大渡河安谷水電站1號(hào)水輪機(jī)主軸密封處理方式新探

張 冰 雪，　程 海 峰，　張 海 江

(中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)圣達(dá)水電有限公司，四川 樂(lè)山　614013)

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大渡河安谷水電站1號(hào)水輪機(jī)主軸密封處理方式新探

張 冰 雪，程 海 峰，張 海 江

(中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)圣達(dá)水電有限公司，四川 樂(lè)山614013)

摘要：從安谷電站機(jī)組處理情況來(lái)看，在分析處理過(guò)程中，不但需要認(rèn)真詳細(xì)梳理本臺(tái)機(jī)組主軸密封及相關(guān)部件安裝過(guò)程中每一個(gè)環(huán)節(jié)，認(rèn)真細(xì)致查閱本臺(tái)機(jī)組主軸密封及相關(guān)部件驗(yàn)收過(guò)程中每一份資料；而且要比對(duì)其他機(jī)組相同部件相同部位相同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)和資料，從中找出那怕是很細(xì)微的差別，這些細(xì)微的差別也許就是很重要的突破口。還要從設(shè)計(jì)、制造、安裝、驗(yàn)收等各個(gè)層面著手進(jìn)行優(yōu)化和控制，確保機(jī)組主軸密封缺陷處理方便及時(shí)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：安谷水電站；主軸密封；問(wèn)題；原因；處理措施

1電站概況

大渡河安谷水電站位于四川省樂(lè)山市市中區(qū)安谷鎮(zhèn)與沙灣區(qū)嘉農(nóng)鎮(zhèn)接壤的大渡河干流上，為大渡河干流梯級(jí)開發(fā)中的最后一級(jí)。本工程采用混合開發(fā)方式，即建壩壅水高20.0m，河床式廠房；廠后接長(zhǎng)約9 461m的尾水渠，尾水渠利用落差15.5m。電站正常蓄水位398.0m，相應(yīng)庫(kù)容6 330萬(wàn)m3。電站安裝4臺(tái)單機(jī)19萬(wàn)千瓦大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，額定水頭33.0m，設(shè)計(jì)引用流量2 576.0m3/s；為滿足下游原河床生態(tài)用水，在泄洪渠安裝1.2萬(wàn)kW生態(tài)機(jī)組，總裝機(jī)容量77.2萬(wàn)kW，多年平均發(fā)電量31.44億kWh，利用時(shí)數(shù)4 073h。水電站于2012年3月日開工建設(shè)。2015年8月全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

21號(hào)機(jī)組調(diào)試期間主軸密封運(yùn)行存在的問(wèn)題

安谷水電站1#機(jī)組2014年12月11日進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行，機(jī)組振動(dòng)擺度等各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)良好。但是在機(jī)組調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：機(jī)組空轉(zhuǎn)、空載及機(jī)組帶負(fù)荷2萬(wàn)kW以下時(shí)， 1臺(tái)頂蓋泵運(yùn)行就能保持頂蓋水位不繼續(xù)上升；但負(fù)荷在2萬(wàn)kW及以上時(shí)，主軸密封效果驟然下降，頂蓋漏水大增，水位上漲較快，設(shè)計(jì)4臺(tái)頂蓋排水泵全部運(yùn)行都不能保持頂蓋水位，不能滿足機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

3水輪機(jī)主軸密封結(jié)構(gòu)及其工作原理

3.1安谷水電站水輪機(jī)主軸密封結(jié)構(gòu)

主軸密封分為檢修密封和工作密封。檢修密封由檢修密封座、空氣圍帶、檢修密封蓋等組成；在機(jī)組停機(jī)或檢修狀態(tài)下，給空氣圍帶持續(xù)通入壓縮空氣使圍帶膨脹，從而將轉(zhuǎn)動(dòng)件和固定件之間的間隙填塞，阻止流道中的壓力水源進(jìn)入頂蓋里面。工作密封主要由轉(zhuǎn)環(huán)、密封環(huán)、固緊環(huán)、密封水供給管路等組成；在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下，給主軸密封裝置持續(xù)通入清潔的主軸密封壓力水，從而在轉(zhuǎn)環(huán)與密封環(huán)之間形成水膜，阻止流道中的壓力水源進(jìn)入頂蓋里面。具體結(jié)構(gòu)見圖1。

