謝盼新

(萬家寨水控水資源有限公司 調度分公司，山西 太原 030012)

0 引言

萬家寨引黃工程從黃河萬家寨水庫取水，由于地型復雜，采用泵站梯級提水，將黃河水引至太原、大同等重工業(yè)城市，滿足當地生活和工業(yè)用水的需要。泵站總揚程為636 m，水泵采用較先進的明蝸殼立式單級單吸離心水泵，吸入管直徑為2 000 mm，流出管直徑為1 000 mm，額定揚程為140 m，工作水頭為130 m～160 m，額定流量為6.45 m3/s，額定轉速為600 r/min，額定功率為12 MW。目前，工程總干線和南干線共裝有23臺大型離心水泵，近年來，實現年引水約6億方，極大地改善了太原市的居民生活用水和生態(tài)環(huán)境。

機械密封是水泵機組的關鍵部件，它裝在水泵水導軸承的下面，用以防止輸送液體從主軸和頂蓋之間滲漏到機坑內，淹沒水導軸承，破壞水導軸承的正常工作，從而影響機組的安全穩(wěn)定運行。機械密封結構復雜，為保證密封結構長期高效的運行，需要運行管理人員對其工作原理及結構深入理解，在日常巡視檢查中及時發(fā)現問題。在引黃工程輸水運行過程中，發(fā)生過多次因主軸密封裝置故障，導致機組故障停機，造成資源浪費的情況[1]。為此，本文對大型水泵主軸密封裝置的工作原理及故障進行分析，并對清水系統(tǒng)進行自動化改造升級，以提高主軸密封供水的可靠性和機組運行的穩(wěn)定性。

1 大型水泵主軸密封裝置基本工作原理

引黃工程水泵主軸密封采用某公司生產的先進機械密封結構，該密封主要材質為黃銅，具有機械加工精度高、密封效果好、防泥沙、結構緊湊等優(yōu)點。引黃工程大型水泵用主軸密封結構主要由檢修密封和工作密封組成，其結構如圖1所示。

1.1 檢修密封

檢修密封是水泵機組停機或檢修時的一種密封，該結構位于水泵主軸密封的下部。引黃工程水泵設計揚程為140 m，檢修密封可以防止機組停機后尾水位較高，倒灌入機坑內。檢修密封按其結構型式可分為空氣圍帶、機械式和抬機式。引黃工程水泵采用空氣圍帶檢修密封，該密封結構由固定座11和橡膠空氣圍帶(氣囊)10等組成。當機組停機后，按照程序設定自動向空氣圍帶內充入0.65 MPa～0.8 MPa的壓縮空氣，使空氣圍帶橡皮膨脹，抱緊主軸形成密封面，防止高壓水流從主軸與蝸殼之間的縫隙噴出。當開機時，空氣圍帶中的壓縮空氣排出，使其收縮，空氣圍帶與主軸1之間保持1.5 mm～2 mm間隙。該種型式的檢修密封結構簡單，操作維護容易，密封效果好，工作可靠性高，在水泵和水輪機上廣泛使用。

1-主軸;2-靜密封環(huán);3-動密封環(huán);4-傳動銷;5-可移動密封座;6-固定密封環(huán);7-徑向密封環(huán);8-O型密封圈;9-楔形卡盤;10-氣囊;11-固定座;12-外殼;13-彈簧元件;14-上蓋;15-頂部環(huán)狀密封

1.2 工作密封

工作密封由轉動部分和固定部分組成，轉動部分由下至上分別由楔形卡盤9、固定密封環(huán)6、可軸向移動的密封座5、動密封環(huán)3等組成，整個轉動部分通過楔形裝置固定在主軸上，隨主軸一起高速旋轉。為了便于更換和組裝，動密封環(huán)為軸向分瓣結構，由碳化硅加工而成，分瓣的動密封環(huán)裝在軸向可移動的密封座上，彈簧和導桿決定了動密封環(huán)可以隨密封座上下軸向運動，在工作過程中起到自補償作用，從而保證動密封面和靜密封緊密接觸。

固定部分主要由外殼12、徑向碳石墨密封環(huán)7、頂部環(huán)狀密封15等組成，下部固定座11采用螺栓固定在水泵的頂蓋上。動環(huán)與靜環(huán)的密封面稱為機械端面密封，由碳化硅和碳石墨構成，在水泵高速運行過程中，該密封面始終處于滑動摩擦狀態(tài)，密封面摩擦發(fā)熱，通過給密封面上注入清潔的主軸密封水，降低密封面的溫度，同時冷卻水還可以沖洗密封面，將密封面上的雜質帶走，提高耐磨性。主軸密封水還可以在動環(huán)和靜環(huán)的摩擦面之間形成水膜，具有一定的潤滑作用，防止密封面過渡損壞，保證密封面的正常運行，提高了主軸密封的壽命。

