王立宏

摘 要：水輪機(jī)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(jī)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(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)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(jī)主軸密封工作的可靠性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，為類似水輪機(jī)主軸密封的故障處理提供了參考。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)主軸;密封故障;分析處理

1水輪機(jī)主軸密封故障案例概述

某徑流式水電站安裝有4臺(tái)150MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)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(bǔ)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(rùn)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(bǔ)償預(yù)緊彈簧以及對(duì)應(yīng)的密封支架。該電站的主軸密封在水輪發(fā)電機(jī)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(yùn)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(rùn)滑水流量低，頻繁出現(xiàn)流量低報(bào)警（原設(shè)計(jì)值為2.4m3/h），頻繁的報(bào)警信號(hào)影響運(yùn)行人員監(jiān)盤，甚至影響開機(jī)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(gè)潤(rùn)滑水通水孔及密封塊儲(chǔ)水槽內(nèi)堵塞了大量的雜物，導(dǎo)致了潤(rùn)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(duì)設(shè)備拆卸檢查情況以及對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)解讀，對(duì)造成主軸密封潤(rùn)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(jī)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(chǎng)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(jī)組在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)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(jī)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(shí)，由于掉落的環(huán)氧顆粒形狀不規(guī)則、且相對(duì)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(chǔ)水槽和徑向通水孔。

1.3密封塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)的密封塊厚度為30mm、儲(chǔ)水槽深度為10mm、2個(gè)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(dòng)量?jī)H0.2mm，泥沙或雜物進(jìn)入密封塊端部后，勢(shì)必會(huì)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(huì)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(huì)加劇環(huán)氧填充材料的損壞。

1.4設(shè)備安裝考慮不周

對(duì)照主軸抗磨環(huán)和主軸密封結(jié)構(gòu)尺寸，由于水輪機(jī)大軸及其轉(zhuǎn)動(dòng)部件的高度尺寸均固定，若合理調(diào)配水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)及下機(jī)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(dòng)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(jī)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(diǎn)，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(yùn)行過程中的浮動(dòng)補(bǔ)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(dòng)間隙由0.2mm提高到了0.6mm;同時(shí)，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(chǔ)水槽加深至15mm、將2個(gè)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(zhǎng)期處于靈活性的浮動(dòng)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(jī)組裝配圖分析，合理調(diào)配水輪發(fā)電機(jī)組座環(huán)及下機(jī)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(jī)組安裝已定位，調(diào)整下機(jī)架及座環(huán)的安裝高程已不現(xiàn)實(shí)，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(xiàng)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(shí)現(xiàn)，施工難度較大，一般在機(jī)組A修或新安裝機(jī)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(jì)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(jī)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(yùn)行觀察，主軸密封潤(rùn)滑水流量持續(xù)穩(wěn)定，對(duì)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(chǔ)水槽、通水孔內(nèi)也未見有雜物堵塞，頂蓋排水泵啟動(dòng)間隔也長(zhǎng)期穩(wěn)定在2h以上。

結(jié)束語

綜上所述，水輪機(jī)主軸密封的作用是在水輪機(jī)主軸和頂蓋之間保持一個(gè)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(jī)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(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，而軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)因主軸密封布置在導(dǎo)流錐內(nèi)，其滲漏水無法通過機(jī)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(dú)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(jī)主軸密封的可靠性及其穩(wěn)定性顯得尤為重要。

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