水電機組工作密封燒損的分析與解決

杜 永

（國網(wǎng)新源豐滿電廠，吉林省吉林市 132108）

水電機組工作密封燒損的分析與解決

杜 永

（國網(wǎng)新源豐滿電廠，吉林省吉林市 132108）

本文簡要介紹了小孤山電站2號機組空負荷啟動過程中，出現(xiàn)水輪機主軸密封燒損問題，通過對該問題進行現(xiàn)場分析，找出了故障的主要原因，并采取行之有效的措施，從根本上解決了水輪機主軸密封燒損問題，為水電機組的運行、維護積累了經(jīng)驗。

水輪機；主軸密封；燒損；分析；改進

1 概述

小孤山電站位于遼寧蒲石河蓄能有限公司（以下簡稱蒲蓄）下水庫，為蒲蓄公司廠用電的備用電源，對于合理利用水資源和保護生態(tài)環(huán)境起到重要作用。小孤山電站2號機組啟動試驗時，空負荷開機約2min水車室出現(xiàn)橡膠燒損的焦臭味，被迫緊急停機。工程技術(shù)人員對該問題進行現(xiàn)場分析，找出了故障的主要原因，通過采取行之有效的措施，從根本上解決了水輪機主軸密封燒損問題，為水電機組的運行、維護積累了經(jīng)驗。

2 橡膠焦臭味的查找與原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

小孤山電站2號機組安裝首次啟機試驗前，檢查水壓符合設(shè)計要求，各動靜密封點無異常。水輪機工作密封活塞式橡膠密封環(huán)已頂起，密封嚴密，無漏水現(xiàn)象。啟機約2min后，產(chǎn)生非常濃烈橡膠焦臭味，被迫停機檢查分析原因。

2.2 橡膠焦臭味的查找

轉(zhuǎn)輪室內(nèi)除電氣設(shè)備、元件外，其余都是機械構(gòu)件以及為數(shù)極少的橡膠密封材料（如盤根、圍帶和密封環(huán)）。在排除電氣設(shè)備、元件故障的可能后，能在發(fā)熱后冒煙并散發(fā)橡膠焦臭味的就只能是這些橡膠制品。

機組停機切斷密封環(huán)冷卻水源后，對照2號機組安裝圖紙，從上到下逐一排查機組各個動靜密封點，檢查到水輪機工作密封時發(fā)現(xiàn)活塞式橡膠密封環(huán)未下落，水壓仍保持0.2MPa，密封環(huán)與抗磨環(huán)零間隙。抗磨板表面溫度較高，橡膠焦臭味源初步判定為是由主軸密封燒損發(fā)出的。

2.3 原因分析

2.3.1 主軸密封工作原理

根據(jù)機組的結(jié)構(gòu)、水頭、軸徑、轉(zhuǎn)速、水質(zhì)及使用頻率等數(shù)據(jù)綜合考慮，小孤山電站主軸密封形式為端面接觸式主軸密封。其主體為空氣圍帶、活塞式橡膠密封環(huán)（以下統(tǒng)稱密封環(huán)）、密封座和抗磨環(huán)。裝配圖如圖1所示。

主軸密封緊靠水輪機主軸下法蘭端面，在水導(dǎo)軸承下方由頂蓋支撐，作用是有效地阻擋水流從大軸與頂蓋之間的間隙上溢，控制機組旋轉(zhuǎn)部分和固定部分的漏水量，防止水導(dǎo)軸承和頂蓋被淹。由運行狀態(tài)下的工作密封和靜止?fàn)顟B(tài)下的檢修密封組成。其工作原理是：

圖1 密封裝配示意圖

圖2 燒損的橡膠密封環(huán)

（1）當(dāng)機組由停機轉(zhuǎn)運行狀態(tài)時，密封環(huán)在水壓的推力作用下，沿密封座內(nèi)導(dǎo)向桿向上滑動與抗磨環(huán)間形成一水膜（設(shè)計水膜厚度0.03～0.08mm），其作用相當(dāng)于流體靜水壓軸承將旋轉(zhuǎn)抗磨環(huán)與靜止密封環(huán)分開，使它們不發(fā)生直接摩擦從而減少磨損量，并帶走摩擦產(chǎn)生的熱量。此時，切斷檢修密封氣源，打開排氣閥排氣，空氣圍帶內(nèi)在彈力的作用下與主軸徹底分離（設(shè)計間隙為1mm），從而退出運行。

（2）當(dāng)機組由運行轉(zhuǎn)停機狀態(tài)時，檢修密封空氣圍帶在壓縮空氣的作用下，其非約束部分受壓鼓起，與主軸環(huán)緊密接觸，從而阻斷尾水竄入水輪機頂蓋的通道，而起到密封作用；工作密封環(huán)此時在密封座內(nèi)靠自重沿導(dǎo)向桿自由下落到底部，從而退出運行。

