杜 永

（國網(wǎng)新源豐滿電廠，吉林省吉林市 132108）

水電機(jī)組工作密封燒損的分析與解決

杜 永

（國網(wǎng)新源豐滿電廠，吉林省吉林市 132108）

本文簡要介紹了小孤山電站2號機(jī)組空負(fù)荷啟動(dòng)過程中，出現(xiàn)水輪機(jī)主軸密封燒損問題，通過對該問題進(jìn)行現(xiàn)場分析，找出了故障的主要原因，并采取行之有效的措施，從根本上解決了水輪機(jī)主軸密封燒損問題，為水電機(jī)組的運(yùn)行、維護(hù)積累了經(jīng)驗(yàn)。

水輪機(jī)；主軸密封；燒損；分析；改進(jìn)

1 概述

小孤山電站位于遼寧蒲石河蓄能有限公司（以下簡稱蒲蓄）下水庫，為蒲蓄公司廠用電的備用電源，對于合理利用水資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境起到重要作用。小孤山電站2號機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，空負(fù)荷開機(jī)約2min水車室出現(xiàn)橡膠燒損的焦臭味，被迫緊急停機(jī)。工程技術(shù)人員對該問題進(jìn)行現(xiàn)場分析，找出了故障的主要原因，通過采取行之有效的措施，從根本上解決了水輪機(jī)主軸密封燒損問題，為水電機(jī)組的運(yùn)行、維護(hù)積累了經(jīng)驗(yàn)。

2 橡膠焦臭味的查找與原因分析

2.1 故障現(xiàn)象

小孤山電站2號機(jī)組安裝首次啟機(jī)試驗(yàn)前，檢查水壓符合設(shè)計(jì)要求，各動(dòng)靜密封點(diǎn)無異常。水輪機(jī)工作密封活塞式橡膠密封環(huán)已頂起，密封嚴(yán)密，無漏水現(xiàn)象。啟機(jī)約2min后，產(chǎn)生非常濃烈橡膠焦臭味，被迫停機(jī)檢查分析原因。

2.2 橡膠焦臭味的查找

轉(zhuǎn)輪室內(nèi)除電氣設(shè)備、元件外，其余都是機(jī)械構(gòu)件以及為數(shù)極少的橡膠密封材料（如盤根、圍帶和密封環(huán)）。在排除電氣設(shè)備、元件故障的可能后，能在發(fā)熱后冒煙并散發(fā)橡膠焦臭味的就只能是這些橡膠制品。

機(jī)組停機(jī)切斷密封環(huán)冷卻水源后，對照2號機(jī)組安裝圖紙，從上到下逐一排查機(jī)組各個(gè)動(dòng)靜密封點(diǎn)，檢查到水輪機(jī)工作密封時(shí)發(fā)現(xiàn)活塞式橡膠密封環(huán)未下落，水壓仍保持0.2MPa，密封環(huán)與抗磨環(huán)零間隙。抗磨板表面溫度較高，橡膠焦臭味源初步判定為是由主軸密封燒損發(fā)出的。

2.3 原因分析

2.3.1 主軸密封工作原理

根據(jù)機(jī)組的結(jié)構(gòu)、水頭、軸徑、轉(zhuǎn)速、水質(zhì)及使用頻率等數(shù)據(jù)綜合考慮，小孤山電站主軸密封形式為端面接觸式主軸密封。其主體為空氣圍帶、活塞式橡膠密封環(huán)（以下統(tǒng)稱密封環(huán)）、密封座和抗磨環(huán)。裝配圖如圖1所示。

主軸密封緊靠水輪機(jī)主軸下法蘭端面，在水導(dǎo)軸承下方由頂蓋支撐，作用是有效地阻擋水流從大軸與頂蓋之間的間隙上溢，控制機(jī)組旋轉(zhuǎn)部分和固定部分的漏水量，防止水導(dǎo)軸承和頂蓋被淹。由運(yùn)行狀態(tài)下的工作密封和靜止?fàn)顟B(tài)下的檢修密封組成。其工作原理是：

