黃河河口水電站機(jī)組主軸密封裝置運(yùn)行磨損問題探討

唐錄山

（甘肅電投炳靈水電開發(fā)有限責(zé)任公司，甘肅 永靖 731600）

黃河河口水電站機(jī)組主軸密封裝置運(yùn)行磨損問題探討

唐錄山

（甘肅電投炳靈水電開發(fā)有限責(zé)任公司，甘肅 永靖 731600）

簡(jiǎn)述了河口水電站機(jī)組主軸密封裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)行檢修情況。針對(duì)長(zhǎng)期困擾機(jī)組安全可靠運(yùn)行的主軸密封裝置運(yùn)行磨損嚴(yán)重的問題，從設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行等方面進(jìn)行了分析及探討，采取了應(yīng)對(duì)措施并取得實(shí)際效果。

河口水電站；主軸密封；運(yùn)行磨損；分析；應(yīng)對(duì)措施；效果

1 電站簡(jiǎn)介

河口水電站是位于蘭州市西郊黃河干流上的一座中型河床式水電站，安裝了4臺(tái)由天發(fā)重型水電設(shè)備制造有限公司設(shè)計(jì)制造的三葉片燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑7.2 m，單機(jī)容量18.5 MW，設(shè)計(jì)額定水頭5.3 m，單機(jī)額定流量400 m3/s，電站正常蓄水位1 558.0 m。電站泥沙特性如下：

多年平均含沙量：1.97 kg/m3

多年平均推移質(zhì)輸沙量：12.9萬t

汛期平均含沙量：3.69 kg/m3

懸移質(zhì)平均粒徑：dcp=0.033 mm

實(shí)測(cè)河道最大含沙量：3.06 kg/m3

中值粒徑：d50=0.021 mm

2 主軸密封裝置結(jié)構(gòu)和工作過程介紹

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中，流道中的水會(huì)沿著主軸轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件之間的間隙流至燈泡體機(jī)艙內(nèi)并竄入水導(dǎo)軸承。故需要設(shè)置主軸密封裝置，以阻止流道中的水進(jìn)入機(jī)艙里。主軸密封分停機(jī)狀態(tài)密封（俗稱檢修密封）和運(yùn)行狀態(tài)密封（俗稱工作密封）。河口水電站機(jī)組主軸密封裝置局部結(jié)構(gòu)見圖1。

電站機(jī)組的檢修密封采用了橡膠空氣圍帶式結(jié)構(gòu)，用以在停機(jī)狀態(tài)或檢修工作密封時(shí)，向圍帶內(nèi)通入0.7 MPa的壓縮空氣使圍帶橡皮膨脹擴(kuò)張，緊密填充住轉(zhuǎn)動(dòng)支架與固定支架之間的徑向間隙，從而可靠地止住間隙漏水。在機(jī)組啟機(jī)工作密封投運(yùn)后，排出空氣圍帶里的空氣，使其收縮并確?？諝鈬鷰c轉(zhuǎn)動(dòng)支架之間1.5～2 mm的徑向間隙，避免在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生碰磨。

圖1 主軸密封局部機(jī)構(gòu)圖

因電站位于泥沙含量高的黃河干流上，為了解決多泥沙電站容易出現(xiàn)的機(jī)組密封件嚴(yán)重磨損、壽命短、密封性能不可靠等問題，機(jī)組工作密封采用了在進(jìn)口處裝設(shè)可以與主軸隨動(dòng)從而減少磨損的具有迷宮環(huán)分半結(jié)構(gòu)的賽斯德爾密封圈（填料密封）。它與固定在主軸法蘭面上的轉(zhuǎn)動(dòng)支架形成1道間隙密封，起到降低密封水壓力，且防止泥沙進(jìn)入的作用。其后為2道“L”型密封和平板橡膠密封。密封裝置的固定部分把合在燈泡體內(nèi)導(dǎo)流錐體上，空氣圍帶密封、密封圈、2道“L”型密封及平板橡膠密封的壓蓋均順序安裝在固定支架上，這些密封件依次排列與把合在主軸法蘭面上的轉(zhuǎn)動(dòng)支架組成1道檢修密封和4道工作密封及A、B兩個(gè)密封壓力水腔的組合結(jié)構(gòu)。兩個(gè)密封水腔單獨(dú)通入壓力為0.1～0.2 MPa的清潔水，與“L”型密封共同作用形成反壓，阻止流道中含泥沙的水進(jìn)入A、B密封水腔，同時(shí)在“L”型密封與轉(zhuǎn)動(dòng)支架間形成潤(rùn)滑水膜防止出現(xiàn)干摩擦。在通入B密封水腔清潔水壓的作用下，將裝在轉(zhuǎn)動(dòng)支架上的平板橡膠與裝在固定支架上的壓蓋抗磨環(huán)壓緊組成最外側(cè)密封。當(dāng)橡膠平板磨損后，可通過其壓蓋上的調(diào)節(jié)螺釘，調(diào)整平板密封的間隙進(jìn)行補(bǔ)償來保持密封作用。運(yùn)行中調(diào)整程度以平板橡膠密封有少量漏水為宜，其漏水通過集漏水箱經(jīng)排水管排出機(jī)艙。

