水輪機主軸密封故障分析及處理

王立宏

摘 要：水輪機主軸密封工作的可靠性及穩(wěn)定性至關(guān)重要，提高水輪機主軸密封的使用壽命既能減輕維護(hù)的工作量，又能保證水輪發(fā)電機組長期安全穩(wěn)定運行。通過優(yōu)化抗磨環(huán)填充材料、改進(jìn)密封塊結(jié)構(gòu)尺寸，整體提高了水輪機主軸密封工作的可靠性和穩(wěn)定性，延長了設(shè)備的使用壽命，為類似水輪機主軸密封的故障處理提供了參考。

關(guān)鍵詞：水輪機主軸;密封故障;分析處理

1水輪機主軸密封故障案例概述

某徑流式水電站安裝有4臺150MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，額定轉(zhuǎn)速66.7r/min、額定出力153.10MW、最大出力170.1MW，其主軸密封采用徑向彈簧自補償式結(jié)構(gòu)，密封塊為高分子聚合物耐腐蝕材料，采用水潤滑和水冷卻。主軸密封分為兩層，每層包含有6塊高分子密封塊、12根自補償預(yù)緊彈簧以及對應(yīng)的密封支架。該電站的主軸密封在水輪發(fā)電機組投產(chǎn)初期就出現(xiàn)以下兩方面的問題：一是密封塊磨損嚴(yán)重，與合同中至少運行40000h而不用更換的技術(shù)指標(biāo)要求相差甚遠(yuǎn)，檢修維護(hù)量大;二是密封潤滑水流量低，頻繁出現(xiàn)流量低報警（原設(shè)計值為2.4m3/h），頻繁的報警信號影響運行人員監(jiān)盤，甚至影響開機流程。

1.1原因分析

在分解檢查主軸密封過程中，發(fā)現(xiàn)主軸密封塊的2個潤滑水通水孔及密封塊儲水槽內(nèi)堵塞了大量的雜物，導(dǎo)致了潤滑水供水通道堵塞;其次，發(fā)現(xiàn)與主軸密封塊配合使用的大軸抗磨環(huán)組合縫把合螺栓填充槽內(nèi)的填充材料出現(xiàn)局部缺塊、掉落現(xiàn)象根據(jù)對設(shè)備拆卸檢查情況以及對設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)解讀，對造成主軸密封潤滑水耗水量降低、密封塊頻繁磨損的故障情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。

1.2填充材料黏接性能不足

該水輪機主軸密封的抗磨環(huán)為4瓣把合組圓結(jié)構(gòu)，每條組合縫包含有5顆M20×55內(nèi)六角螺栓把合緊固（螺栓緊固力矩為150N.m）、2顆φ16h8×60的圓柱銷組裝定位，由于把合螺栓和定位銷釘均為楔形沉孔結(jié)構(gòu)，為保證抗磨環(huán)表面整體光滑，在楔形沉孔處采用了現(xiàn)場手工涂抹環(huán)氧材料進(jìn)行填充過渡。

由于填充的環(huán)氧材料為楔形結(jié)構(gòu)，其尾部與基體黏接填充的環(huán)氧材料厚度低，加上機組在旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生振擺，導(dǎo)致較薄的環(huán)氧填充材料極易開裂、脫落。脫落的塊狀環(huán)氧顆粒就一直夾雜在密封塊內(nèi)，在水輪發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)過程中，夾雜的顆粒持續(xù)刮擦密封塊和抗磨環(huán)，進(jìn)一步加劇了抗磨環(huán)上的環(huán)氧填充材料開裂、脫落，形成了惡性循環(huán)，導(dǎo)致抗磨環(huán)表面逐漸形成了肉眼可見凹凸不平的凹槽。同時，由于掉落的環(huán)氧顆粒形狀不規(guī)則、且相對于密封塊的硬度要高，旋轉(zhuǎn)過程中極易刮削密封塊工作面，導(dǎo)致密封塊的刮削物堵塞周向儲水槽和徑向通水孔。

1.3密封塊結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理

主軸密封塊為高分子聚合物耐腐蝕材料，其自身具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，原設(shè)計的密封塊厚度為30mm、儲水槽深度為10mm、2個徑向通水孔尺寸為φ5mm，而主軸密封支架間的安裝凈高距離為30.2mm，密封塊安裝在密封支架內(nèi)的浮動量僅0.2mm，泥沙或雜物進(jìn)入密封塊端部后，勢必會造成密封塊卡阻，造成密封塊與旋轉(zhuǎn)的抗磨環(huán)硬性接觸，一旦密封塊卡阻，將會形成密封塊與旋轉(zhuǎn)的抗磨環(huán)硬性接觸，加上抗磨環(huán)把合螺栓楔形槽內(nèi)填充的環(huán)氧材料易開裂、脫落，硬性擠壓又會加劇環(huán)氧填充材料的損壞。