圖1 密封裝配示意圖

圖2 燒損的橡膠密封環(huán)

（1）當(dāng)機(jī)組由停機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，密封環(huán)在水壓的推力作用下，沿密封座內(nèi)導(dǎo)向桿向上滑動(dòng)與抗磨環(huán)間形成一水膜（設(shè)計(jì)水膜厚度0.03～0.08mm），其作用相當(dāng)于流體靜水壓軸承將旋轉(zhuǎn)抗磨環(huán)與靜止密封環(huán)分開，使它們不發(fā)生直接摩擦從而減少磨損量，并帶走摩擦產(chǎn)生的熱量。此時(shí)，切斷檢修密封氣源，打開排氣閥排氣，空氣圍帶內(nèi)在彈力的作用下與主軸徹底分離（設(shè)計(jì)間隙為1mm），從而退出運(yùn)行。

（2）當(dāng)機(jī)組由運(yùn)行轉(zhuǎn)停機(jī)狀態(tài)時(shí)，檢修密封空氣圍帶在壓縮空氣的作用下，其非約束部分受壓鼓起，與主軸環(huán)緊密接觸，從而阻斷尾水竄入水輪機(jī)頂蓋的通道，而起到密封作用；工作密封環(huán)此時(shí)在密封座內(nèi)靠自重沿導(dǎo)向桿自由下落到底部，從而退出運(yùn)行。

2.3.2 原因判定

將0.50mm塞尺強(qiáng)行插入密封環(huán)與抗磨環(huán)接觸面后，先后有熱水蒸氣、熱水溢出，水壓開始下降，水壓下降為0MPa時(shí)抽出塞尺，發(fā)現(xiàn)塞尺上粘有一層橡膠。

根據(jù)以上情況可以判定，小孤山電站2號機(jī)組在首次空負(fù)荷開機(jī)時(shí)，由于壓力水開啟后密封環(huán)首先被水壓頂緊，通流孔被抗磨環(huán)封堵，使得密封環(huán)摩擦面在開機(jī)的空負(fù)荷階段不能產(chǎn)生流動(dòng)水膜，開機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)與密封環(huán)之間出現(xiàn)干摩擦或臨界干摩擦，造成密封環(huán)嚴(yán)重發(fā)熱冒煙，并散發(fā)出橡膠焦臭味。

圖3 抗磨環(huán)上粘連的橡膠

2.3.3 密封燒損情況

分解工作密封，拆下抗磨環(huán)，發(fā)現(xiàn)密封環(huán)與抗磨環(huán)的接觸部分融化。融化的橡膠粘在抗磨環(huán)表面，密封環(huán)上平面有嚴(yán)重焦化現(xiàn)象，主軸和密封座間存在大量橡膠燒損形成的膠顆粒，燒損情況如圖2、圖3所示。

密封環(huán)沿導(dǎo)向桿上下移動(dòng)阻力較大，導(dǎo)向桿無彎曲、無變形。塞尺檢查檢修密封空氣圍帶與主軸間間隙符合設(shè)計(jì)要求的1mm，密封空氣圍帶無磨損。

2.3.4 原因分析

這些作為水輪機(jī)密封用的橡膠密封制品全都安裝在水上。機(jī)組開機(jī)前，空氣圍帶排氣退出，密封環(huán)潤滑冷卻水投入，密封環(huán)頂起，此時(shí)空氣圍帶和密封環(huán)都浸泡在水中。可想而知，浸泡在水中的空氣圍帶即使與金屬物體發(fā)生運(yùn)動(dòng)摩擦，也不可能發(fā)熱冒煙。換句話說，這些橡膠密封如果發(fā)熱冒煙，一定存在干性或臨界干性的相對運(yùn)動(dòng)摩擦。

