抽蓄電站水泵水輪機主軸密封損壞的分析及處理

陳 勇

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 杭州310000）

1 背景描述

某抽蓄電站機組水泵水輪機型式為立軸、單級、混流可逆式水泵水輪機，與額定轉速為300 r/min、50 Hz發電電動機通過主軸法蘭連接。轉動方向為：水輪機工況俯視逆時針，水泵工況俯視順時針。為了保證水導軸承的正常工作，必須在水導軸承下采取密封措施，防止壓力水從主軸和頂蓋之間滲入水導軸承，破壞水導軸承的正常工作。主軸部分的密封分為兩大類：軸承運行中的密封主軸密封和軸承檢修或停機時的檢修密封。

抽蓄電站機組主軸工作密封的形式為液體靜壓軸向機械式密封，密封塊材料為酚醛樹脂合成材料，具有很好的抗磨耐熱性能，詳細參數見表1。主軸工作密封的功能，主要是通過磨損塊與鏡環之間形成的水膜防止發電調相或抽水調相時轉輪室中跑氣，另外還兼顧一定的止水作用。磨損后軸向調整量大，缺點是當彈簧作用力不均勻時，密封塊容易偏卡偏磨，對密封塊出廠質量和現場檢修質量要求高。主軸密封具有自調節的功能，主要是因為在主軸密封塊上有4根均壓管，下腔與尾水連通，上腔通至浮動環的上端面，這樣就使得浮動環的上、下端面的水壓平衡，不論是發電工況還是抽水工況都不會導致浮動環抬起或與轉動密封環抱死。主軸密封的潤滑水通過12根水管進入2個密封面之間，形成一層水薄膜，鏡板與磨損塊之間不會直接接觸，它的水膜間隙是靠16根調節彈簧的預緊力來調整的。浮動環上還有4個RTD以及密封塊的磨損測量裝置。

表1 主軸工作密封規范

2 發現問題初期及處理方法

（1）2017年1月21日，3號機組在抽水調相運行，oncall人員巡檢過程中發現主軸密封水箱甩水。運維人員現場檢查認為主軸密封水流量及水壓過大導致主軸密封抬起過高，密封不嚴引起甩水。

采取措施：降低主軸密封水流量及水壓，原流量為15 m3/h，調整為8 m3/h，調整后基本不再甩水。后實際運行中流量最低低至6 m3/h，處理主軸密封流量調節閥，發現調節閥均壓管進水側堵死，經處理后流量調節正常。

（2）2月份，3號機組定檢時拆開主軸密封水箱蓋進行檢查，發現靜止態水流從固定環、浮動環之間的縫隙流出（圖1）；并且測量磨損塊高度H，發現磨損塊對稱方向高度有些許偏差。將機組調相壓水主壓水閥手動打開15 s壓水，氣流從固定環、浮動環之間的縫隙流出較大。

圖1 主軸密封

（3）3月初，機組調相運行壓水后無法保持，主軸密封漏氣量增大，在機組抽水調相過程中，壓水補氣閥打開進行補氣已無法將尾水再次壓至尾水位信號高（尾水水位監測裝置主要有太高、高、低、太低4個監測點）以下位置，臨時修改邏輯，將壓水補氣換成主壓水閥進行補氣，并決定將3號機C修提前。

3 主軸密封C級檢修發現問題及處理方法

（1）3月15日，3號機C修開工，在對主軸工作密封拆解后，發現磨損塊損壞嚴重，磨損塊靠外側燒損，且磨損塊存在嚴重的偏磨現象。在檢修過程中對6塊磨損塊進行整體更換。

（2）檢修時發現 036’01.032，033，034 密封，均已老化嚴重，存在破損的現象。3月23日廠家人員到現場粘接主軸密封 036’01.032，033，034 密封，更換主軸密封調節彈簧。

（3）3月28日，修后試驗時，在機組調相壓水轉停機以及調相轉抽水運行時主軸密封仍有甩水，甩出氣、水混合物。此時主軸密封泵流量13.5 m3/h，壓力1 MPa。調整流量值10.5 m3/h，壓力0.9 MPa，效果不明顯。排查主軸密封浮動環均壓管，均壓管濾芯清潔，管路通暢。

（4）3月29日重新排水，打開主軸密封水箱蓋發現水箱底板連接縫處036’04.008密封處漏氣（主軸檢修密封投入），且036’04.008密封已不見蹤影。重新手工制作密封條，打膠固定，試驗發現，在機組調相壓水轉停機以及調相轉抽水運行時主軸密封甩水現象已完全消除。

4 修后原因分析

4.1 主軸密封磨損塊磨損嚴重的原因分析

4.1.1 主軸密封檢修中出現的現象

主軸密封磨損塊出現了偏磨的現象，最低處的磨損塊測量值為5.5 mm，磨損塊磨損嚴重。

4.1.2 主軸密封磨損塊磨損較大原因分析

（1）主軸密封用水量驟減導致

1）主軸密封增壓泵故障：流量及壓力變小導致機組啟動后間隙變小使磨損塊磨損量較大。經檢查，主軸密封2臺增壓泵均能正常運行。

2）主軸密封調節閥故障：主軸密封調節閥的平壓管堵塞，下腔壓力一直保持著排不出去，導致上腔開度減小，主軸密封水流量減小，在調節彈簧的作用下，導致機組啟動后磨損塊與鏡板的間隙變小，使磨損塊加快磨損。