3 主軸密封運(yùn)行狀況和檢修改造情況

電站先期投產(chǎn)發(fā)電的3、4號(hào)機(jī)組不到半年時(shí)間，主軸密封裝置先后出現(xiàn)漏水嚴(yán)重的現(xiàn)象，經(jīng)采用調(diào)整橡膠平板密封間隙，在主軸加裝防漏水竄入軸承的特制橡膠圈和擋水板等措施維持運(yùn)行。隨后堅(jiān)持不到2個(gè)月，4號(hào)機(jī)組因主軸密封處嚴(yán)重漏水排不及，致使漏水竄入水導(dǎo)軸承的現(xiàn)象，被迫停機(jī)檢修。對(duì)4號(hào)機(jī)主軸密封裝置解體檢查發(fā)現(xiàn)以下問題：

問題一：裝在固定支架上的厚15 mm的壓蓋抗磨環(huán)與橡膠平板密封相接觸工作面磨損嚴(yán)重，部分弧段已被磨穿，平板橡膠工作部分已全部磨損，基本起不到封水作用。

問題二：兩道“L”型密封及賽斯德爾抗泥沙密封圈與轉(zhuǎn)動(dòng)支架接觸部位磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)動(dòng)支架光滑表面沿圓周方向被磨出3條寬約20 mm、深約5 mm的溝槽，尤其是在抗泥沙密封圈部位處的溝槽更深，而賽斯德爾材質(zhì)的抗泥沙密封圈也被整體磨損1/2厚度，2道聚氨酯材料的“L”型密封圈磨損變形。

經(jīng)過和設(shè)備生產(chǎn)廠家人員分析研究后，對(duì)4號(hào)機(jī)組主軸密封裝置進(jìn)行了以下優(yōu)化處理：

（1）為了減輕材質(zhì)過硬的賽斯德爾密封圈對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)支架表面的磨損，將其更換為耐磨性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、材質(zhì)較軟的GFO纖維編織盤根密封。

（2）為了使轉(zhuǎn)動(dòng)支架結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中受力不變形，具有足夠的剛度和強(qiáng)度，保證密封效果，廠家加工制造的新的轉(zhuǎn)動(dòng)支架在靠平板橡膠密封端內(nèi)側(cè)增加一個(gè)法蘭面，同時(shí)加寬轉(zhuǎn)動(dòng)支架內(nèi)側(cè)的筋板尺寸，并對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)支架與主軸法蘭面的定位銷進(jìn)行了優(yōu)化。

（3）全部更換安裝新的“L“型密封材料，安裝時(shí)通過修磨”L“型密封材料，確保其與轉(zhuǎn)動(dòng)支架的間隙小于0.05 mm。

（4）廠家將原來整圈套裝在固定支架上的壓蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)分成兩半加工，以便現(xiàn)場(chǎng)裝配，并對(duì)平板橡膠密封的安裝固定進(jìn)行了優(yōu)化，以保證裝配牢固和密封嚴(yán)密性。