2.3.2 原因判定

將0.50mm塞尺強行插入密封環(huán)與抗磨環(huán)接觸面后，先后有熱水蒸氣、熱水溢出，水壓開始下降，水壓下降為0MPa時抽出塞尺，發(fā)現(xiàn)塞尺上粘有一層橡膠。

根據(jù)以上情況可以判定，小孤山電站2號機組在首次空負荷開機時，由于壓力水開啟后密封環(huán)首先被水壓頂緊，通流孔被抗磨環(huán)封堵，使得密封環(huán)摩擦面在開機的空負荷階段不能產(chǎn)生流動水膜，開機時轉(zhuǎn)動環(huán)與密封環(huán)之間出現(xiàn)干摩擦或臨界干摩擦，造成密封環(huán)嚴重發(fā)熱冒煙，并散發(fā)出橡膠焦臭味。

圖3 抗磨環(huán)上粘連的橡膠

2.3.3 密封燒損情況

分解工作密封，拆下抗磨環(huán)，發(fā)現(xiàn)密封環(huán)與抗磨環(huán)的接觸部分融化。融化的橡膠粘在抗磨環(huán)表面，密封環(huán)上平面有嚴重焦化現(xiàn)象，主軸和密封座間存在大量橡膠燒損形成的膠顆粒，燒損情況如圖2、圖3所示。

密封環(huán)沿導(dǎo)向桿上下移動阻力較大，導(dǎo)向桿無彎曲、無變形。塞尺檢查檢修密封空氣圍帶與主軸間間隙符合設(shè)計要求的1mm，密封空氣圍帶無磨損。

2.3.4 原因分析

這些作為水輪機密封用的橡膠密封制品全都安裝在水上。機組開機前，空氣圍帶排氣退出，密封環(huán)潤滑冷卻水投入，密封環(huán)頂起，此時空氣圍帶和密封環(huán)都浸泡在水中。可想而知，浸泡在水中的空氣圍帶即使與金屬物體發(fā)生運動摩擦，也不可能發(fā)熱冒煙。換句話說，這些橡膠密封如果發(fā)熱冒煙，一定存在干性或臨界干性的相對運動摩擦。

針對小孤山電站水輪機主軸密封的具體結(jié)構(gòu)，在水輪機各種密封裝置中，存在相對摩擦運動可能的只有檢修密封和工作密封兩種。

前者有一種情況可能發(fā)生運動摩擦：開機時空氣圍帶尚未排氣卸壓，機組就開機；對于檢修密封來說，其摩擦面始終浸泡在水中，其結(jié)果雖然會損壞空氣圍帶，卻不可能因此產(chǎn)生濃煙。對于后者，它雖然被固定在密封座里，只能作上下運動，不能作圓周運動和徑向運動，但是，抗磨環(huán)卻是隨主軸一起轉(zhuǎn)動的。顯然，密封環(huán)存在運動摩擦。但密封環(huán)是靠清潔水流作為其摩擦面的潤滑介質(zhì)的，因此必須對密封環(huán)的工況作進一步剖析。

活塞式橡膠密封環(huán)安裝在密封座里，密封座中均布2根活φ16mm的定位銷亦稱導(dǎo)向桿（如圖4所示），限制密封環(huán)只能作上下運動，不能作環(huán)向運動和徑向運動。

圖4 導(dǎo)向桿

在密封環(huán)上下端面之間有4個均布的φ5mm通流孔（如圖5所示）。發(fā)開機令后，密封環(huán)上腔接通0.2MPa 的清潔水流，使密封環(huán)與轉(zhuǎn)動環(huán)密封面緊密接觸，當(dāng)密封環(huán)與轉(zhuǎn)動環(huán)接觸后，接觸面之間就產(chǎn)生了流動的水膜。這時如果機組開始運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動環(huán)與密封環(huán)的摩擦實質(zhì)上就是與流動水膜的摩擦。流動水膜不僅保護了密封環(huán)，還將摩擦引起的熱量帶走。

圖5 活塞式橡膠密封環(huán)

圖6 密封座

但在密封環(huán)的工作過程中，由于機組首次空負荷開始時頂蓋排水壓力為負，即頂蓋水是向下吸，如果壓力水開啟后密封環(huán)首先被水壓頂緊，通流孔被抗磨環(huán)封堵，在摩擦面間就不能產(chǎn)生流動水膜。此時如果機組轉(zhuǎn)動，那么在啟動初期將出現(xiàn)短時的干性摩擦或臨界干性摩擦的情況。橡膠密封環(huán)就會發(fā)生短暫燒損，機組就會出現(xiàn)焦臭味。