3.2工作原理

在水機(jī)軸護(hù)蓋(轉(zhuǎn)動(dòng)件)上固定不銹鋼轉(zhuǎn)環(huán)(序25)隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)；在與支持蓋固定的固緊環(huán)(固定件)下通過(guò)彈簧和旋塞布置密封環(huán)(序23)，在密封環(huán)下部布置復(fù)合材料制成的密封塊(序24)；轉(zhuǎn)環(huán)與密封塊既要相互貼合又不能貼合過(guò)緊。相互貼合，可以利用主軸密封水壓和貼合面的水膜抵御流道來(lái)水，不能過(guò)緊主要是防止干摩擦燒損密封塊，破壞貼合面，達(dá)不到封水效果。密封環(huán)與密封塊上均設(shè)有通水孔，依靠清潔水潤(rùn)滑冷卻潤(rùn)滑貼合面，依靠密封環(huán)上部的彈簧和密封環(huán)內(nèi)置管腔中的主軸密封水壓，密封環(huán)與密封塊一起可以緊隨轉(zhuǎn)環(huán)位置上下浮動(dòng)，進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，便于在密封塊逐漸磨損過(guò)程中和機(jī)組抬機(jī)狀態(tài)下以及機(jī)組下沉過(guò)程中均能達(dá)到封水效果。

3.3頂蓋排水設(shè)施配置

圖1　主軸密封結(jié)構(gòu)圖

由于主軸密封水通入密封裝置后也需要排 出，而且也不可能做到完全阻止流道水量流入頂蓋，同時(shí)伴隨結(jié)構(gòu)和裝置的特點(diǎn)及使用性能變化，流入頂蓋的水量在不同工況下差別還比較大，頂蓋內(nèi)都要配置足夠的頂蓋排水設(shè)施，確保廠房安全。安谷水電站實(shí)際配置2臺(tái)流量為54m3/h自吸泵和兩臺(tái)流量為23m3/h潛水泵作為頂蓋排水泵，兩臺(tái)自吸泵一主一備互相切換，兩臺(tái)潛水泵并列運(yùn)行，作為二級(jí)備用。

4原因分析

4.1加裝臨時(shí)泵

根據(jù)同類型機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)結(jié)合本電站實(shí)際，為了確切弄清楚主軸密封漏水的水量大小，并驗(yàn)證頂蓋排水泵設(shè)計(jì)是否偏小。經(jīng)討論研究后，為了取得相關(guān)數(shù)據(jù)并確保安全，決定通過(guò)加裝臨時(shí)潛水泵輔助排水并進(jìn)行觀察實(shí)驗(yàn)。具體觀察試驗(yàn)結(jié)果是：機(jī)組帶負(fù)荷2萬(wàn)以上時(shí)，機(jī)組配置的4臺(tái)頂蓋排水泵全部啟動(dòng)后，頂蓋水位仍然上升， 兩臺(tái)流量為60m3/h臨時(shí)潛水泵一并投運(yùn)后，頂蓋水位不再上升，不能滿足運(yùn)行要求。

4.2調(diào)整主軸密封水壓

根據(jù)廠家設(shè)計(jì)要求，主軸密封水源壓力要求為0.2～0.4MPa?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀測(cè)：主軸密封水壓主用水源取自消防管路，消防管路日常水壓通過(guò)壩頂消防水箱維持管路壓力在0.4MPa；主軸密封主用水源管路上裝設(shè)兩個(gè)濾水器，由于濾水器的減壓作用使得主軸密封進(jìn)口壓力最大只能維持在0.32MPa。結(jié)合曾提出但未實(shí)施的想法(在主軸密封水源進(jìn)口管路上設(shè)置加壓泵以增加主軸密封水壓)進(jìn)行判斷認(rèn)為：漏水量大主要與主軸密封水壓不夠有關(guān)。于是現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整主軸密封水壓進(jìn)行試驗(yàn)：