針對小孤山電站水輪機(jī)主軸密封的具體結(jié)構(gòu)，在水輪機(jī)各種密封裝置中，存在相對摩擦運(yùn)動(dòng)可能的只有檢修密封和工作密封兩種。

前者有一種情況可能發(fā)生運(yùn)動(dòng)摩擦：開機(jī)時(shí)空氣圍帶尚未排氣卸壓，機(jī)組就開機(jī)；對于檢修密封來說，其摩擦面始終浸泡在水中，其結(jié)果雖然會(huì)損壞空氣圍帶，卻不可能因此產(chǎn)生濃煙。對于后者，它雖然被固定在密封座里，只能作上下運(yùn)動(dòng)，不能作圓周運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)，但是，抗磨環(huán)卻是隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)的。顯然，密封環(huán)存在運(yùn)動(dòng)摩擦。但密封環(huán)是靠清潔水流作為其摩擦面的潤滑介質(zhì)的，因此必須對密封環(huán)的工況作進(jìn)一步剖析。

活塞式橡膠密封環(huán)安裝在密封座里，密封座中均布2根活φ16mm的定位銷亦稱導(dǎo)向桿（如圖4所示），限制密封環(huán)只能作上下運(yùn)動(dòng)，不能作環(huán)向運(yùn)動(dòng)和徑向運(yùn)動(dòng)。

圖4 導(dǎo)向桿

在密封環(huán)上下端面之間有4個(gè)均布的φ5mm通流孔（如圖5所示）。發(fā)開機(jī)令后，密封環(huán)上腔接通0.2MPa 的清潔水流，使密封環(huán)與轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)密封面緊密接觸，當(dāng)密封環(huán)與轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)接觸后，接觸面之間就產(chǎn)生了流動(dòng)的水膜。這時(shí)如果機(jī)組開始運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)與密封環(huán)的摩擦實(shí)質(zhì)上就是與流動(dòng)水膜的摩擦。流動(dòng)水膜不僅保護(hù)了密封環(huán)，還將摩擦引起的熱量帶走。

圖5 活塞式橡膠密封環(huán)

圖6 密封座

但在密封環(huán)的工作過程中，由于機(jī)組首次空負(fù)荷開始時(shí)頂蓋排水壓力為負(fù)，即頂蓋水是向下吸，如果壓力水開啟后密封環(huán)首先被水壓頂緊，通流孔被抗磨環(huán)封堵，在摩擦面間就不能產(chǎn)生流動(dòng)水膜。此時(shí)如果機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，那么在啟動(dòng)初期將出現(xiàn)短時(shí)的干性摩擦或臨界干性摩擦的情況。橡膠密封環(huán)就會(huì)發(fā)生短暫燒損，機(jī)組就會(huì)出現(xiàn)焦臭味。

3 處理過程

3.1 零部件清掃檢查

清除抗磨環(huán)上的橡膠，檢查抗磨環(huán)下端面無溝痕、表面光滑。密封環(huán)密封面融化已破損，無法使用。導(dǎo)向桿表面光滑、平整，無毛刺。密封座環(huán)形槽內(nèi)橡膠顆粒清掃干凈，環(huán)形槽內(nèi)表面光滑、平整，無毛刺。

3.2 零部件尺寸復(fù)核

仔細(xì)對照密封零件圖紙，對備用密封環(huán)、導(dǎo)向桿、密封座進(jìn)行尺寸復(fù)核。復(fù)核結(jié)果如下：密封環(huán)、導(dǎo)向桿、密封座尺寸符合設(shè)計(jì)，但發(fā)現(xiàn)密封環(huán)導(dǎo)向孔直徑為φ5mm，導(dǎo)向桿直徑為φ16mm，二者之間配合屬于緊配合關(guān)系，不利于密封環(huán)的自由下落，也無法通過水壓來調(diào)節(jié)密封環(huán)的起落高度。

3.3 主軸密封改進(jìn)