3 處理過程

3.1 零部件清掃檢查

清除抗磨環(huán)上的橡膠，檢查抗磨環(huán)下端面無溝痕、表面光滑。密封環(huán)密封面融化已破損，無法使用。導(dǎo)向桿表面光滑、平整，無毛刺。密封座環(huán)形槽內(nèi)橡膠顆粒清掃干凈，環(huán)形槽內(nèi)表面光滑、平整，無毛刺。

3.2 零部件尺寸復(fù)核

仔細對照密封零件圖紙，對備用密封環(huán)、導(dǎo)向桿、密封座進行尺寸復(fù)核。復(fù)核結(jié)果如下：密封環(huán)、導(dǎo)向桿、密封座尺寸符合設(shè)計，但發(fā)現(xiàn)密封環(huán)導(dǎo)向孔直徑為φ5mm，導(dǎo)向桿直徑為φ16mm，二者之間配合屬于緊配合關(guān)系，不利于密封環(huán)的自由下落，也無法通過水壓來調(diào)節(jié)密封環(huán)的起落高度。

3.3 主軸密封改進

由于密封環(huán)不能實現(xiàn)起落調(diào)節(jié)，無法滿足機組安全運行要求，故需要進行密封改造。

結(jié)合起落試驗，改造后要實現(xiàn)密封環(huán)可以靠自重沿導(dǎo)向桿自由下落。

為了確保水輪機主軸密封長期安全穩(wěn)定運行，根據(jù)水輪機主軸密封的實際結(jié)構(gòu)，對原主軸密封進行如下改進：

（1）增大密封環(huán)導(dǎo)向孔直徑，由原來φ13mm增加到φ16mm，使密封環(huán)和導(dǎo)向桿由原來的緊配合改為松配合，避免密封環(huán)發(fā)卡，實現(xiàn)密封環(huán)的自由下落。

（2）封堵密封環(huán)導(dǎo)向孔上端口，減少清潔壓力水從定位銷、定位孔間流失，保證清潔水壓緊密封環(huán)。

（3）增大密封環(huán)通流孔直徑，由原來φ5mm增加到φ7mm解決潤滑水初期投入（小壓力）時密封環(huán)不頂升，使?jié)櫥?jīng)密封環(huán)通流孔與抗磨環(huán)間隙流出，即增大壓力時，密封環(huán)逐漸被頂升至距抗磨環(huán)0.03～0.08mm，有微量水沿密封面滲出，在摩擦面間形成流動水膜，最終實現(xiàn)通過調(diào)節(jié)閥門開度調(diào)節(jié)密封環(huán)起落高度和水膜厚度。

3.4 效果

經(jīng)過以上技術(shù)改進后，主軸密封通水試驗有微量水沿密封面滲出，在摩擦面間形成流動水膜，密封環(huán)起落順暢，起落高度可調(diào)。當(dāng)機組重新啟動運轉(zhuǎn)后，不會再出現(xiàn)干摩擦，從根本上解決了主軸密封燒損問題，確保了機組長期安全穩(wěn)定運行。

4 結(jié)束語

工作密封在使用過程中，首先應(yīng)保證密封環(huán)能在密封供水作用下靈活移動，這樣才能保證密封環(huán)磨損時能夠提供補償。其次，密封供水的壓力應(yīng)當(dāng)可調(diào)節(jié)并保持與漏水壓力相適應(yīng)：壓力太低時將導(dǎo)致密封環(huán)與抗磨環(huán)脫離，漏水量過大；壓力太高將導(dǎo)致密封環(huán)與抗磨環(huán)貼合過緊，出現(xiàn)長時間的干摩擦而損壞密封環(huán)。另外，抗磨環(huán)表面的損傷將造成密封環(huán)的磨損或損壞，勢必縮短密封結(jié)構(gòu)的使用壽命或起不到密封作用。

[1] 江濤.水輪機主軸密封故障原因分析與處理.江西電力，1006-348X（2004）04-32-03.

[2] 張誠，陳國慶.水輪發(fā)電機組檢修.北京：中國電力出版社，2011.10.

杜 永（1982—），男，本科，工程師，從事水輪發(fā)電機組安裝、調(diào)試、維護及檢修，主要研究方向：水輪發(fā)電機組新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用。E-mail:1005015966@qq.com

Hydroelectric Generating Work Sealed Burning Analysis and Solution

DU Yong
（State Grid Xinyuan Fengman Power Plant，Jilin 132108，China）

This article briefly describes Xiaogushan Power Station Unit 2 load starting process，there turbine shaft seal burning issue，site analysis through the problems and identify the main reason for the failure，after a row by taking effective measures，from a fundamental solution to the burning issue of turbine shaft seal，to run hydropower units，maintenance accumulated experience.

turbine；shaft seal；burning；analysis；improve