水輪機(jī)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(guān) 036412)

1 概述

水電站的實(shí)際工作中，水輪機(jī)的主軸密封處于非常重要的位置，是水輪機(jī)關(guān)鍵部件之一，能影響水輪發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，好的密封方式可使水輪發(fā)電機(jī)處于較穩(wěn)定、可靠的狀態(tài)。

目前，大中型水電站要求水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況能夠集中監(jiān)控，重要運(yùn)行參數(shù)可進(jìn)行巡回檢測，做到無人值班、少人值守和遠(yuǎn)方監(jiān)控[1]。水輪機(jī)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(gè)大修期；水輪機(jī)主軸密封要求能夠?qū)崿F(xiàn)自補(bǔ)償調(diào)節(jié)或無需調(diào)節(jié)；要求水輪機(jī)主軸密封的工作狀態(tài)可通過傳感器件進(jìn)行檢測[2]。

水輪機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)化機(jī)器，其動(dòng)力來源于水，由于我國的地勢特點(diǎn)以及河流特點(diǎn)，河流中的泥沙較多，尤其是在雨季，較多的泥沙會(huì)給傳統(tǒng)的密封方式帶來破壞。很多密封方式在使用一段時(shí)間之后會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，從而影響正常的使用，開始出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)會(huì)產(chǎn)生漏水，這些漏水會(huì)沿著主軸與固定部件之間的間隙進(jìn)入機(jī)坑，妨礙其他設(shè)備的正常運(yùn)行，因此必須在主軸上設(shè)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(zhuǎn)動(dòng)部件之間的間隙漏水[3]。由于固定部件與轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間的間隙較大、轉(zhuǎn)速較高、水壓較大，所以間隙漏水很大。

在機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，經(jīng)常出現(xiàn)主軸密封漏水頻繁、量大的現(xiàn)象。水輪機(jī)主軸密封漏水大：影響機(jī)組安全運(yùn)行；頂蓋潛水泵持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致過載損壞；漏水較大需加裝多臺(tái)臨時(shí)潛水泵；滲漏集水井水位快速上升；嚴(yán)重時(shí)水淹廠房[4]。因此，主軸密封效果的好壞直接影響機(jī)組能否安全運(yùn)行[5]。

2 水輪機(jī)組成及工作原理

水輪發(fā)電機(jī)是指以水輪機(jī)為原動(dòng)機(jī)將水能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電機(jī)。水流經(jīng)過水輪機(jī)時(shí)，將水能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸又帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能而輸出。水輪機(jī)是水電站生產(chǎn)電能的主要?jiǎng)恿υO(shè)備。

某水電站位于黃河北干流上段，安裝有6臺(tái)立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為180 MW，其中5號(hào)、6號(hào)機(jī)組的水輪機(jī)由上海?？粕a(chǎn)(簡稱：?？?，水輪機(jī)型號(hào)為 HLS217—LJ—585，額定轉(zhuǎn)速為100 r/min，主要由引水部件(蝸殼)，導(dǎo)水部件(導(dǎo)葉、頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉臂、連桿、控制環(huán)、接力器等)，工作部件(轉(zhuǎn)輪)，泄水部件(尾水管)組成。水輪機(jī)結(jié)構(gòu)橫剖面示意如圖1所示。

圖1 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)橫剖面示意

為了解決旋轉(zhuǎn)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(xù)補(bǔ)償密封條與滑環(huán)之間的磨損量，達(dá)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(jié)構(gòu)及漏水事故原因分析

水輪機(jī)主軸密封是水輪機(jī)的一項(xiàng)重要保護(hù)，安裝在水導(dǎo)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(jī)坑內(nèi)，能夠防止水輪機(jī)導(dǎo)軸承及頂蓋被淹，能夠維持軸承和機(jī)組的正常運(yùn)行。主軸密封結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，5號(hào)、6號(hào)水輪機(jī)主軸密封漏水統(tǒng)計(jì)見表1所示。

