhuǎn)環(huán)只更換抗磨板，在區(qū)域2的焊接過程中會導(dǎo)致區(qū)域4內(nèi)孔收縮變型。從而使得該部位局部加工余量不足，工藝上考慮會對余量不足部分進行補焊再加工，同樣能夠達到裝配尺寸的要求。

（3）無論是重新按原設(shè)計圖紙進行制作，還是對現(xiàn)有轉(zhuǎn)環(huán)進行更換抗磨板，制作周期基本上都需要45 d左右。這2種方案生產(chǎn)廠家都能進行，但是根據(jù)我廠的進度要求，我廠與生產(chǎn)廠家都不能按時完成。為了縮短制作周期，保證轉(zhuǎn)環(huán)各尺寸要求、裝配要求及抗磨性。從技術(shù)角度與工藝角度分析，對于區(qū)域3部分用整塊不銹鋼板整體加工而成。由此可取消區(qū)域1和區(qū)域的焊接工作，并能有效控制其它部位的焊接變型，各尺寸的加工精度更能得到保證，由此可大大縮短制作周期，并基本能保證在大修工期內(nèi)15d供貨的要求。

通過技術(shù)及工藝角度分析，可以改變工藝方法，將轉(zhuǎn)環(huán)用整塊1Cr18Ni9Ti或者0Cr18Ni9鋼板加合縫板進行整體加工，最終決定利用0Cr18Ni9鋼板（如圖3、圖4所示）焊接部位取消，采用整體加工。

圖2　主軸密封裝配圖

圖3　轉(zhuǎn)環(huán)與抗磨換裝配

圖4　取消抗磨換與轉(zhuǎn)環(huán)焊接面采用整體加工

5　主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)新加工的優(yōu)越性

（1）縮短了加工工期。按照原設(shè)計方案整個加工工期達45 d，新工藝只需要15 d。

（2）避免焊接變形。采用0Cr18Ni9鋼板直接加工避免混合材質(zhì)焊接引起的變形而導(dǎo)致報廢。

（3）工藝新穎、技術(shù)先進。由于轉(zhuǎn)環(huán)不受較大外力的作用，不存在剛性和硬度的過高要求，0Cr18Ni9鋼板完全可以滿足技術(shù)要求，且具有以下優(yōu)點：

a）減小汽蝕，延長使用壽命：主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)與主軸緊密配合，原碳鋼材質(zhì)是主要考慮了材料的剛度和硬度，忽視了潮濕部位的銹蝕、汽蝕因素，大大影響了轉(zhuǎn)環(huán)使用壽命。全部采用0Cr18Ni9鋼板整體加工減小了銹蝕和汽蝕，延長了設(shè)備使用壽命。

b）易于安裝：0Cr18Ni9材質(zhì)較輕，狹小部位便于安裝，緊密配合安裝容易拉伸。

（4）經(jīng)濟效益較優(yōu)。原工藝無論是補焊處理還是重新加工都耗時過長，滿足不了工期要求，延長了機組檢修周期，影響機組發(fā)電并網(wǎng)。新工藝工期短能滿足檢修工期要求，從整體檢修工期的角度上來看節(jié)省了費用。

（5）質(zhì)量可靠、便于推廣。安裝完成后整體試驗表明轉(zhuǎn)環(huán)與主軸的配合間隙滿足要求，機組運行穩(wěn)定。由于0Cr18Ni9材質(zhì)柔性較好便于調(diào)整加工公差，尤其適用于緊密配合部件裝配，便于推廣應(yīng)用。

6　安裝及水壓試驗

安裝及試驗過程：

（1）預(yù)裝情況：分半轉(zhuǎn)環(huán)通過螺栓連接，利用力矩扳手調(diào)整組合螺栓預(yù)緊力為280N·m。測量轉(zhuǎn)環(huán)X、Y方向直徑分別為：DX=793.03mm，DY=793.02mm，符合設(shè)計及安裝要求（主軸直徑793mm)。測量抗磨環(huán)X、Y方向直徑分別為：DX=800.02mm，DY=800mm，符合設(shè)計與安裝要求(設(shè)計尺寸800mm)?？鼓キh(huán)厚度7mm，抗磨環(huán)寬度40mm；轉(zhuǎn)環(huán)放在加工精度6.3的鋼板上，使用0.03mm塞尺不能通過，表明加工精度符合要求。檢查水平度及垂直度符合要求，均勻分布的4支頂絲與主軸配車方位吻合。

（2）正式安裝：轉(zhuǎn)環(huán)在機組盤車結(jié)束后開始安裝。

a）轉(zhuǎn)環(huán)把合面涂L515密封膠。

b）轉(zhuǎn)環(huán)與主軸把合后利用280N·m力矩扳手檢查。頂絲扭緊后檢查轉(zhuǎn)環(huán)徑向、軸向無松動。

c）待主軸密封安裝完成后進行水壓試驗，主軸密封水壓0.2MPa，密封環(huán)抬升量符合要求，檢查密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)間隙均勻，過水均勻。密封水?dāng)嗔骱竺芊猸h(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)分離。反復(fù)試驗3次，均正常。

（3）安裝完成后軸向、徑向間隙符合設(shè)計要求，徑向偏差為10%,符合規(guī)范要求。密封環(huán)上下自由移動，與轉(zhuǎn)環(huán)密封面接觸良好，供水管路暢通。

7　結(jié)束語

隨著我國科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，水電領(lǐng)域的創(chuàng)新與改進也在迅速革新。水電廠主軸密封結(jié)構(gòu)形式多樣化，簡單、實用、檢修維護方便已是現(xiàn)代水輪發(fā)電機組水輪機部件選型的基本要求。每個水電站大修時間總工期總是確定的，在大修物資計劃中人們往往忽視非常規(guī)設(shè)備的備件問題，一但出現(xiàn)非常規(guī)設(shè)備損壞問題，一般會導(dǎo)致工期的延誤、造成經(jīng)濟損失。為了不影響工期、按時完成檢修任務(wù)。在大修物資準(zhǔn)備階段一定要注意非常規(guī)設(shè)備、零部件的計劃采購，以備不時之需。零部件材質(zhì)的選擇也非絕對必須符合設(shè)計圖紙，在技術(shù)、工藝滿足的條件下可以市場選擇。本文原主軸密封轉(zhuǎn)壞材質(zhì)為Q275與不銹鋼1Cr18Ni9Ti。此次3號機組大修為了不影響工期、采取加工轉(zhuǎn)環(huán)材質(zhì)全部為不銹鋼板1Cr18Ni9Ti。滿足技術(shù)及工藝要求的同時，工期的保證就是經(jīng)濟利益的保證，也符合效益導(dǎo)向、價值思維的觀念。

參考文獻：

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[3]DL/T 817-2002立式水輪發(fā)電機組檢修技術(shù)規(guī)程[S].

中圖分類號：TK730.8

文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）06-0054-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.015

收稿日期：2015-03-02

作者簡介：包國強（1985-），男，助理工程師，從事水電站機械檢修工作。