大渡河安谷水電站1號水輪機主軸密封處理方式新探

張 冰 雪，　程 海 峰，　張 海 江

(中國水電建設集團圣達水電有限公司，四川 樂山　614013)

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大渡河安谷水電站1號水輪機主軸密封處理方式新探

張 冰 雪，程 海 峰，張 海 江

(中國水電建設集團圣達水電有限公司，四川 樂山614013)

摘要：從安谷電站機組處理情況來看，在分析處理過程中，不但需要認真詳細梳理本臺機組主軸密封及相關部件安裝過程中每一個環節，認真細致查閱本臺機組主軸密封及相關部件驗收過程中每一份資料；而且要比對其他機組相同部件相同部位相同環節的數據和資料，從中找出那怕是很細微的差別，這些細微的差別也許就是很重要的突破口。還要從設計、制造、安裝、驗收等各個層面著手進行優化和控制，確保機組主軸密封缺陷處理方便及時，保證機組安全穩定運行。

關鍵詞：安谷水電站；主軸密封；問題；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山市市中區安谷鎮與沙灣區嘉農鎮接壤的大渡河干流上，為大渡河干流梯級開發中的最后一級。本工程采用混合開發方式，即建壩壅水高20.0m，河床式廠房；廠后接長約9 461m的尾水渠，尾水渠利用落差15.5m。電站正常蓄水位398.0m，相應庫容6 330萬m3。電站安裝4臺單機19萬千瓦大型軸流轉槳式水輪發電機組，額定水頭33.0m，設計引用流量2 576.0m3/s；為滿足下游原河床生態用水，在泄洪渠安裝1.2萬kW生態機組，總裝機容量77.2萬kW，多年平均發電量31.44億kWh，利用時數4 073h。水電站于2012年3月日開工建設。2015年8月全部機組投產發電。

21號機組調試期間主軸密封運行存在的問題

安谷水電站1#機組2014年12月11日進入商業運行，機組振動擺度等各項運行指標良好。但是在機組調試過程中發現：機組空轉、空載及機組帶負荷2萬kW以下時， 1臺頂蓋泵運行就能保持頂蓋水位不繼續上升；但負荷在2萬kW及以上時，主軸密封效果驟然下降，頂蓋漏水大增，水位上漲較快，設計4臺頂蓋排水泵全部運行都不能保持頂蓋水位，不能滿足機組安全穩定運行的要求。

3水輪機主軸密封結構及其工作原理

3.1安谷水電站水輪機主軸密封結構

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；在機組停機或檢修狀態下，給空氣圍帶持續通入壓縮空氣使圍帶膨脹，從而將轉動件和固定件之間的間隙填塞，阻止流道中的壓力水源進入頂蓋里面。工作密封主要由轉環、密封環、固緊環、密封水供給管路等組成；在機組運行狀態下，給主軸密封裝置持續通入清潔的主軸密封壓力水，從而在轉環與密封環之間形成水膜，阻止流道中的壓力水源進入頂蓋里面。具體結構見圖1。

3.2工作原理

在水機軸護蓋(轉動件)上固定不銹鋼轉環(序25)隨主軸一起轉動；在與支持蓋固定的固緊環(固定件)下通過彈簧和旋塞布置密封環(序23)，在密封環下部布置復合材料制成的密封塊(序24)；轉環與密封塊既要相互貼合又不能貼合過緊。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水，不能過緊主要是防止干摩擦燒損密封塊，破壞貼合面，達不到封水效果。密封環與密封塊上均設有通水孔，依靠清潔水潤滑冷卻潤滑貼合面，依靠密封環上部的彈簧和密封環內置管腔中的主軸密封水壓，密封環與密封塊一起可以緊隨轉環位置上下浮動，進行自動調節，便于在密封塊逐漸磨損過程中和機組抬機狀態下以及機組下沉過程中均能達到封水效果。

3.3頂蓋排水設施配置

圖1　主軸密封結構圖

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，同時伴隨結構和裝置的特點及使用性能變化，流入頂蓋的水量在不同工況下差別還比較大，頂蓋內都要配置足夠的頂蓋排水設施，確保廠房安全。安谷水電站實際配置2臺流量為54m3/h自吸泵和兩臺流量為23m3/h潛水泵作為頂蓋排水泵，兩臺自吸泵一主一備互相切換，兩臺潛水泵并列運行，作為二級備用。

4原因分析

4.1加裝臨時泵

根據同類型機組運行經驗結合本電站實際，為了確切弄清楚主軸密封漏水的水量大小，并驗證頂蓋排水泵設計是否偏小。經討論研究后，為了取得相關數據并確保安全，決定通過加裝臨時潛水泵輔助排水并進行觀察實驗。具體觀察試驗結果是：機組帶負荷2萬以上時，機組配置的4臺頂蓋排水泵全部啟動后，頂蓋水位仍然上升， 兩臺流量為60m3/h臨時潛水泵一并投運后，頂蓋水位不再上升，不能滿足運行要求。