引黃工程水泵密封裝置的主密封為機械端面密封，由于黃河水泥沙含量較高，沙子等顆粒進入機械密封界面，劃傷密封面進而加快密封面的磨損。為了提高密封裝置的壽命，在密封裝置靠近頂蓋處設計了一套徑向密封裝置，該徑向密封環(huán)7由密封外殼內嵌入的碳石墨環(huán)與固定在主軸上的涂有陶瓷涂層固定密封環(huán)6形成密封面，碳石墨環(huán)由一個整環(huán)裂解為多塊后組合構成，采用裂解方式，密封止水效果好，轉動環(huán)表面由高強度、低粗糙度、高抗磨陶瓷構成，該密封能很好地阻擋泥沙進入密封腔內。在密封裝置工作的過程中，由主密封面與下部的徑向密封形成密封區(qū)域，外界提供的主軸密封水使該區(qū)域形成了一個高壓密封腔，有效地防止了黃河泥沙水竄出來。在主軸密封的頂部，為防止機組運行過程中主軸密封水流出，也設置了一道徑向密封結構，該密封環(huán)15由兩瓣碳石墨環(huán)與主軸形成密封面，此密封為輔助密封，安裝在主軸密封的最頂部。同時為了防止少量的液體從密封裝置外殼泄漏，各部件接觸面之間裝有O型密封圈[2，3]。

2 運行過程中常見的故障

2.1 主軸密封泄漏

水泵正常運行過程中，密封裝置的動環(huán)與靜環(huán)之間的泄漏較為常見，這種少量的泄漏屬于正?，F象。黃河水由于含沙量較高，因此泥沙進入密封表面造成密封面磨損問題較為突出，若發(fā)現主軸密封泄漏量較大時，檢修人員需要檢查密封面是否嚴重磨損，并及時更換密封材料，避免造成資源浪費，影響機組的穩(wěn)定運行。

機械密封中的彈性元件在主軸密封中起到預緊、補償和緩沖的作用。在水泵運行過程中，若彈簧的壓縮量不夠，動密封面的軸向跳動過大，會引起密封面較大的泄漏量，所以應定期檢查彈簧壓縮量并及時調整，以保證密封裝置的高效穩(wěn)定運行。同時該密封結構復雜，裝配困難，裝配不當也會引起泄漏。機械密封彈簧的壓縮量必須按照廠家提供的數據進行安裝，若壓縮量過小，起不到密封作用；壓縮量過大，會由于密封面磨損嚴重，過早失效[4]。

2.2 主軸密封供水

主軸密封是整個水泵運行至關重要的部件之一，密封裝置的正常運行離不開密封水系統(tǒng)，因此主軸密封水的水質和可靠性極其重要。為了保證水泵運行過程中密封水的水質要求，泵站的主軸密封水采用地下水，用加壓泵將水提升至設在地勢較高的高位水池中，保證密封供水主管壓力大于等于1.2 MPa。密封水通過供水主管路進入廠房，通過調流閥分配，分別起到主軸密封裝置封水和冷卻、沖刷密封面的作用。水泵運行時，密封面高速旋轉，若密封水供應不足，密封效果不好同時會燒壞密封面，對密封裝置造成嚴重損壞。為保護密封裝置及水泵的安全可靠運行，泵站機組設有密封壓力不足的報警，當主軸密封水壓力低于0.5 MPa時，會故障停機，防止主軸密封部件受損。泵站機組發(fā)生過多次由于主軸密封斷流而引起故障停機的事故。近年來，為了提高主軸密封的可靠性，泵站對清水系統(tǒng)進行自動化升級改造，根據高位水池的水位自動補水，使得主軸密封的穩(wěn)定性大大提高，至今未發(fā)生過由于主軸密封水中斷而引起的停機故障。

3 結語

在機組日常運行過程中，機械密封故障率較高，也是機組安全運行的一個薄弱環(huán)節(jié)，在水電行業(yè)中其運行的可靠性非常重要。在水泵機組運行中，運行人員應加強主軸密封裝置的巡視檢查，檢修人員應定期檢查及更換密封部件，保證機械密封良好運行，提高機組運行的可靠性。