(1) 主軸密封水源管路上裝設(shè)兩道濾水器中的濾心取掉，主軸密封進(jìn)口壓力提高到0.36MPa；

(2)將將消防水管路壓力通過(guò)消防泵加壓到0.55MPa，主軸密封進(jìn)口壓力提高到0.47MPa。

觀察結(jié)果為：此兩種狀況對(duì)主軸密封漏水量影響基本沒(méi)有變化。需要說(shuō)明的是，在調(diào)整主軸密封水壓過(guò)程中，為了取得各種工況的數(shù)據(jù)，曾一度將水壓調(diào)至很低至0.05MPa，然后逐漸調(diào)至各種壓力，也沒(méi)有明顯效果。故排除主軸密封壓力的因素。

4.3處理密封環(huán)上部的壓緊彈簧

經(jīng)詳細(xì)比較分析，發(fā)現(xiàn)1#機(jī)組所用密封環(huán)上部的彈簧與2#機(jī)組不一致。1#機(jī)組的彈簧短且性能沒(méi)有2#機(jī)組的好。正常情況下，在密封環(huán)自身重力和均布的28顆彈簧壓縮下，并利用主軸密封水壓，密封環(huán)及密封塊緊貼轉(zhuǎn)環(huán)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)密封。1#機(jī)組空轉(zhuǎn)、空載及低負(fù)荷(2萬(wàn)以下)運(yùn)行時(shí)密封良好；隨負(fù)荷增加，漏水量加大，主要因素應(yīng)該是：隨負(fù)荷增加，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分軸向水推力增大，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分向下位移，但是彈簧彈力不足，密封環(huán)未隨機(jī)組向下移動(dòng)或向下移動(dòng)壓緊力不足，導(dǎo)致密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)之間間隙過(guò)大，水流由流道大量涌入。

經(jīng)分析研究，決定對(duì)1#機(jī)組的壓緊彈簧采用循序漸進(jìn)的方式進(jìn)行處理并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。首先，在彈簧和彈簧壓緊螺釘間加裝厚20mm平墊進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)明顯效果；隨后，直接更換彈簧，先后三次分別更換8顆、16顆、28顆，進(jìn)行試驗(yàn)，更換彈簧時(shí)對(duì)稱進(jìn)行，三次試驗(yàn)均無(wú)明顯效果。

4.4拆解密封裝置

為了進(jìn)一步分析處理，拆解工作密封檢查，主要檢查結(jié)果為：(1)止動(dòng)銷下部有呈黑色嚴(yán)重劃痕；(2)密封環(huán)φ9密封圈自動(dòng)脫掉；(3)密封環(huán)與固緊環(huán)接觸面有毛刺和劃傷痕跡；(4)密封塊工作面磨損嚴(yán)重；轉(zhuǎn)環(huán)表面有劃痕。

根據(jù)檢查情況推測(cè)：止動(dòng)銷和止動(dòng)板之間存在憋勁，密封環(huán)后φ9密封圈過(guò)長(zhǎng),密封環(huán)及固緊環(huán)受力不均且有憋勁。這幾種因素綜合起來(lái)，影響了密封環(huán)的上下自由浮動(dòng)，當(dāng)機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行受到水推力下沉?xí)r，密封環(huán)未跟著下沉，從而未發(fā)揮密封作用。同時(shí)從密封塊及轉(zhuǎn)環(huán)貼合面損傷情況分析，主要有以下因素：(1)實(shí)際運(yùn)行中，轉(zhuǎn)環(huán)上平面的平面度或(和)密封環(huán)下平面的平面度不符合要求；(2)前期調(diào)整主軸密封水壓過(guò)程中，在機(jī)組開機(jī)空轉(zhuǎn)或負(fù)荷在上2萬(wàn)W以下時(shí)，主軸密封水壓調(diào)整的過(guò)低，密封塊與轉(zhuǎn)環(huán)貼合面未形成有效水膜，而且流道來(lái)水中含有大量泥沙等因素致使結(jié)合面干摩擦所致。

