迷宮環(huán)非接觸式水輪機(jī)工作密封異響故障分析與處理

何 毅，張代云，周曉航

（阿壩水電開發(fā)有限公司，四川 阿壩 623500）

1 引言

水輪機(jī)主軸工作密封主要作用是在水輪機(jī)運行中封住水輪機(jī)頂蓋與主軸間的漏水，從結(jié)構(gòu)上分為接觸式與非接觸式兩種形式，本文案例是迷宮環(huán)非接觸式工作密封，它由轉(zhuǎn)動的密封套（動環(huán)）和固定的密封體（靜環(huán)）組成，密封體上設(shè)有減壓迷宮，起到將滲漏水減壓作用；密封套材質(zhì)為不銹鋼，起保護(hù)主軸作用，在密封體上設(shè)有排水孔，將減壓后的滲漏水排至集水井中，防止水輪機(jī)水導(dǎo)軸承被淹。在主軸工作密封下方還設(shè)有檢修密封，其作用是水輪機(jī)在停機(jī)備用和機(jī)組檢修時封住漏水，阻止水流外溢，它由圍帶座、圍帶蓋組成，在機(jī)組停機(jī)時，圍帶充氣抱緊密封套以達(dá)到密封止水效果[1]。

2 背景

某站1號為立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)為懸式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軸承設(shè)置有上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑為3.32 m，額定轉(zhuǎn)速187.5 r/min，額定水頭為58.5 m，機(jī)組容量為40 MW，水輪機(jī)主軸為迷宮環(huán)非接觸式工作密封，水輪機(jī)主軸檢修密封為橡膠圍帶式密封，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上冠減壓裝置為泵板結(jié)構(gòu)。

某日機(jī)組由熱備用開機(jī)帶25%額定負(fù)荷，經(jīng)過1 h的機(jī)組運行，發(fā)現(xiàn)水車室有明顯撞擊異響和金屬摩擦所散發(fā)的刺鼻性氣味，通過對設(shè)備進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)主軸工作密封在+Y方向有火花飛濺。通過對機(jī)組振動擺度數(shù)據(jù)、水導(dǎo)軸承溫度、活動導(dǎo)葉剪斷銷、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等部位進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)軸承瓦溫和擺度數(shù)據(jù)出現(xiàn)少量的上漲，其余部件正常未發(fā)現(xiàn)異常。通過對水輪發(fā)電機(jī)組拆除檢查發(fā)現(xiàn)主軸密封迷宮環(huán)與抗磨環(huán)（動環(huán)）、檢修密封空氣圍帶及圍帶座、密封支撐座內(nèi)側(cè)與法蘭螺栓罩、密封支撐座外側(cè)與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪泵板垂直面等處有撞擊磨損痕跡。其中主軸密封迷宮環(huán)、密封支撐座、水輪機(jī)法蘭下護(hù)罩發(fā)生嚴(yán)重變形[2]。

3 原因分析

3.1 運行數(shù)據(jù)分析

通過查找機(jī)組運行曲線，機(jī)組運行時負(fù)荷為10 MW，機(jī)組的振動區(qū)間為20~30 MW，機(jī)組未在振動區(qū)間運行。查看機(jī)組運行時的水導(dǎo)處X方向和Y方向處的擺度大小，最大值為73 μm，其中水導(dǎo)瓦總間隙為0.34 mm，水輪機(jī)主軸工作密封單邊間隙為0.7 mm，水導(dǎo)處的擺度值均小于以上間隙。機(jī)組運行水導(dǎo)瓦溫為31℃；通過與機(jī)組同負(fù)荷同水頭下擺度和瓦溫歷史運行數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)：①水導(dǎo)Y方向和X方向擺度略微上漲，分別上漲28 μm和15 μm；②水導(dǎo)瓦溫有7℃的上漲，其余部位的振動、擺度、瓦溫數(shù)據(jù)均無明顯變化。