圖2 主軸密封結(jié)構(gòu)示意

表1 5號(hào)、6號(hào)水輪機(jī)主軸密封漏水統(tǒng)計(jì)

其中，5號(hào)水輪機(jī)主軸密封2次嚴(yán)重漏水情況為：2016年8月大修完，投運(yùn)僅僅1個(gè)月的時(shí)間，就發(fā)現(xiàn)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(jìn)行了漏水處理，處理后投運(yùn)1個(gè)月的時(shí)間，2017年1月19日再次發(fā)現(xiàn)主軸密封漏水加大。

在機(jī)組的日常維護(hù)中遇見較多的就是更換密封條。而5號(hào)和6號(hào)水輪機(jī)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(fā)生水淹廠房的事故。

主軸密封之所以漏水，是與相關(guān)的水源有密切的聯(lián)系，其水源主要來自以下兩方面：① 旋轉(zhuǎn)部件與固定部件之間的間隙(水輪機(jī)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(guān)鍵所在。本文參考了一些標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)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(qiáng)度偏低：在以往機(jī)組小修的過程中以及設(shè)備臺(tái)帳的記錄中，都有不同程度的螺栓松動(dòng)、銹蝕、斷裂，導(dǎo)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(qiáng)度偏低不是主要原因。

原因二是潤滑水壓不穩(wěn)定：為了在密封條與滑環(huán)之間的結(jié)合面上形成均勻的水薄膜，達(dá)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(xiàn)水壓過低、潤滑水管淤堵導(dǎo)致流量減小、密封條與滑環(huán)的供水孔不一致、潤滑水管接頭漏水等都會(huì)使密封環(huán)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(dǎo)致主軸密封漏水。為此，潤滑水壓不穩(wěn)定是主要原因。

原因三是“O”型密封條材質(zhì)較差：根據(jù)主軸密封漏水故障處理的臺(tái)帳記錄，凡是遇到主軸密封分解檢查，都會(huì)發(fā)現(xiàn)相關(guān)的密封條已硬化，需要更換。因此，選擇彈性恢復(fù)力良好的密封條是解決問題的關(guān)鍵，所以“O”型密封條材質(zhì)較差不是主要原因。

原因四是彈簧預(yù)緊力不一致：處理主軸密封漏水的過程中，發(fā)現(xiàn)壓簧螺堵要么絲扣全部旋入底部，要么壓簧螺堵至密封環(huán)水平面的高度差次不齊。依據(jù)規(guī)程規(guī)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?yàn)樗畨号c壓簧的預(yù)緊力只有在匹配一致的情況下，才能達(dá)到良好的止水效果。而壓簧螺堵至密封環(huán)水平面的高度要依據(jù)彈簧的有效長度決定，使其密封條受壓均衡，達(dá)到止水與潤滑的作用。因此，解決壓簧的預(yù)緊力是處理主軸密封漏水的關(guān)鍵，彈簧預(yù)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(shù)側(cè)重于表面缺陷，對于拆前、拆后的數(shù)據(jù)測量要么沒有、要么漏測、要么缺乏數(shù)據(jù)分析查找具體原因。然而，在安裝工藝中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的就是數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)則能直觀的反映檢修質(zhì)量的優(yōu)劣。因此，安裝工藝不熟悉是主要原因。

3.2 主因、對策、目標(biāo)及措施

針對以上主因，制定了相應(yīng)的措施，主因、對策、目標(biāo)及措施見表2所示。

表2 主因、對策、目標(biāo)及措施

4 處理措施及應(yīng)用效果

依據(jù)主因，采取如下解決方案。

4.1 保持潤滑水壓的穩(wěn)定性

1) 潤滑水管的接頭長時(shí)間浸泡在水中，加上機(jī)組的振動(dòng)，是很容易出現(xiàn)松動(dòng)、銹蝕、破裂，導(dǎo)致漏水。為此，更換了具有強(qiáng)度高、耐腐蝕的不銹鋼接頭。