1.4設(shè)備安裝考慮不周

對照主軸抗磨環(huán)和主軸密封結(jié)構(gòu)尺寸，由于水輪機大軸及其轉(zhuǎn)動部件的高度尺寸均固定，若合理調(diào)配水輪發(fā)電機組座環(huán)及下機架的安裝高程，能夠合理避開主軸密封塊與抗磨環(huán)把合螺栓楔形槽直接接觸，也能避免動靜結(jié)合部位磨損造成抗磨環(huán)楔形槽內(nèi)填充環(huán)氧材料的脫落。

2水輪機主軸密封故障處理策略

2.1優(yōu)化填充材料

由于抗磨環(huán)楔形沉孔尾部較薄的環(huán)氧填充材料極易開裂、脫落，根據(jù)楔形沉孔結(jié)構(gòu)，加工制作了與楔形沉孔匹配的不銹鋼堵塞替代環(huán)氧材料來進(jìn)行填充（堵塞加工制作圖見圖3），堵塞周向采用奧氏體焊絲進(jìn)行封焊處理，保證其固定的牢固性，焊后進(jìn)行PT探傷檢查，并將抗磨環(huán)磨損的凹槽整體打磨光滑，不允許出現(xiàn)凹凸點，堵塞外圓與抗磨環(huán)外圓尺寸一致。

2.2改進(jìn)密封塊結(jié)構(gòu)尺寸

原密封塊自身高度與主軸密封支架間的配合間隙僅0.2mm，雜物極易堆積造成密封塊卡阻，為提高主軸密封塊在運行過程中的浮動補償靈活性，將密封塊的高度尺寸由30mm調(diào)減至29.6mm，其密封塊的浮動間隙由0.2mm提高到了0.6mm;同時，為避免泥沙或雜物堆積在主軸密封內(nèi)造成密封塊卡阻，增大主軸密封清潔水過流通道，將原10mm深的密封塊儲水槽加深至15mm、將2個徑向通水孔尺寸由φ5mm擴(kuò)大至φ8mm，利用大流量的清潔水持續(xù)沖洗主軸密封，保證主軸密封長期處于靈活性的浮動性，避免密封塊與旋轉(zhuǎn)的抗磨環(huán)形成硬性接觸。

2.3調(diào)整主軸密封的安裝高度

根據(jù)水輪發(fā)電機組裝配圖分析，合理調(diào)配水輪發(fā)電機組座環(huán)及下機架的安裝高程，能夠避開主軸密封塊與抗磨環(huán)把合螺栓楔形槽直接接觸，但目前機組安裝已定位，調(diào)整下機架及座環(huán)的安裝高程已不現(xiàn)實，但可通過在主軸密封座上加墊或在支持蓋與導(dǎo)流錐把合面上加墊等方式進(jìn)行調(diào)高或調(diào)低主軸密封的安裝高度，此項工作涉及調(diào)整量大，且需要局部進(jìn)行大量的改進(jìn)方可實現(xiàn)，施工難度較大，一般在機組A修或新安裝機組可參考此措施。

2.4應(yīng)用效果

由于原主軸密封抗磨環(huán)組合螺栓楔形沉孔填充材料黏接性能不足以及密封塊結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、設(shè)備安裝考慮不周引起填充材料脫落、清潔水通道堵塞，導(dǎo)致機組在投產(chǎn)初期持續(xù)出現(xiàn)了密封塊頻繁磨損等故障，通過優(yōu)化抗磨環(huán)填充材料、改進(jìn)密封塊結(jié)構(gòu)尺寸后，經(jīng)過近1年的運行觀察，主軸密封潤滑水流量持續(xù)穩(wěn)定，對主軸密封進(jìn)行拆卸復(fù)查，主軸密封塊工作面完好如初，其儲水槽、通水孔內(nèi)也未見有雜物堵塞，頂蓋排水泵啟動間隔也長期穩(wěn)定在2h以上。

結(jié)束語

綜上所述，水輪機主軸密封的作用是在水輪機主軸和頂蓋之間保持一個水壓密封，防止轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的水沿著主軸與頂蓋之間的間隙進(jìn)入機坑，從而淹沒水導(dǎo)軸承，破壞水導(dǎo)軸承的正常工作，進(jìn)而影響機組的安全穩(wěn)定運行，而軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機因主軸密封布置在導(dǎo)流錐內(nèi)，其滲漏水無法通過機坑自留排水流出，完全依靠布置在導(dǎo)流錐內(nèi)的排水泵單獨抽水，一旦因主軸密封失效或故障，必將造成主軸密封大量漏水，可能出現(xiàn)淹沒水導(dǎo)軸承或水淹廠房的事故發(fā)生。故軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機主軸密封的可靠性及其穩(wěn)定性顯得尤為重要。

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