4.2調整主軸密封水壓

根據廠家設計要求，主軸密封水源壓力要求為0.2～0.4MPa。現場實地觀測：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兩個濾水器，由于濾水器的減壓作用使得主軸密封進口壓力最大只能維持在0.32MPa。結合曾提出但未實施的想法(在主軸密封水源進口管路上設置加壓泵以增加主軸密封水壓)進行判斷認為：漏水量大主要與主軸密封水壓不夠有關。于是現場調整主軸密封水壓進行試驗：

(1) 主軸密封水源管路上裝設兩道濾水器中的濾心取掉，主軸密封進口壓力提高到0.36MPa；

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

觀察結果為：此兩種狀況對主軸密封漏水量影響基本沒有變化。需要說明的是，在調整主軸密封水壓過程中，為了取得各種工況的數據，曾一度將水壓調至很低至0.05MPa，然后逐漸調至各種壓力，也沒有明顯效果。故排除主軸密封壓力的因素。

4.3處理密封環上部的壓緊彈簧

經詳細比較分析，發現1#機組所用密封環上部的彈簧與2#機組不一致。1#機組的彈簧短且性能沒有2#機組的好。正常情況下，在密封環自身重力和均布的28顆彈簧壓縮下，并利用主軸密封水壓，密封環及密封塊緊貼轉環應能夠實現密封。1#機組空轉、空載及低負荷(2萬以下)運行時密封良好；隨負荷增加，漏水量加大，主要因素應該是：隨負荷增加，機組轉動部分軸向水推力增大，機組轉動部分向下位移，但是彈簧彈力不足，密封環未隨機組向下移動或向下移動壓緊力不足，導致密封環與轉環之間間隙過大，水流由流道大量涌入。

經分析研究，決定對1#機組的壓緊彈簧采用循序漸進的方式進行處理并進行相關試驗。首先，在彈簧和彈簧壓緊螺釘間加裝厚20mm平墊進行試驗，無明顯效果；隨后，直接更換彈簧，先后三次分別更換8顆、16顆、28顆，進行試驗，更換彈簧時對稱進行，三次試驗均無明顯效果。

4.4拆解密封裝置

為了進一步分析處理，拆解工作密封檢查，主要檢查結果為：(1)止動銷下部有呈黑色嚴重劃痕；(2)密封環φ9密封圈自動脫掉；(3)密封環與固緊環接觸面有毛刺和劃傷痕跡；(4)密封塊工作面磨損嚴重；轉環表面有劃痕。

根據檢查情況推測：止動銷和止動板之間存在憋勁，密封環后φ9密封圈過長,密封環及固緊環受力不均且有憋勁。這幾種因素綜合起來，影響了密封環的上下自由浮動，當機組帶負荷運行受到水推力下沉時，密封環未跟著下沉，從而未發揮密封作用。同時從密封塊及轉環貼合面損傷情況分析，主要有以下因素：(1)實際運行中，轉環上平面的平面度或(和)密封環下平面的平面度不符合要求；(2)前期調整主軸密封水壓過程中，在機組開機空轉或負荷在上2萬W以下時，主軸密封水壓調整的過低，密封塊與轉環貼合面未形成有效水膜，而且流道來水中含有大量泥沙等因素致使結合面干摩擦所致。

分析之后，然后進行如下處理：對止動板銷槽上下直角口倒角處理，對銷柱進行加工，將直徑減小1mm；將φ9密封圈長出部分剪掉，重新裝配密封圈；對密封環內、外側面毛刺及轉環劃痕進行打磨處理；對密封塊工作面和轉環工作面配刨處理(返廠)；對大軸護蓋打磨，重新配裝轉環，按要求調整轉環上平面的平面度、密封環下平面的平面度、密封環導向段垂直度。進行回裝，開機試驗，漏水情況沒有改變。

4.5再次拆解密封裝置

在上述試驗和處理結果的基礎上經多次討論綜合分析，認為造成目前狀況的主要因素在于：在密封裝置或者是護蓋等封水部位的某個部件存在直接漏水通道(或是結構性裂紋或者焊縫裂紋)，導致流道中的壓力水源直接漏進頂蓋里面。再次拆解密封裝置，進行全面檢查，重點進行各種可能的水流試驗尋找漏水的通道。