優(yōu)化處理后投運(yùn)4號(hào)機(jī)組，觀察主軸密封運(yùn)行狀況正常。隨后電站相繼對(duì)主軸密封漏水發(fā)展擴(kuò)散被迫停運(yùn)的其他3臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了解體檢修，發(fā)現(xiàn)各機(jī)組主軸密封部件和密封材料磨損情況與4號(hào)機(jī)組相同，便采取以上檢修優(yōu)化方案進(jìn)行了處理，各機(jī)組投運(yùn)后主軸密封運(yùn)行初期狀況正常。但好景不長(zhǎng)，經(jīng)過一個(gè)黃河汛期，4臺(tái)機(jī)組主軸密封漏水又逐漸增大，相繼再次被迫停機(jī)檢修……，經(jīng)統(tǒng)計(jì)電站投運(yùn)3年多，4臺(tái)機(jī)組因主軸密封漏水問題輪番被迫停機(jī)檢修都達(dá)到3次，其中4號(hào)機(jī)組已達(dá)5次之多，嚴(yán)重影響電站的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，并增加了檢修維護(hù)工作量和材料損耗。

4 對(duì)主軸密封裝置運(yùn)行磨損的分析

通過對(duì)機(jī)組的運(yùn)行觀察，根據(jù)各機(jī)組多次實(shí)施檢修處理的實(shí)際情況，結(jié)合廠家對(duì)此類型主軸密封裝置的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和工作原理，分析如下：

4.1 泥沙侵入

從運(yùn)行監(jiān)視和各機(jī)組主軸密封部件材料磨損痕跡看，沒有發(fā)生金屬部件之間的機(jī)械擦磨現(xiàn)象。是不是運(yùn)行中密封水腔出現(xiàn)清潔水中斷，造成密封材料與轉(zhuǎn)動(dòng)支架之間發(fā)生干性摩擦所致？若如此，運(yùn)行中主軸密封處應(yīng)出現(xiàn)發(fā)熱冒煙的跡象，但未出現(xiàn)。況且密封材料的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于金屬部件的熔點(diǎn)，其在對(duì)金屬部件（壓蓋和轉(zhuǎn)動(dòng)支架表面）造成損傷前即已熔化了，換句話說即使發(fā)生干性摩擦，也只會(huì)損壞密封材料，而壓蓋抗磨環(huán)和轉(zhuǎn)動(dòng)支架等金屬部件是不會(huì)受到磨損的。從各機(jī)組解體檢查發(fā)現(xiàn)主軸密封集漏水箱底部和導(dǎo)流錐下殼體內(nèi)淤積有大量泥沙，且金屬壓蓋被平板橡膠密封磨穿，可以判斷機(jī)組運(yùn)行過程中攜帶大量泥沙的流道黃河水侵入了主軸密封系統(tǒng)，從而造成主軸密封裝置磨損。經(jīng)過運(yùn)行觀察分析，總結(jié)泥沙侵入主軸密封系統(tǒng)有兩種情況：

情況一：運(yùn)行中主軸密封A腔和B腔水室沒有可靠形成規(guī)定的0.1～0.2 MPa的清潔密封水壓。A、B腔清潔潤(rùn)滑水是從裝設(shè)在1 553.5 m層，具有調(diào)節(jié)、過濾功能的主軸密封供水控制單元后分別引出的，設(shè)計(jì)上僅在控制單元總管上接有一壓力表，其后再無壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在運(yùn)行中無法監(jiān)測(cè)和調(diào)整安裝在1 542.4 m的A腔和B腔清潔密封水壓力。機(jī)組運(yùn)行中如工況變化，運(yùn)行調(diào)整不及時(shí)或操作不當(dāng)，以及主軸密封潤(rùn)滑供水管路堵塞等，將使主軸密封潤(rùn)滑水中斷或長(zhǎng)期低于規(guī)定值。那么，流道內(nèi)含泥沙的河水在約0.1 MPa的靜壓力下（尾水水位和機(jī)組安裝高度差約10 m）可通過徑向間隙進(jìn)入主軸密封系統(tǒng)，將密封材料與轉(zhuǎn)動(dòng)支架之間的潤(rùn)滑效果惡化為泥沙磨損。這種情況在河水?dāng)y帶大量泥沙的汛期將會(huì)更加突出。