3.2 設(shè)備檢查分析

3.2.1 水導(dǎo)軸承檢查分析

該機(jī)組水導(dǎo)軸承采用分塊同心瓦、稀油潤滑，瓦面采用巴氏合金，由楔子板調(diào)整和傳遞軸瓦徑向力，軸瓦設(shè)計總間隙為0.34 mm，拆機(jī)檢查時復(fù)測檢查間隙分布如表1所示，可以從分布表中看出，最大單邊間隙在1號點為0.65 mm，最小單邊間隙在5號點為0 mm，最大總間隙在3~7方向上為0.68 mm，較設(shè)計間隙增大了0.34 mm；最小總間隙在4~8方向上為0.25 mm，檢查用于固定楔子板的螺栓和鎖定螺母均無松動，對所有瓦面外觀檢查發(fā)現(xiàn)1號、2號水導(dǎo)瓦面有局部磨損變黑的痕跡。

表1 水導(dǎo)瓦間隙分布表

3.2.2 工作密封檢查分析

主軸工作密封采用迷宮環(huán)非接觸式，采用分瓣拼接結(jié)構(gòu)，迷宮齒表面采用的巴氏合金材質(zhì)，使用螺栓緊固，主軸上密封套采用不銹鋼材質(zhì)，工作密封單邊設(shè)計間隙為0.7~0.9 mm，現(xiàn)場測量檢查工作密封間隙如表2所示，其中最小間隙在X方向上為0 mm，最大間隙為1 mm，在主要的三個方位上工作密封間隙遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)計間隙大小，檢查密封套內(nèi)表面，整個迷宮環(huán)呈現(xiàn)一側(cè)偏磨的現(xiàn)象，偏磨的主要方向發(fā)生在工作密封+Y方向和兩個的組合縫位置，其中局部磨損量達(dá)到2 mm；另一側(cè)未發(fā)生任何摩擦痕跡，此側(cè)的工作密封磨損與軸瓦發(fā)生受力方向一致[3]。

表2 工作密封間隙測量表

3.2.3 檢修密封檢查分析

水輪機(jī)檢修密封采用的橡膠材質(zhì)空心空氣圍帶密封，在未充氣狀態(tài)下，空氣圍帶保持有足夠距離間隙，保證主軸在正常旋轉(zhuǎn)過程中不與其發(fā)生接觸摩擦，防止在主軸的高速旋轉(zhuǎn)下摩擦發(fā)熱，導(dǎo)致空氣圍帶被燒。運行過程中檢查核實確認(rèn)水輪機(jī)主軸檢修密封空氣圍帶內(nèi)壓力監(jiān)視表盤無壓力，同時發(fā)生故障期間，水車室內(nèi)未觀察到橡膠灼燒產(chǎn)生濃煙。

拆除水輪機(jī)主軸檢修密封檢查，發(fā)現(xiàn)空氣圍帶與圍帶座接觸處存在被高溫灼燒的痕跡，在空氣圍帶內(nèi)側(cè)無新灼燒痕跡，而整個空氣圍帶座保持完好，無明顯被磨損痕跡。根據(jù)橡膠空氣圍帶的結(jié)構(gòu)可知，被燒部位因為其他部位摩擦產(chǎn)生高溫，熱量傳遞到空氣圍帶座，從而引起空氣圍帶與圍帶座間有被灼燒的痕跡。

3.2.4 密封支撐座檢查分析

密封支撐座是水輪機(jī)主軸密封的支撐基礎(chǔ)，通過定位銷釘和螺栓定位固定于水輪機(jī)頂蓋上方，支撐座分上、下環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中上環(huán)部分為主軸密封提供連接接口，下環(huán)部分為擋水環(huán)，阻擋水輪轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)滲出水流，引導(dǎo)水流回到水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪減壓裝置中，密封支撐座為整圓形結(jié)構(gòu)，其中上環(huán)部分單側(cè)配合間隙1.8~2.2 mm，下環(huán)部分單側(cè)配合間隙2.5 mm。

圖1 水輪機(jī)主軸密封圖

拆卸時檢查發(fā)現(xiàn)在密封支撐座擋水環(huán)外側(cè)，+Y方向與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪泵板立面存在明顯磨擦，其中磨削深度最大處達(dá)到2 mm，現(xiàn)場拆卸時發(fā)現(xiàn)密封支撐座存在嚴(yán)重變形，圓形結(jié)構(gòu)橢圓度較大，甚至影響到現(xiàn)場密封支撐座取出，取出后現(xiàn)場測量發(fā)現(xiàn)支撐座橢圓度達(dá)到4 mm，其中直徑最大的方向為密封支撐座的+Y方向。