4.5.1密封環外側的O型密封圈處漏水

測量間隙值，X方向約0.45mm，Y方向約0.36mm，此狀態不足以導致頂蓋漏水無法控制。

4.5.2密封環工作面漏水

停機態時關閉主軸密封水源，通過投退檢修密封觀察頂蓋里面涌水情況，判斷是否從密封環工作面大量來水。(1) 投入空氣圍帶，將頂蓋水位抽至低水位，在密封環上方均勻架設4個千斤頂和鋼管，使密封環向下緊貼轉環。(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個千斤頂，讓密封環自由落于轉環上方。(4)重復上述(1)(2)試驗，觀察：水流從密封面大量涌出。由此可見，密封環工作面本身漏水可能性較小，來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結構性裂紋或焊縫裂紋或螺紋漏水

4.5.3.1初步檢查判斷

停機態時，通過投退主軸密封水源，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)，密封水流入密封環內側，進行觀察：密封環內側水位不變，表明不正常。正常情況應該是密封環內側水位要上漲，之后從密封環上方翻過。關閉密封水，觀察：密封環內側水位下降，表明也不正常。正常情況是水位保持。初步判斷護蓋本身可能存在裂紋而滲漏。

4.5.3.2進一步檢查判斷

將固緊環、密封環、密封支架等部件全部吊起，在護蓋轉環內側輕微少量逐步加水(主軸密封水)，同時噴灑染色劑，觀察：水位開始與與轉環表面平齊，然后逐漸降低至護蓋表面，最后保持住該水位，同時染色劑在水面流動。從幾個方向觀察，發現染色劑流向護蓋沉頭螺栓緊固處(護蓋是通過沉頭螺栓與大軸螺栓進行把合固定)。由此進一步判斷，護蓋沉頭螺栓緊固處可能存在直接漏水通道。

4.5.3.3確認判斷

將護蓋全部24顆沉頭螺栓拆下，檢查發現：沉頭螺栓緊固處均沒有加裝墊片。根據現場實際和螺栓規格尺寸分析：由于沒有墊片，且螺栓存在圓倒角，導致沉頭螺栓未與護蓋完全結合緊密，自然形成了流道與頂蓋的水流通道。

5處理過程

(1)清理沉頭螺栓，回裝時加裝平墊圈，重點檢查：螺栓安裝扭矩達到設計要求；護蓋筋板頂緊在主軸上確保護蓋下部角密封可靠。

(2)為可靠防動和絕對防止漏水，在沉頭螺栓上方增加螺栓封蓋，封蓋用現場鋼板制作，封蓋與護蓋焊接一體，將將螺栓密閉封住，徹底截斷流道與頂蓋的自然水流通道。

(3)焊接后進行轉環回裝，重點盤車檢查轉環水平度及平面度。

(4)回裝主軸密封，重點檢查轉環和密封塊分瓣面涂抹密封膠，轉環和密封塊貼合緊密。

(5)考慮主軸密封環與固緊環間隙較大的現狀，原密封環上使用的φ9橡膠圓條更換為φ10橡膠圓條，重點檢查更換后密封環頂起試驗效果。

處理完畢開機運行，主軸密封漏水量大大減小。經測量在各種工況下，1臺潛水泵大約間隔7分鐘運行7分鐘，完全能夠滿足機組安全穩定運行需要。

6結語

由于安谷電站機組結構特點，主軸密封裝置位于支撐蓋中錐內且在水導軸承下方，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看，在分析處理過程中，不但需要認真詳細梳理本臺機組主軸密封及相關部件安裝過程中每一個環節，認真細致查閱本臺機組主軸密封及相關部件驗收過程中每一份資料；而且要比對其他機組相同部件相同部位相同環節的數據和資料，從中找出那怕是很細微的差別，這些細微的差別也許就是很重要的突破口；同時，要堅持頭腦風暴法，發散思維，堅持懷疑一切的思路，堅決摒棄驗收通過了的就沒問題的思考方法；要充分利用一切措施對懷疑的可能因素進行排查確認，包括設計思路、結構特性、連接構件及封焊情況；最后，還要從設計、制造、安裝、驗收等各個層面著手進行優化和控制，確保機組主軸密封缺陷處理方便及時，保證機組安全穩定運行。

張冰雪(1973-)，男，四川閬中人，水利水電動力工程專業本科畢業，工學學士，高級工程師，從事水電站機電技術管理；

程海峰(1977-)，男，安徽霍山人，發電廠及電力系統專業專科畢業，技師，從事水電站機電技術管理；

張海江(1986-)，男，云南石林人，能源動力系統及自動化專業本科畢業，工學學士，助理工程師，從事水電站機電技術管理.

(責任編輯：卓政昌)

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收稿日期:2015-09-15

文章編號:1001-2184(2015)06-0180-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:[TM622]；TK73；U464.133+.4

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