進(jìn)口燈泡貫流式水輪機(jī)工作密封陶瓷環(huán)國產(chǎn)化改造

孫小兵，劉康榮，曾雙來

（湖南省港航水利集團(tuán)有限公司大源渡航電樞紐分公司，湖南 衡東 421412）

1 概述

大源渡水電站位于湘江中游衡東縣境內(nèi)，為低水頭河床式電站，設(shè)計(jì)水頭7.2 m，裝機(jī)容量4×30 MW，該水電站于1995年10月開工，1999年實(shí)現(xiàn)4臺(tái)機(jī)組全面發(fā)電。大源渡水電站燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組由奧地利依林公司、奧鋼聯(lián)公司和德國蘇爾壽公司設(shè)計(jì)制造。

2 大源渡水電站主軸密封結(jié)構(gòu)及存在問題

2.1 主軸密封結(jié)構(gòu)

主軸密封裝置是水輪機(jī)的重要組成元件[1]，由工作密封和檢修密封兩部分組成。大源渡水電站工作密封為機(jī)械端面密封，由陶瓷密封環(huán)、V型橡膠密封圈、供水管等組成，結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 主軸密封結(jié)構(gòu)斷面示意圖

在燈泡貫流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，工作密封可以簡化為固定在大軸上的動(dòng)環(huán)和固定在導(dǎo)水錐上的靜環(huán)組合成的摩擦副，保持密封面的穩(wěn)定接觸用來封水，同時(shí)引入一定壓力的清潔水到密封面，形成液膜潤滑，避免干摩擦引起的摩擦副快速磨損，同時(shí)要有足夠的磨損補(bǔ)償余量，做到低泄流、長壽命，進(jìn)而有效保障水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

大源渡水電站工作密封靜環(huán)為兩半組裝而成，密封面采用氧化鋁陶瓷材質(zhì)，其優(yōu)點(diǎn)是硬度高，耐磨損，耐高溫，熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱性能好，耐腐蝕等，性能優(yōu)于鋼制密封環(huán)。動(dòng)環(huán)采用橡膠材質(zhì)的V型密封圈，具有壓縮量大，補(bǔ)償余量大，以及在水壓作用下有自密封趨勢(shì)等特點(diǎn)。V型密封圈由不銹鋼箍固定在鋼制調(diào)節(jié)環(huán)上，可用調(diào)節(jié)螺桿沿軸向調(diào)節(jié)V型密封壓縮量。運(yùn)行時(shí)V型橡膠密封與陶瓷環(huán)保持線接觸，并留有1.5~2 mm的壓縮余量，在保證密封效果的同時(shí)最大程度減小接觸面積。利用陶瓷的耐熱、耐磨、散熱性能好、光潔度好等特性以及河水的散熱和潤滑作用、及時(shí)將V型橡膠密封與陶瓷環(huán)摩擦產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走，在保證止水效果的同時(shí)使V型橡膠磨損在可控范圍內(nèi)。

檢修密封為充氣式的空氣圍帶，工作壓力為0.35 MPa，投入后可在流道不排水情況下對(duì)工作密封進(jìn)行檢修，以縮短檢修工期。

2.2 存在問題

大源渡水電站水輪機(jī)主軸密封組件由于多次檢修拆裝，加上運(yùn)行時(shí)河水中的泥沙顆粒及懸浮雜質(zhì)磨損，主軸運(yùn)行過程中的振動(dòng)，陶瓷環(huán)與V型橡膠密封圈固定環(huán)間隙調(diào)整不均、磨損或碰撞等多重因素，除V型橡膠密封圈屬正常磨損外，工作密封陶瓷環(huán)中的陶瓷塊多處損壞（見圖2），漏水嚴(yán)重，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，曾出現(xiàn)過機(jī)組因主軸密封漏水量大而被迫非計(jì)劃停機(jī)檢修現(xiàn)象。

圖2 陶瓷密封環(huán)損壞情況

3 主軸密封陶瓷環(huán)國產(chǎn)化改造方案

水輪機(jī)主軸密封陶瓷環(huán)屬易損配件，運(yùn)行過程中如出現(xiàn)損壞，主軸密封漏水會(huì)加大，造成燈泡體積水，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)水淹廠房事故。該備件進(jìn)口或國內(nèi)定制的采購價(jià)格都比較昂貴，且采購周期長，經(jīng)濟(jì)成本高且不能保證及時(shí)供貨，可能造成較大的間接經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)給水電站安全運(yùn)行帶來極大不確定性。

針對(duì)上述問題，電站決定對(duì)水輪機(jī)工作密封陶瓷環(huán)進(jìn)行國產(chǎn)化改造技術(shù)攻關(guān)。

3.1 采用三維CAD設(shè)計(jì)

