引黃工程大型水泵主軸密封裝置工作原理及故障分析

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、大同等重工業城市，滿足當地生活和工業用水的需要。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環境。

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現問題。在引黃工程輸水運行過程中，發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;3-動密封環;4-傳動銷;5-可移動密封座;6-固定密封環;7-徑向密封環;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6、可軸向移動的密封座5、動密封環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，動密封環為軸向分瓣結構，由碳化硅加工而成，分瓣的動密封環裝在軸向可移動的密封座上，彈簧和導桿決定了動密封環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7、頂部環狀密封15等組成，下部固定座11采用螺栓固定在水泵的頂蓋上。動環與靜環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，密封面摩擦發熱，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和靜環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7由密封外殼內嵌入的碳石墨環與固定在主軸上的涂有陶瓷涂層固定密封環6形成密封面，碳石墨環由一個整環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域，外界提供的主軸密封水使該區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15由兩瓣碳石墨環與主軸形成密封面，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，密封裝置的動環與靜環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，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，使得主軸密封的穩定性大大提高，至今未發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節，在水電行業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。