分析之后，然后進(jìn)行如下處理：對(duì)止動(dòng)板銷槽上下直角口倒角處理，對(duì)銷柱進(jìn)行加工，將直徑減小1mm；將φ9密封圈長(zhǎng)出部分剪掉，重新裝配密封圈；對(duì)密封環(huán)內(nèi)、外側(cè)面毛刺及轉(zhuǎn)環(huán)劃痕進(jìn)行打磨處理；對(duì)密封塊工作面和轉(zhuǎn)環(huán)工作面配刨處理(返廠)；對(duì)大軸護(hù)蓋打磨，重新配裝轉(zhuǎn)環(huán)，按要求調(diào)整轉(zhuǎn)環(huán)上平面的平面度、密封環(huán)下平面的平面度、密封環(huán)導(dǎo)向段垂直度。進(jìn)行回裝，開機(jī)試驗(yàn)，漏水情況沒(méi)有改變。

4.5再次拆解密封裝置

在上述試驗(yàn)和處理結(jié)果的基礎(chǔ)上經(jīng)多次討論綜合分析，認(rèn)為造成目前狀況的主要因素在于：在密封裝置或者是護(hù)蓋等封水部位的某個(gè)部件存在直接漏水通道(或是結(jié)構(gòu)性裂紋或者焊縫裂紋)，導(dǎo)致流道中的壓力水源直接漏進(jìn)頂蓋里面。再次拆解密封裝置，進(jìn)行全面檢查，重點(diǎn)進(jìn)行各種可能的水流試驗(yàn)尋找漏水的通道。

4.5.1密封環(huán)外側(cè)的O型密封圈處漏水

測(cè)量間隙值，X方向約0.45mm，Y方向約0.36mm，此狀態(tài)不足以導(dǎo)致頂蓋漏水無(wú)法控制。

4.5.2密封環(huán)工作面漏水

停機(jī)態(tài)時(shí)關(guān)閉主軸密封水源，通過(guò)投退檢修密封觀察頂蓋里面涌水情況，判斷是否從密封環(huán)工作面大量來(lái)水。(1) 投入空氣圍帶，將頂蓋水位抽至低水位，在密封環(huán)上方均勻架設(shè)4個(gè)千斤頂和鋼管，使密封環(huán)向下緊貼轉(zhuǎn)環(huán)。(2)打開空氣圍帶排氣閥，退出空氣圍帶。觀察：水流從密封面大量涌出。(3)拆解4個(gè)千斤頂，讓密封環(huán)自由落于轉(zhuǎn)環(huán)上方。(4)重復(fù)上述(1)(2)試驗(yàn)，觀察：水流從密封面大量涌出。由此可見，密封環(huán)工作面本身漏水可能性較小，來(lái)水主要在于密封面之外其他位置，并大量涌向密封工作面。

4.5.3結(jié)構(gòu)性裂紋或焊縫裂紋或螺紋漏水

4.5.3.1初步檢查判斷

停機(jī)態(tài)時(shí)，通過(guò)投退主軸密封水源，觀察頂蓋里面水流去向，判斷是否存在裂紋以及裂紋所在部位。打開主軸密封水(開很小量)，密封水流入密封環(huán)內(nèi)側(cè)，進(jìn)行觀察：密封環(huán)內(nèi)側(cè)水位不變，表明不正常。正常情況應(yīng)該是密封環(huán)內(nèi)側(cè)水位要上漲，之后從密封環(huán)上方翻過(guò)。關(guān)閉密封水，觀察：密封環(huán)內(nèi)側(cè)水位下降，表明也不正常。正常情況是水位保持。初步判斷護(hù)蓋本身可能存在裂紋而滲漏。

4.5.3.2進(jìn)一步檢查判斷

將固緊環(huán)、密封環(huán)、密封支架等部件全部吊起，在護(hù)蓋轉(zhuǎn)環(huán)內(nèi)側(cè)輕微少量逐步加水(主軸密封水)，同時(shí)噴灑染色劑，觀察：水位開始與與轉(zhuǎn)環(huán)表面平齊，然后逐漸降低至護(hù)蓋表面，最后保持住該水位，同時(shí)染色劑在水面流動(dòng)。從幾個(gè)方向觀察，發(fā)現(xiàn)染色劑流向護(hù)蓋沉頭螺栓緊固處(護(hù)蓋是通過(guò)沉頭螺栓與大軸螺栓進(jìn)行把合固定)。由此進(jìn)一步判斷，護(hù)蓋沉頭螺栓緊固處可能存在直接漏水通道。