情況二：機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)啟、停機(jī)流程順序設(shè)定有缺陷。檢查機(jī)組監(jiān)控流程動(dòng)作情況發(fā)現(xiàn)，開機(jī)流程中先退出空氣圍帶密封，經(jīng)10～20 s延時(shí)后方才開啟主軸密封供水電動(dòng)蝶閥向A、B腔供給清潔密封水，隨后開導(dǎo)葉沖動(dòng)轉(zhuǎn)子啟機(jī)；在停機(jī)流程中機(jī)組轉(zhuǎn)速到零，先關(guān)閉主軸密封供水電動(dòng)蝶閥，再經(jīng)2 min后才投入空氣圍帶密封。這樣，在每次機(jī)組啟、停過程中都將分別有10～20 s和超過2 min的時(shí)間，A、B腔的清潔密封水中斷，而此時(shí)檢修空氣圍帶還未投入。這時(shí)流道含泥沙河水在約0.1 MPa的靜壓力下大量竄入密封系統(tǒng)，從而破壞了密封系統(tǒng)的潔凈，在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)后造成密封磨損，并且在汛期河水混濁時(shí)期影響更嚴(yán)重。

泥沙侵入過程：機(jī)組運(yùn)行中，挾帶大量泥沙的流道水，首先從20 mm寬的轉(zhuǎn)輪體與導(dǎo)流錐動(dòng)靜間隙進(jìn)入，通過已退出工作狀態(tài)的空氣圍帶與轉(zhuǎn)動(dòng)支架之間的間隙進(jìn)入GFO纖維編織盤根（初次安裝賽斯德爾），泥沙嵌入盤根體，磨損與轉(zhuǎn)動(dòng)支架的接觸面，隨其發(fā)展，造成纖維編織盤根與轉(zhuǎn)動(dòng)支架之間間隙增大。若清潔水壓力過低或中斷，將使泥沙侵入第一道“L”型密封與轉(zhuǎn)動(dòng)支架接觸面，逐漸磨損使間隙擴(kuò)大，致使更大量的泥沙水進(jìn)入A腔，污染了A腔，并入侵第二道“L”型密封，直至污染了B腔，泥沙水進(jìn)入B腔后將嵌入平板橡膠密封與抗磨環(huán)接觸面之間，形成泥沙磨損，很快破壞了抗磨環(huán)和橡膠平板，至此主軸密封處漏水量逐漸增大，并隨以上各個(gè)部位磨損的發(fā)展不斷增大，惡性循環(huán)，其發(fā)展速度與河水含泥沙量多少成遞增關(guān)系。

4.2 設(shè)計(jì)安裝方面

河口水電站機(jī)組主軸密封是設(shè)備廠家針對(duì)多泥沙電站推出的新型優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)，具有不設(shè)聯(lián)軸螺栓保護(hù)罩、磨損可補(bǔ)償功能及抗泥沙磨損性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但裝設(shè)轉(zhuǎn)動(dòng)支架較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)增大了密封工作面的半徑，雖然后期在轉(zhuǎn)動(dòng)支架懸空側(cè)增設(shè)法蘭面以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，防止運(yùn)行中受力變形，可在加工安裝中難免存在轉(zhuǎn)動(dòng)支架安裝與主軸不同心，固定支架安裝與轉(zhuǎn)動(dòng)支架不同心，相應(yīng)的密封環(huán)Ⅰ、Ⅱ與轉(zhuǎn)動(dòng)支架也不同心的情況。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)中轉(zhuǎn)動(dòng)支架擺度過大，其與“L”型密封之間的摩擦力隨轉(zhuǎn)動(dòng)頻率間歇性增減，自身交變受力增加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)支架把合螺栓受力超限損壞，在系統(tǒng)侵入泥沙時(shí)造成轉(zhuǎn)動(dòng)支架磨損嚴(yán)重，破壞密封效果。4號(hào)機(jī)組后期檢修就發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)支架把合螺栓部分?jǐn)嗔?，造成轉(zhuǎn)動(dòng)支架與主軸法蘭面松脫，該處大量漏水的危險(xiǎn)情況。后經(jīng)檢查分析是因?qū)Я麇F與前錐體法蘭連接下沉移位，致使轉(zhuǎn)動(dòng)支架與固定支架嚴(yán)重不同心，轉(zhuǎn)動(dòng)中發(fā)生圓周面碰磨，并使多次拆裝的把合螺栓因疲勞損傷而斷裂。