針對(duì)陶瓷密封環(huán)的技術(shù)特性與機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，在無圖紙無尺寸的情況下，精確設(shè)計(jì)鑲嵌在密封環(huán)鐵質(zhì)底座中燕尾槽的耐磨陶瓷塊是關(guān)鍵。本次國產(chǎn)化改造采用三維CAD設(shè)計(jì)，優(yōu)化耐磨陶瓷塊數(shù)量、耐磨陶瓷塊的尺寸及4個(gè)面的前角、仰角、坡度角等，同時(shí)優(yōu)化耐磨陶瓷塊之間的間隙、平行度、對(duì)中性等，使之結(jié)構(gòu)流暢合理。

3.2 耐磨陶瓷的選用

考慮到水輪機(jī)密封陶瓷環(huán)的性能要求，耐磨陶瓷選用99.9%的氧化鋁陶瓷，它的特點(diǎn)是耐磨損、耐高溫、散熱性好、防腐蝕，具體性能如表1。

表1 99.5%氧化鋁陶瓷性能參數(shù)表

表2 Belzona1391T性能參數(shù)表

3.3 黏接劑的選用

選用英國貝爾佐納公司生產(chǎn)的Belzona1391T改性環(huán)氧高分子黏接劑，它與碳鋼、氧化鋁陶瓷都有卓越的黏接性能，且耐高溫160℃，不易老化，使用壽命可達(dá)15年以上，滿足水輪機(jī)密封陶瓷環(huán)性能要求。

4 主軸密封陶瓷環(huán)國產(chǎn)化改造技術(shù)要求和驗(yàn)收

（1）主軸密封陶瓷環(huán)國產(chǎn)化改造后的氧化鋁陶瓷，硬度和抗磨性與原裝進(jìn)口配件一致。

（2）國產(chǎn)化改造后氧化鋁陶瓷鑲嵌后黏接固化后強(qiáng)度不能低于原裝進(jìn)口配件，防止運(yùn)行中產(chǎn)生開裂、松動(dòng)。

（3）陶瓷環(huán)密封面的平整度，粗糙度滿足運(yùn)行需要，平整度不高于0.05 mm/m。粗糙度不大于Ra0.1 μm，接縫小于0.02 mm。

5 主軸密封陶瓷環(huán)國產(chǎn)化改造施工工藝

（1）根據(jù)三維CAD圖紙加工制作陶瓷塊。

（2）清除主軸密封陶瓷環(huán)底座中原鑲嵌的所有陶瓷塊，并使用有機(jī)溶劑去除原黏接劑。

（3）將清空陶瓷塊的鋼質(zhì)密封環(huán)底座表面進(jìn)行噴砂處理，去除殘余的黏接劑和表面銹跡，確保表面粗糙度≥75μm。

（4）將加工制作好的陶瓷塊鑲嵌在已噴砂好的密封環(huán)底座中，使用貝爾佐納1391T進(jìn)行黏接填充，要求黏接劑填充密實(shí)，無氣泡和中空情況。

（5）黏接劑徹底固結(jié)后，先處理分半組合部位，確保組裝后密封面的間隙達(dá)標(biāo)。再將密封環(huán)組裝后進(jìn)行整體修磨，使陶瓷環(huán)密封面的平整度、粗糙度滿足技術(shù)要求。

（6）主軸密封陶瓷環(huán)國產(chǎn)化改造后效果圖見圖3。

圖3 陶瓷環(huán)國產(chǎn)化改造后效果

6 結(jié)語

大源渡水電站燈泡貫流式水輪機(jī)工作密封陶瓷環(huán)國產(chǎn)化改造從2019年11月開始策劃并進(jìn)行改造，2020年9月在2號(hào)機(jī)組C級(jí)檢修中替換原陶瓷環(huán)并正式投入運(yùn)行，現(xiàn)已正常運(yùn)轉(zhuǎn)兩年半，未發(fā)現(xiàn)有任何問題。

大源渡水電站2號(hào)機(jī)工作密封陶瓷環(huán)國產(chǎn)化改造，其處理技術(shù)及工藝是成功的，達(dá)到了原裝進(jìn)口產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范的要求，提高了機(jī)組運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性和可用率，降低了設(shè)備的故障率，陶瓷環(huán)國產(chǎn)化改造的費(fèi)用僅為原裝進(jìn)口產(chǎn)品配件的四分之一，大大節(jié)省了費(fèi)用。工作密封陶瓷環(huán)國產(chǎn)化改造的成功為解決進(jìn)口燈泡貫流式水輪機(jī)工作密封類似問題提供有益的參考，也為國內(nèi)主機(jī)廠設(shè)計(jì)主軸密封結(jié)構(gòu)時(shí)提供了借鑒，在設(shè)計(jì)時(shí)還可進(jìn)行優(yōu)化以便于陶瓷塊損壞時(shí)更換。