由于密封環(huán)不能實(shí)現(xiàn)起落調(diào)節(jié)，無法滿足機(jī)組安全運(yùn)行要求，故需要進(jìn)行密封改造。

結(jié)合起落試驗(yàn)，改造后要實(shí)現(xiàn)密封環(huán)可以靠自重沿導(dǎo)向桿自由下落。

為了確保水輪機(jī)主軸密封長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，根據(jù)水輪機(jī)主軸密封的實(shí)際結(jié)構(gòu)，對原主軸密封進(jìn)行如下改進(jìn)：

（1）增大密封環(huán)導(dǎo)向孔直徑，由原來φ13mm增加到φ16mm，使密封環(huán)和導(dǎo)向桿由原來的緊配合改為松配合，避免密封環(huán)發(fā)卡，實(shí)現(xiàn)密封環(huán)的自由下落。

（2）封堵密封環(huán)導(dǎo)向孔上端口，減少清潔壓力水從定位銷、定位孔間流失，保證清潔水壓緊密封環(huán)。

（3）增大密封環(huán)通流孔直徑，由原來φ5mm增加到φ7mm解決潤滑水初期投入（小壓力）時(shí)密封環(huán)不頂升，使?jié)櫥?jīng)密封環(huán)通流孔與抗磨環(huán)間隙流出，即增大壓力時(shí)，密封環(huán)逐漸被頂升至距抗磨環(huán)0.03～0.08mm，有微量水沿密封面滲出，在摩擦面間形成流動(dòng)水膜，最終實(shí)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)閥門開度調(diào)節(jié)密封環(huán)起落高度和水膜厚度。

3.4 效果

經(jīng)過以上技術(shù)改進(jìn)后，主軸密封通水試驗(yàn)有微量水沿密封面滲出，在摩擦面間形成流動(dòng)水膜，密封環(huán)起落順暢，起落高度可調(diào)。當(dāng)機(jī)組重新啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)后，不會(huì)再出現(xiàn)干摩擦，從根本上解決了主軸密封燒損問題，確保了機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)束語

工作密封在使用過程中，首先應(yīng)保證密封環(huán)能在密封供水作用下靈活移動(dòng)，這樣才能保證密封環(huán)磨損時(shí)能夠提供補(bǔ)償。其次，密封供水的壓力應(yīng)當(dāng)可調(diào)節(jié)并保持與漏水壓力相適應(yīng)：壓力太低時(shí)將導(dǎo)致密封環(huán)與抗磨環(huán)脫離，漏水量過大；壓力太高將導(dǎo)致密封環(huán)與抗磨環(huán)貼合過緊，出現(xiàn)長時(shí)間的干摩擦而損壞密封環(huán)。另外，抗磨環(huán)表面的損傷將造成密封環(huán)的磨損或損壞，勢必縮短密封結(jié)構(gòu)的使用壽命或起不到密封作用。

[1] 江濤.水輪機(jī)主軸密封故障原因分析與處理.江西電力，1006-348X（2004）04-32-03.

[2] 張誠，陳國慶.水輪發(fā)電機(jī)組檢修.北京：中國電力出版社，2011.10.

杜 永（1982—），男，本科，工程師，從事水輪發(fā)電機(jī)組安裝、調(diào)試、維護(hù)及檢修，主要研究方向：水輪發(fā)電機(jī)組新技術(shù)、新材料、新工藝的應(yīng)用。E-mail:1005015966@qq.com

Hydroelectric Generating Work Sealed Burning Analysis and Solution

DU Yong
（State Grid Xinyuan Fengman Power Plant，Jilin 132108，China）

This article briefly describes Xiaogushan Power Station Unit 2 load starting process，there turbine shaft seal burning issue，site analysis through the problems and identify the main reason for the failure，after a row by taking effective measures，from a fundamental solution to the burning issue of turbine shaft seal，to run hydropower units，maintenance accumulated experience.

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