4.3 運(yùn)行方面

因主軸密封供水系統(tǒng)出現(xiàn)異常及運(yùn)行人員調(diào)整失誤等造成主軸密封供水不正常，或機(jī)組長(zhǎng)期在不穩(wěn)定工況運(yùn)行，振動(dòng)、擺度值超標(biāo)，致使轉(zhuǎn)動(dòng)支架擺度過大從而損傷密封裝置。

5 采取的措施

針對(duì)以上分析，我們制定了“守住第一道防線”原則的主軸密封處理方案，即把攜帶泥沙的流道水一定要阻擋在賽斯德爾密封圈（后改用纖維編織盤根）之前。具體措施如下：

（1）改進(jìn)和完善了監(jiān)控系統(tǒng)啟、停機(jī)流程順序步驟。在開機(jī)流程中設(shè)置為先開啟主軸密封供水電動(dòng)蝶閥，并經(jīng)延時(shí)確保A、B腔已通水建壓后再撤出空氣圍帶密封，待確定空氣圍帶密封撤出后再開啟導(dǎo)葉沖動(dòng)轉(zhuǎn)子啟機(jī)；在停機(jī)流程中設(shè)置為機(jī)組轉(zhuǎn)速到零后，先投入空氣圍帶密封正常，然后再關(guān)閉主軸密封供水電動(dòng)蝶閥。

（2）對(duì)機(jī)組主軸密封供水管路進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，在機(jī)艙內(nèi)連接A、B密封腔的供水管段上增設(shè)控制調(diào)節(jié)閥，并分別裝設(shè)顯示A、B密封腔內(nèi)水壓的精密壓力表計(jì)，以利于運(yùn)行中監(jiān)視和調(diào)整A、B腔內(nèi)清潔水壓在規(guī)定范圍內(nèi)，且維持A腔壓力略大于B腔壓力運(yùn)行，保證良好的密封效果。

（3）在機(jī)組檢修裝配轉(zhuǎn)動(dòng)支架和固定支架時(shí)，對(duì)其與主軸的同心度進(jìn)行精確檢測(cè)調(diào)整，修磨和改進(jìn)“L”型密封形狀，并確保裝配后與轉(zhuǎn)動(dòng)支架的同心度，接觸面松緊合適。調(diào)整好橡膠平板密封的壓緊量，使其與壓蓋抗磨環(huán)面的間隙達(dá)到設(shè)計(jì)要求（0.5～1 mm）。按照設(shè)計(jì)圖紙要求，嚴(yán)格對(duì)裝配后各部件的同心度進(jìn)行調(diào)整并緊固定位。

（4）加強(qiáng)運(yùn)行管理。尤其在水質(zhì)渾濁的汛期，做好機(jī)組主軸密封清潔水系統(tǒng)的定期清污和維護(hù)，保證系統(tǒng)運(yùn)行壓力、流量正常穩(wěn)定，監(jiān)督主軸密封供水水質(zhì)清潔、管路通暢，監(jiān)視機(jī)組振動(dòng)、擺度值不超標(biāo)，確保機(jī)組在最優(yōu)工況運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

機(jī)組投運(yùn)以來主軸密封裝置磨損導(dǎo)致漏水嚴(yán)重的問題一直困擾著河口水電站。通過探討分析，采取改進(jìn)機(jī)組監(jiān)控流程和有針對(duì)性的提高檢修工藝，完善主軸密封系統(tǒng)并加強(qiáng)運(yùn)行管理，從近2年的運(yùn)行狀況看取得了理想的效果。在歷經(jīng)2個(gè)年度汛期后的各機(jī)組維護(hù)性檢修中，檢查主軸密封裝置磨損量輕微，機(jī)組運(yùn)行中密封裝置漏水量正常。就此機(jī)組能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)周期安全可靠運(yùn)行，并降低了設(shè)備檢修費(fèi)用。

[1]魏秀峰.河口水電站燈泡機(jī)組主軸密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[C]//水電站機(jī)電技術(shù)研討會(huì)論文集.蘭州：甘肅省水利發(fā)電工程學(xué)會(huì)，2010.

[2]劉國(guó)選.燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行與檢修[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.

TK730.3+25

B

1672-5387（2017）01-0012-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.003

2016-05-12

唐錄山（1974-），男，工程師，從事水力、火力發(fā)電廠設(shè)備運(yùn)行管理和安全技術(shù)管理工作。