水輪機主軸密封漏水事故原因分析及處理措施

游 濤

(黃河萬家寨水利樞紐有限公司電站管理局，山西 偏關 036412)

1 概述

水電站的實際工作中，水輪機的主軸密封處于非常重要的位置，是水輪機關鍵部件之一，能影響水輪發電機的運行狀態，好的密封方式可使水輪發電機處于較穩定、可靠的狀態。

目前，大中型水電站要求水輪發電機組運行工況能夠集中監控，重要運行參數可進行巡回檢測，做到無人值班、少人值守和遠方監控[1]。水輪機主軸密封要求能夠長期、安全、可靠工作，主軸密封的檢修更換周期至少能保證一個大修期；水輪機主軸密封要求能夠實現自補償調節或無需調節；要求水輪機主軸密封的工作狀態可通過傳感器件進行檢測[2]。

水輪機是一種能量轉化機器，其動力來源于水，由于我國的地勢特點以及河流特點，河流中的泥沙較多，尤其是在雨季，較多的泥沙會給傳統的密封方式帶來破壞。很多密封方式在使用一段時間之后會產生嚴重的磨損，從而影響正常的使用，開始出現漏水的現象。

水輪機轉輪止漏環會產生漏水，這些漏水會沿著主軸與固定部件之間的間隙進入機坑，妨礙其他設備的正常運行，因此必須在主軸上設置止漏密封裝置，簡稱主軸密封。主軸密封的主要作用就是為了減小固定部件與轉動部件之間的間隙漏水[3]。由于固定部件與轉動部件之間的間隙較大、轉速較高、水壓較大，所以間隙漏水很大。

在機組的運轉過程中，經常出現主軸密封漏水頻繁、量大的現象。水輪機主軸密封漏水大：影響機組安全運行；頂蓋潛水泵持續運轉導致過載損壞；漏水較大需加裝多臺臨時潛水泵；滲漏集水井水位快速上升；嚴重時水淹廠房[4]。因此，主軸密封效果的好壞直接影響機組能否安全運行[5]。

2 水輪機組成及工作原理

水輪發電機是指以水輪機為原動機將水能轉化為電能的發電機。水流經過水輪機時，將水能轉換成機械能，水輪機的轉軸又帶動發電機的轉子，將機械能轉換成電能而輸出。水輪機是水電站生產電能的主要動力設備。

某水電站位于黃河北干流上段，安裝有6臺立式混流式水輪發電機組，單機容量為180 MW，其中5號、6號機組的水輪機由上海希科生產(簡稱：希科)，水輪機型號為 HLS217—LJ—585，額定轉速為100 r/min，主要由引水部件(蝸殼)，導水部件(導葉、頂蓋、底環、導葉臂、連桿、控制環、接力器等)，工作部件(轉輪)，泄水部件(尾水管)組成。水輪機結構橫剖面示意如圖1所示。

圖1 水輪機結構橫剖面示意

為了解決旋轉間隙漏水，在密封面之間加裝耐磨密封條，并通過壓縮的彈簧持續補償密封條與滑環之間的磨損量，達到最佳的止水效果，即主軸密封的工作原理。而潤滑水主要起潤滑的作用。

3 主軸密封結構及漏水事故原因分析

水輪機主軸密封是水輪機的一項重要保護，安裝在水導軸承的下面，能夠有效阻擋水流從主軸與頂蓋之間間隙上溢到機坑內，能夠防止水輪機導軸承及頂蓋被淹，能夠維持軸承和機組的正常運行。主軸密封結構示意如圖2所示，5號、6號水輪機主軸密封漏水統計見表1所示。

圖2 主軸密封結構示意

表1 5號、6號水輪機主軸密封漏水統計

其中，5號水輪機主軸密封2次嚴重漏水情況為：2016年8月大修完，投運僅僅1個月的時間，就發現主軸密封沿圓周噴水，且漏水量較大。為了盡快解決漏水問題，于2016年12月24日檢修人員對主軸密封進行了漏水處理，處理后投運1個月的時間，2017年1月19日再次發現主軸密封漏水加大。

在機組的日常維護中遇見較多的就是更換密封條。而5號和6號水輪機主軸密封的此次漏水頻繁且量大，如不采取緊急措施，有可能發生水淹廠房的事故。

主軸密封之所以漏水，是與相關的水源有密切的聯系，其水源主要來自以下兩方面：① 旋轉部件與固定部件之間的間隙(水輪機大軸與頂蓋之間的間隙)漏水；② 主軸密封潤滑水源。如何合理利用水源成為解決主軸密封漏水的關鍵所在。本文參考了一些標準，進行原因分析與對策研究[6-12]。

3.1 漏水原因可能性分析

原因一是螺栓強度偏低：在以往機組小修的過程中以及設備臺帳的記錄中，都有不同程度的螺栓松動、銹蝕、斷裂，導致主軸密封漏水。通常的做法是：緊固螺栓、除銹、更換。由此可知，螺栓強度偏低不是主要原因。

原因二是潤滑水壓不穩定：為了在密封條與滑環之間的結合面上形成均勻的水薄膜，達到止水與潤滑的作用。主軸密封的潤滑水壓就顯得尤為重要，如果出現水壓過低、潤滑水管淤堵導致流量減小、密封條與滑環的供水孔不一致、潤滑水管接頭漏水等都會使密封環抬升高度不夠，在壓簧的作用力下，加速密封條的磨損，最終導致主軸密封漏水。為此，潤滑水壓不穩定是主要原因。