2) 由于水質(zhì)中的泥沙、雜質(zhì)的多少，具有不定性，經(jīng)常導(dǎo)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(dǎo)致：水壓偏小，密封條磨損加速，導(dǎo)致主軸密封漏水。為此制定了定期的清淤。

3) 充水試驗(yàn)檢查密封環(huán)抬升高度的過程中，發(fā)現(xiàn)潤滑水壓低或流量不足，密封環(huán)的抬升高度為0，在彈簧受力均衡的情況下，是不允許的。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，確定主軸密封的潤滑水壓在0.6 MPa時(shí)，密封環(huán)的抬升高度合適(0.10～0.05 mm)，所測數(shù)據(jù)滿足規(guī)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(gè)彈簧的安裝孔高。

3) 充水試驗(yàn)，測量密封環(huán)的抬升高度值，確定每個(gè)彈簧的壓縮長度。

經(jīng)過實(shí)施，支撐環(huán)水平面至密封環(huán)頂部的高度，檢修前后如圖3～4所示。

圖3 檢修前支撐環(huán)水平面至密封環(huán)頂部的高度示意(單位：0.01 mm)

圖4 檢修后支撐環(huán)水平面至密封環(huán)頂部的高度示意(單位：0.01 mm)

由上述數(shù)據(jù)可知，已解決彈簧預(yù)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(diǎn)處理、檢測：① 滑環(huán)與大軸的接觸面是否100%的接觸；② 滑環(huán)組合縫的間隙是否在0.03 mm以內(nèi)，超過0.20 mm需要重新加工滑環(huán)；③ 滑環(huán)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(jìn)行重新加工；④ 測量每個(gè)壓簧的自由高度，每個(gè)壓簧的壓縮長度一樣，以提高密封條與滑環(huán)的接觸面積。

經(jīng)過實(shí)施，密封條與滑環(huán)之間的間隙，檢修前后如圖5～6所示；滑環(huán)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(huán)之間的間隙示意(單位：0.01 mm)

圖6 檢修后密封條與滑環(huán)之間的間隙示意(單位：0.01 mm)

圖7 檢修前滑環(huán)的水平度示意(單位：mm)

圖8 檢修后滑環(huán)的水平度示意(單位：mm)

由以上數(shù)據(jù)可知，只要嚴(yán)格按照工藝要求處理，檢修質(zhì)量是完全可以達(dá)到安裝技術(shù)要求。經(jīng)過最后的充水試驗(yàn)和開機(jī)運(yùn)行，主軸密封的漏水已很小，達(dá)到了控制目標(biāo)，消除了缺陷。

4.4 處理措施及應(yīng)用效果

整改后，經(jīng)過最后的充水試驗(yàn)和開機(jī)運(yùn)行，密封條與滑環(huán)之間的接觸面良好，機(jī)組停機(jī)時(shí)，主軸密封基本無漏水；機(jī)組開機(jī)過程中，頂蓋水位在“最低水位190 mm(報(bào)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(yīng)經(jīng)常檢查其松動(dòng)、斷裂、銹蝕情況，以便及時(shí)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(dá)到最佳的止水效果。

3) 轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件之間的密封面，需要注意3點(diǎn)：① 是否清潔；② 是否錯(cuò)牙；③ 是否水平。

5 結(jié)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(fā)生，消除了機(jī)組的重大隱患，確保了機(jī)組的安全運(yùn)行。經(jīng)過多次觀察主軸密封的漏水情況，頂蓋潛水泵的運(yùn)行方式由手動(dòng)操作轉(zhuǎn)為自動(dòng)運(yùn)行，減輕了日常運(yùn)維工作量。運(yùn)用以上方法對6號(hào)水輪機(jī)主軸密封進(jìn)行處理，經(jīng)過一段時(shí)間的工作，頂蓋漏水量也在預(yù)想范圍之內(nèi)，滿足機(jī)組正常運(yùn)行規(guī)范要求，提高了水輪機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性，水輪機(jī)運(yùn)行狀況良好。