3）主軸密封水管路堵塞：流量變小導致機組啟動后間隙變小使磨損塊磨損量較大。經檢查，水管路中的過濾器及逆止閥均能正常運行，未發現堵塞現象。

（2）主軸密封調節彈簧故障導致

調節彈簧由于形變的變小使彈力變小，由于各個彈簧的彈力變化不均，使機組在運行時磨損塊與抗磨板之間的間隙不均勻，同時主軸密封水從間隙大處流出量較多，間隙小處更較少，導致偏磨情況的發生并不斷的惡化。

4.2 主軸密封水箱甩水的原因分析

可以發現當 036’01.032，033，034 密封老化密封不嚴時，尾水管的水將經過主軸檢修密封（正常時不投入），不經過主軸工作密封直接從固定環、浮動環之間的縫隙流出，進入主軸密封的水箱。此時主軸工作密封已經無法起到防止尾水泄漏進入機坑。

（1）在機組停機穩態時，拆除水箱蓋板，發現有水流從固定環、浮動環之間的縫隙流出。

（2）在機組發電運行時，因密封沒有完全損壞，此時的尾水水壓力大約在6 MPa左右，少量水進入水箱，所以此時機組運行會有輕微的甩水現象。

（3）在機組抽水調相運行時，此時尾水在壓水充氣狀態，氣壓在8 MPa左右，且氣體更容易從細縫中滲漏出，此時機組運行會甩出較大量的氣、水混合物。當機組抽水調相轉抽水時，此時排氣過程中，尾水將逐漸升高，發現這時的水車室內會甩出大量的水，且伴有刺耳的響聲。抽水穩定運行后，情況恢復至發電運行時的狀態。

結果：主軸密封裝置中的橡膠密封條或密封圈已出現較大的磨損，無法繼續正常止水。

4.3 原因總結

主軸密封損壞的原因主要為，主軸密封調節閥故障、036’01.032，033，034 等密封老化，致使主軸密封長時間在不正常的狀態下運行，最終導致主軸密封磨損塊偏磨、主軸密封水箱甩水等嚴重缺陷。

5 事后分析總結

5.1 思考缺陷產生過程中的現象與可能的結果

5.1.1 磨損塊偏磨缺陷

（1）磨損塊發生偏磨的前期

1）現象：主軸密封水流量驟減并小于6.6 m3/h調節閥故障、管路堵塞，特別是在機組運行期間值出現流量小于6.6 m3/h。

可能的結果：磨損塊磨損加劇，若出現某處彈簧彈力變小則肯定出現偏磨。

2）現象：主軸密封水流量變大-彈簧故障，以大于15 m3/h為界。同時要求結合磨損塊測量高度對稱方向是否相同。

可能的結果：主軸密封漏水量較大，由于主軸密封磨損塊的間隙不等從而導致偏磨發生。

3）現象：磨損塊高度進行測量時出現有明顯低點，高低點相差值大于1 mm（排除測量誤差）時。

可能結果：磨損塊已經發生了輕微的磨損情況。

（2）磨損塊已經發生偏磨

1）現象：主軸密封浮動環止動銷的連接板發生變形，甚至導致止動銷或者連接壓板的固定螺絲斷裂。

結果：止動銷側的浮動環已經出現了下墜，磨損塊已經磨損。

2）現象：磨損塊指示裝置顯示磨損量較大。

結果：磨損塊指示裝置側的浮動環出現下墜，磨損塊已經磨損。

3）現象：在調相壓水過程中壓水時間過長或者調相不成功，水車室內出現甩水。

結果：主軸密封磨損塊已出現較大的磨損。

5.1.2 主軸密封甩水缺陷

（1）主軸密封甩水缺陷的前期

1）現象：機組水車室內能聽到吹哨子聲，尤其是機組在抽水調相狀態時。

可能的結果：氣體沖刷鏡板表面或其他位置，將加速破壞主軸工作密封的相關部件，出現甩水現象。

2）現象：從水箱蓋板頂上溢出有少量的水。

可能的結果：機組尾水管內的水從主軸密封處滲漏進水箱內，致使水箱排水管來不及排水，出現甩水現象。

（2）主軸密封已經發生甩水

1）現象：水箱蓋板拆除后，主軸工作密封浮動環與大軸間隙處，出水量明顯增大。

結果：主軸工作密封已存在故障，無法正常工作，機組運行時，將出現甩水現象。

2）現象：水箱蓋板拆除后，主軸工作密封浮動環與固定環間隙處，有明顯水流翻滾現象。

結果：主軸密封中 036’01.032，033，034 等橡膠密封件損壞，機組運行時，將出現甩水現象，尤其是在機組抽水調相轉抽水時，特別明顯。

5.2 近期結果

在對3號機組主軸密封進行檢修后，對主軸密封的巡視檢查、維護檢修內容進行了調整，在日常維護及月度定期工作過程中，嚴格執行檢查維護規定的工作內容，3號機組在修后未再次出現水箱甩水現象。因該電站其他3臺機組也為同類型機組，且也運行至今已近10年，考慮到主軸密封各部件老化、磨損等現象與3號機組有類似情況，在機組檢修期間逐漸對橡膠密封圈進行整體更換，對磨損塊進行檢查測量，必要時也進行了更換，該電站機組主軸密封甩水現象未再出現。希望本文對水電站類似結構的主軸密封問題的處理方法及今后檢修維護的方向有一定借鑒意義。