3.2.5 水機(jī)軸法蘭下護(hù)罩檢查分析

水機(jī)軸法蘭下護(hù)罩，主要是為保護(hù)水輪聯(lián)軸螺栓，防止因水流沖刷汽蝕導(dǎo)致聯(lián)軸螺栓損傷，法蘭下護(hù)罩用12顆M16的8.8級不銹鋼螺栓固定于聯(lián)軸螺栓上，檢查時發(fā)現(xiàn)水機(jī)軸法蘭下護(hù)罩襯墊焊點不牢固，部分存在虛焊等問題，有8顆固定螺栓斷裂，2顆隨護(hù)罩內(nèi)襯墊一起脫落于聯(lián)軸螺栓上方，1顆發(fā)生嚴(yán)重彎曲變形失去緊固作用，全部12顆螺栓出現(xiàn)斷裂、變形、移位等現(xiàn)象。下護(hù)罩已完全松動，并隨機(jī)組轉(zhuǎn)動在主軸上晃動，并且護(hù)罩外側(cè)與密封支撐體下部擋水環(huán)內(nèi)側(cè)發(fā)生碰撞和摩擦，其中最大摩擦深度達(dá)到3 mm。

3.2.6 轉(zhuǎn)輪葉片泵檢查分析

混流式水輪機(jī)葉片泵的工作原理是，利用轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)在上冠上產(chǎn)生的離心力將轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)間隙處滲漏水加速后，通過頂蓋上的排水管排出，其他的水流再通過密封支撐體的擋水圈阻擋后回到葉片泵內(nèi)再次被甩出，起到減少轉(zhuǎn)輪上冠軸向的水壓力。經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片泵的立面圓周與密封支撐體外圓周的+Y方向發(fā)生磨損擦掛的現(xiàn)象，摩損擦掛在泵板立面留下明顯的摩擦痕跡，同時檢查轉(zhuǎn)輪泵板固定螺栓，全部36根M24高強(qiáng)鋼螺栓均保持完好，無松動和移位。

3.3 綜合原因分析

通過上述不同部件的磨損方位發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)動部件與固定部件發(fā)生磨損的方位均發(fā)生在+Y方向，若機(jī)組軸線發(fā)生大的偏折則應(yīng)該為整個圓周磨損，從現(xiàn)象上可以排除因為機(jī)組軸線發(fā)生大的偏折所致；另一方面水導(dǎo)軸瓦、主軸工作密封體、主軸檢修密封部件位于轉(zhuǎn)動部位的外圓周，而密封支撐座位于轉(zhuǎn)動部件的內(nèi)圓周，那么兩者在相對位置上存在反向。

根據(jù)拆機(jī)后檢查的水機(jī)軸法蘭下護(hù)罩固定螺栓鎖定焊點及支撐墊焊縫開裂脫焊的情況，以及水機(jī)軸法蘭下護(hù)罩外側(cè)密封支撐座圓度測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，圓度直徑變形量超過4 mm，該值已經(jīng)超過工作密封1.4 mm的總間隙，超過了密封支撐座與葉片泵立面2.5 mm最大單側(cè)間隙值。綜合機(jī)組拆機(jī)后檢查測量情況分析判斷：

（1）運行過程中產(chǎn)生異響和異常振動，是由于水機(jī)軸法蘭下護(hù)罩與密封支撐座碰撞、密封支撐座與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪泵板立面碰撞、工作密封和檢修密封與密封套發(fā)生碰撞時產(chǎn)生的。

（2）結(jié)合振擺監(jiān)測裝置測量數(shù)據(jù)分析，以及結(jié)合機(jī)組轉(zhuǎn)動與固定部分磨損發(fā)生部位，認(rèn)為機(jī)組運行過程中軸線未發(fā)生偏移。