原因三是“O”型密封條材質較差：根據主軸密封漏水故障處理的臺帳記錄，凡是遇到主軸密封分解檢查，都會發現相關的密封條已硬化，需要更換。因此，選擇彈性恢復力良好的密封條是解決問題的關鍵，所以“O”型密封條材質較差不是主要原因。

原因四是彈簧預緊力不一致：處理主軸密封漏水的過程中，發現壓簧螺堵要么絲扣全部旋入底部，要么壓簧螺堵至密封環水平面的高度差次不齊。依據規程規定新安裝的密封條，壓簧螺堵的絲扣是不能全部旋入底部，因為水壓與壓簧的預緊力只有在匹配一致的情況下，才能達到良好的止水效果。而壓簧螺堵至密封環水平面的高度要依據彈簧的有效長度決定，使其密封條受壓均衡，達到止水與潤滑的作用。因此，解決壓簧的預緊力是處理主軸密封漏水的關鍵，彈簧預緊力不一致是主要原因。

原因五是安裝工藝不熟悉：在以往的主軸密封漏水故障處理過程中，檢修人員大多數側重于表面缺陷，對于拆前、拆后的數據測量要么沒有、要么漏測、要么缺乏數據分析查找具體原因。然而，在安裝工藝中重點強調的就是數據，而數據則能直觀的反映檢修質量的優劣。因此，安裝工藝不熟悉是主要原因。

3.2 主因、對策、目標及措施

針對以上主因，制定了相應的措施，主因、對策、目標及措施見表2所示。

表2 主因、對策、目標及措施

4 處理措施及應用效果

依據主因，采取如下解決方案。

4.1 保持潤滑水壓的穩定性

1) 潤滑水管的接頭長時間浸泡在水中，加上機組的振動，是很容易出現松動、銹蝕、破裂，導致漏水。為此，更換了具有強度高、耐腐蝕的不銹鋼接頭。

2) 由于水質中的泥沙、雜質的多少，具有不定性，經常導致潤滑水管路淤堵。然而控制潤滑水壓的漩流器管徑更小，淤堵將直接導致：水壓偏小，密封條磨損加速，導致主軸密封漏水。為此制定了定期的清淤。

3) 充水試驗檢查密封環抬升高度的過程中，發現潤滑水壓低或流量不足，密封環的抬升高度為0，在彈簧受力均衡的情況下，是不允許的。經過反復試驗，確定主軸密封的潤滑水壓在0.6 MPa時，密封環的抬升高度合適(0.10～0.05 mm)，所測數據滿足規程要求。

4.2 保持彈簧受力均衡

1) 測量彈簧的自由高度。

2) 測量每個彈簧的安裝孔高。

3) 充水試驗，測量密封環的抬升高度值，確定每個彈簧的壓縮長度。

經過實施，支撐環水平面至密封環頂部的高度，檢修前后如圖3～4所示。

圖3 檢修前支撐環水平面至密封環頂部的高度示意(單位：0.01 mm)

圖4 檢修后支撐環水平面至密封環頂部的高度示意(單位：0.01 mm)

由上述數據可知，已解決彈簧預緊力不一致的問題。

4.3 掌握主軸密封的安裝工藝

1) 熟知主軸密封的安裝工藝要求。

2) 重點處理、檢測：① 滑環與大軸的接觸面是否100%的接觸；② 滑環組合縫的間隙是否在0.03 mm以內，超過0.20 mm需要重新加工滑環；③ 滑環與密封條之間的接觸面是否確保了2/3以上的密封面完全接觸，并且面接觸的間隙大于0.1 mm視為不合格，需要進行重新加工；④ 測量每個壓簧的自由高度，每個壓簧的壓縮長度一樣，以提高密封條與滑環的接觸面積。

經過實施，密封條與滑環之間的間隙，檢修前后如圖5～6所示；滑環的水平度，檢修前后如圖7～8所示。

圖5 檢修前密封條與滑環之間的間隙示意(單位：0.01 mm)

圖6 檢修后密封條與滑環之間的間隙示意(單位：0.01 mm)

圖7 檢修前滑環的水平度示意(單位：mm)

圖8 檢修后滑環的水平度示意(單位：mm)

由以上數據可知，只要嚴格按照工藝要求處理，檢修質量是完全可以達到安裝技術要求。經過最后的充水試驗和開機運行，主軸密封的漏水已很小，達到了控制目標，消除了缺陷。

4.4 處理措施及應用效果

整改后，經過最后的充水試驗和開機運行，密封條與滑環之間的接觸面良好，機組停機時，主軸密封基本無漏水；機組開機過程中，頂蓋水位在“最低水位190 mm(報警)”以下(如圖9所示)。

圖9 主軸密封檢修后的效果示意

后期鞏固措施：

1) 螺栓、銷釘應經常檢查其松動、斷裂、銹蝕情況，以便及時處理。

2) 在檢修中所遇到的平面密封和密封槽必須清理干凈，以達到最佳的止水效果。

3) 轉動部件與固定部件之間的密封面，需要注意3點：① 是否清潔；② 是否錯牙；③ 是否水平。

5 結語

本文通過事故分析，確定主因，制定對策，解決了主軸密封的漏水問題，避免了水淹事故的發生，消除了機組的重大隱患，確保了機組的安全運行。經過多次觀察主軸密封的漏水情況，頂蓋潛水泵的運行方式由手動操作轉為自動運行，減輕了日常運維工作量。運用以上方法對6號水輪機主軸密封進行處理，經過一段時間的工作，頂蓋漏水量也在預想范圍之內，滿足機組正常運行規范要求，提高了水輪機運行的安全性與可靠性，水輪機運行狀況良好。