4.5.3.3確認(rèn)判斷

將護(hù)蓋全部24顆沉頭螺栓拆下，檢查發(fā)現(xiàn)：沉頭螺栓緊固處均沒(méi)有加裝墊片。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和螺栓規(guī)格尺寸分析：由于沒(méi)有墊片，且螺栓存在圓倒角，導(dǎo)致沉頭螺栓未與護(hù)蓋完全結(jié)合緊密，自然形成了流道與頂蓋的水流通道。

5處理過(guò)程

(1)清理沉頭螺栓，回裝時(shí)加裝平墊圈，重點(diǎn)檢查：螺栓安裝扭矩達(dá)到設(shè)計(jì)要求；護(hù)蓋筋板頂緊在主軸上確保護(hù)蓋下部角密封可靠。

(2)為可靠防動(dòng)和絕對(duì)防止漏水，在沉頭螺栓上方增加螺栓封蓋，封蓋用現(xiàn)場(chǎng)鋼板制作，封蓋與護(hù)蓋焊接一體，將將螺栓密閉封住，徹底截?cái)嗔鞯琅c頂蓋的自然水流通道。

(3)焊接后進(jìn)行轉(zhuǎn)環(huán)回裝，重點(diǎn)盤車檢查轉(zhuǎn)環(huán)水平度及平面度。

(4)回裝主軸密封，重點(diǎn)檢查轉(zhuǎn)環(huán)和密封塊分瓣面涂抹密封膠，轉(zhuǎn)環(huán)和密封塊貼合緊密。

(5)考慮主軸密封環(huán)與固緊環(huán)間隙較大的現(xiàn)狀，原密封環(huán)上使用的φ9橡膠圓條更換為φ10橡膠圓條，重點(diǎn)檢查更換后密封環(huán)頂起試驗(yàn)效果。

處理完畢開機(jī)運(yùn)行，主軸密封漏水量大大減小。經(jīng)測(cè)量在各種工況下，1臺(tái)潛水泵大約間隔7分鐘運(yùn)行7分鐘，完全能夠滿足機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行需要。

6結(jié)語(yǔ)

由于安谷電站機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主軸密封裝置位于支撐蓋中錐內(nèi)且在水導(dǎo)軸承下方，空間狹小，操作不便，安裝和處理難度大。從本電站處理情況來(lái)看，在分析處理過(guò)程中，不但需要認(rèn)真詳細(xì)梳理本臺(tái)機(jī)組主軸密封及相關(guān)部件安裝過(guò)程中每一個(gè)環(huán)節(jié)，認(rèn)真細(xì)致查閱本臺(tái)機(jī)組主軸密封及相關(guān)部件驗(yàn)收過(guò)程中每一份資料；而且要比對(duì)其他機(jī)組相同部件相同部位相同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)和資料，從中找出那怕是很細(xì)微的差別，這些細(xì)微的差別也許就是很重要的突破口；同時(shí)，要堅(jiān)持頭腦風(fēng)暴法，發(fā)散思維，堅(jiān)持懷疑一切的思路，堅(jiān)決摒棄驗(yàn)收通過(guò)了的就沒(méi)問(wèn)題的思考方法；要充分利用一切措施對(duì)懷疑的可能因素進(jìn)行排查確認(rèn)，包括設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)特性、連接構(gòu)件及封焊情況；最后，還要從設(shè)計(jì)、制造、安裝、驗(yàn)收等各個(gè)層面著手進(jìn)行優(yōu)化和控制，確保機(jī)組主軸密封缺陷處理方便及時(shí)，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

張冰雪(1973-)，男，四川閬中人，水利水電動(dòng)力工程專業(yè)本科畢業(yè)，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，從事水電站機(jī)電技術(shù)管理；

程海峰(1977-)，男，安徽霍山人，發(fā)電廠及電力系統(tǒng)專業(yè)?？飘厴I(yè)，技師，從事水電站機(jī)電技術(shù)管理；

張海江(1986-)，男，云南石林人，能源動(dòng)力系統(tǒng)及自動(dòng)化專業(yè)本科畢業(yè)，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，從事水電站機(jī)電技術(shù)管理.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

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收稿日期:2015-09-15

文章編號(hào):1001-2184(2015)06-0180-04

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):[TM622]；TK73；U464.133+.4

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