（3）水輪機(jī)密封支撐座為整圓件，擋水環(huán)外側(cè)與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪泵板相鄰，上環(huán)與水機(jī)軸法蘭下護(hù)罩相配合，通過該種結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點，采用上、下環(huán)結(jié)構(gòu)，其中上環(huán)采用厚壁件，下環(huán)采用相對薄壁件，中部設(shè)計為法蘭式結(jié)構(gòu)用于固定使用，該種固定方式具有蹺蹺板的效果，在中部法蘭固定狀態(tài)下，上環(huán)向一側(cè)的變形，將會引起下環(huán)向另一側(cè)成比例的變形量，這兩種不同的變形方向符合故障現(xiàn)場的特征，故密封支持座圓周方向上4 mm的變形量，引起支撐座上方檢修密封與工作密封配合間隙發(fā)生位移減小，進(jìn)而引起摩擦。

（4）密封支撐座變形原因，是水機(jī)軸法蘭下護(hù)罩固定螺栓頂部與護(hù)罩面、護(hù)罩內(nèi)側(cè)安裝的襯墊原焊接不牢靠，焊接量較少，導(dǎo)致焊縫承載力不夠，在機(jī)組長期啟停運行過程中焊點發(fā)生斷裂脫落，導(dǎo)致下護(hù)罩松動，松動的下護(hù)罩在機(jī)組轉(zhuǎn)動過程中對固定螺栓受到護(hù)罩晃動作用力疲勞后斷裂，失去固定螺栓的下護(hù)罩隨轉(zhuǎn)動部分旋轉(zhuǎn)撞擊密封支撐座，導(dǎo)致密封支撐座發(fā)生變形，密封支撐座變形后導(dǎo)致與葉片泵間隙變小發(fā)生單側(cè)偏磨，密封支撐座的變形引起上部安裝的檢修密封座及工作密封體與密封套一側(cè)間隙減小，運行過程中發(fā)生偏磨。

4 防范措施

根據(jù)分析存在原因采取如下防范措施：

（1）在機(jī)組迷宮環(huán)非接觸式工作密封安裝時，應(yīng)該嚴(yán)格控制安裝質(zhì)量，尤其是密封環(huán)和密封套安裝時要確保水平，合縫處應(yīng)該保證無錯牙，同時應(yīng)確保工作密封圓周方向上間隙滿足設(shè)計間隙值。

（2）針對迷宮環(huán)非接觸式密封檢修時，檢查確保排水孔設(shè)備暢通，無堵塞，防止因泥沙沉淀堆積，導(dǎo)致工作密封縫隙內(nèi)被泥沙堆占后引起摩擦生熱，導(dǎo)致密封體產(chǎn)生變形。

（3）安裝中應(yīng)該確保水輪機(jī)軸法蘭下護(hù)罩固定螺栓應(yīng)達(dá)到預(yù)緊設(shè)計值，同時應(yīng)對固定螺栓做點焊防松動處理，螺栓頭凹坑使用環(huán)氧樹脂材料填平，防止水流沖刷，引起螺栓凹坑的變形和受損。

（4）水輪機(jī)軸法蘭下護(hù)罩采用支撐墊加厚的方式，支撐墊的四周焊縫應(yīng)飽滿，焊縫無缺陷，確保焊縫具有足夠的強(qiáng)度支撐法蘭下護(hù)罩固定螺栓預(yù)緊力。

（5）合理選擇水輪機(jī)主軸工作密封結(jié)構(gòu)形式，可以選擇接觸式端面密封結(jié)構(gòu)形式，減少因水輪機(jī)主軸徑向間隙發(fā)生改變而影響機(jī)組的運行。

（6）應(yīng)測量復(fù)核水機(jī)軸法蘭下護(hù)罩加工尺寸，確保安裝后的護(hù)罩與密封支撐座間隙在圖紙設(shè)計范圍內(nèi)，同時應(yīng)大于水輪機(jī)主軸工作密封間隙及水導(dǎo)瓦間隙，避免機(jī)組運行過程中發(fā)生碰撞。

5 總結(jié)

本案例通過以上防范措施，針對性對機(jī)組進(jìn)行緊急搶修，完成全部受損部件返廠修復(fù)至圖紙設(shè)計尺寸，其中重點對水輪機(jī)軸法蘭下護(hù)罩襯墊焊接質(zhì)量，以及護(hù)罩固定螺栓緊固力矩和焊接點質(zhì)量檢查，經(jīng)搶修后機(jī)組啟動試運行故障現(xiàn)象均消除。