太平江一級水電站3號水輪機抗磨環磨損分析及處理

包國強

（大唐（云南）水電聯合開發有限責任公司，云南 昆明 650000）

太平江一級水電站3號水輪機抗磨環磨損分析及處理

包國強

（大唐（云南）水電聯合開發有限責任公司，云南 昆明 650000）

摘要：水輪機主軸密封形式多樣，太平江一級水電站采用端面密封，轉環固定在主軸上，密封環安裝在檢修密封支撐蓋上部，利用密封水壓頂起密封環與轉環抗磨環形成轉動水膜潤滑密封。3號機組檢修過程中發現，主軸密封轉環抗磨環磨損嚴重、不能繼續使用。在工期緊迫的情況下，采用變更加工工藝的加工方法。將原設計碳鋼與不銹鋼焊接結構的轉環與抗磨環結構，更改為不銹鋼整體加工，減少了焊接程序。有效的縮短加工工期，保證了大修如期完成。改造后設備運行正常。

關鍵詞：主軸密封轉換；磨損；分析；更換；處理措施

1　簡介

太平江一級水電站位于緬甸東北克欽邦（Kachin）境內緊鄰中緬邊境的Dapein江上，工程區上游為中國云南省德宏傣族景頗族自治州盈江縣。壩址所在地距中緬第37號界樁約2.5 km。工程區距盈江縣城、瑞麗、芒市、昆明市、八莫的公路距離分別是90 km、170 km、241 km、876 km、60 km。水庫正常蓄水位253.00m，死水位250.00m。電站為引水式電站，主體建筑物包括：首部樞紐、引水系統和廠區樞紐，壩址控制流域面積6 010 km2，裝機4×60MW，立軸懸吊式水輪發電機組。設計多年平均發電量10.7億kW·h，4臺機組于2010年12月31日全部投產發電。工程規模為中型，工程等別為Ⅲ等。本工程的開發任務以發電為單一開發目標，所發電量8%送往緬甸八莫市，其余92%送回中國境內。

2　事故過程

3號機組大修過程中，拆除水輪機主軸密封后，發現主軸密封轉環抗磨板及主軸密封條均磨損嚴重，轉環抗磨環磨損寬度12mm，深度4mm,密封環深度8mm，寬度均整體（見圖1）。

主軸密封拆除施工嚴格按照標準工序進行，拆除前檢查轉環把合螺栓、轉環定位螺栓緊固，無缺損及松動現象；主軸密封導向銷正常無松動，據此，初步排除了外力的作用，即金屬相互摩擦引起磨損的可能性。

圖1　磨損嚴重的抗磨環

通過設計圖紙以及和生產廠家核對，轉環抗磨環材料為H00Gr18Ni14Mo2不銹鋼，密封條為聚氟乙烯塑性材質。后兩者材料不論硬度和強度、抗磨能力，均小于主軸密封抗磨環材質。理論上不會引起主軸密封抗磨環磨損。

3　磨損原因分析

3.1主軸密封結構

正常運行時，通過機組技術供水向主軸密封內通水，水壓約0.2MPa，壓力水通過密封環上均勻分布的8個水孔進入主軸密封轉環抗磨環集水槽。水壓受阻使密封條反浮向下，密封環與轉環形成水膜。

3.2原因分析

根據主軸密封結構形式，分析原因如下：

（1）主軸密封條內、外均有兩圈盤根，原設計盤根直徑為6mm，由于加工原因，盤根實際直徑為6.5mm，密封環安裝間隙比設計偏小，導致密封環不能上下自由浮動。

（2）機組轉動過程由于主軸密封供水管密封環水孔堵塞，導致密封環沒有上下浮動，造成密封環與轉環抗磨環長時間干摩擦。

（3）由于來水泥沙含量較大，夾雜著泥沙的水流進入轉環與密封環間間隙，長時間運行造成磨損。

（4）轉環抗磨環原有的分段凹形集水槽局部磨損，導致分段集水槽磨平，使得主軸潤滑密封水無法形成有效水膜。轉環與密封環接觸后形成真空，進而導致二者干摩擦。

（5）主軸補氣閥調整彈簧過緊（實驗測試需1 570 N作用力才能開啟），從而不能有效對頂蓋補氣，轉輪上冠與頂蓋間空間長期處于負壓狀態，導致密封環與轉環抗磨環干磨。

以上五種狀況都會導致抗磨環與密封嚴重磨損，最終出現相互鑲貼的、具有一定規則的凹凸面。

針對上述分析，為了避免磨損情況再次發生，需要加強主軸密封水過濾器的維護，從而改善密封水水質，此外，還需調整主軸補氣閥動作值。

4　修復方案

對3號機組損壞的主軸密封的修復工作，存在2種方案：

①按照原設計，主軸密封轉環與抗磨環由不同材料制作，經焊接連接。

②主軸密封轉環與抗磨環使用同一材料整體加工。

主軸密封轉環與水輪機主軸通過緊配方式安裝，間隙為0.02～0.06mm，如果不采取措施隨意補焊抗磨環，會導致其焊接變形，影響轉環安裝尺寸。

主軸密封裝配如圖2所示。

（1）如圖2所示，區域1和區域2按照設計圖紙采用的是焊接結構。尤其對于區域2，因焊縫狹小根部不能滿焊，廠家反饋我廠在設備制造過程中，曾經因焊接變型等原因導致該部位加工余量不足焊縫裸露，最終報廢一臺后重做。

（2）對于區域4，該部位尺寸是與主軸實際尺寸配車，以保證加工精度。此次如對3號轉環只更換抗磨板，在區域2的焊接過程中會導致區域4內孔收縮變型。從而使得該部位局部加工余量不足，工藝上考慮會對余量不足部分進行補焊再加工，同樣能夠達到裝配尺寸的要求。

（3）無論是重新按原設計圖紙進行制作，還是對現有轉環進行更換抗磨板，制作周期基本上都需要45 d左右。這2種方案生產廠家都能進行，但是根據我廠的進度要求，我廠與生產廠家都不能按時完成。為了縮短制作周期，保證轉環各尺寸要求、裝配要求及抗磨性。從技術角度與工藝角度分析，對于區域3部分用整塊不銹鋼板整體加工而成。由此可取消區域1和區域的焊接工作，并能有效控制其它部位的焊接變型，各尺寸的加工精度更能得到保證，由此可大大縮短制作周期，并基本能保證在大修工期內15d供貨的要求。

通過技術及工藝角度分析，可以改變工藝方法，將轉環用整塊1Cr18Ni9Ti或者0Cr18Ni9鋼板加合縫板進行整體加工，最終決定利用0Cr18Ni9鋼板（如圖3、圖4所示）焊接部位取消，采用整體加工。

圖2　主軸密封裝配圖

圖3　轉環與抗磨換裝配

圖4　取消抗磨換與轉環焊接面采用整體加工

5　主軸密封轉環新加工的優越性

（1）縮短了加工工期。按照原設計方案整個加工工期達45 d，新工藝只需要15 d。

（2）避免焊接變形。采用0Cr18Ni9鋼板直接加工避免混合材質焊接引起的變形而導致報廢。

（3）工藝新穎、技術先進。由于轉環不受較大外力的作用，不存在剛性和硬度的過高要求，0Cr18Ni9鋼板完全可以滿足技術要求，且具有以下優點：

a）減小汽蝕，延長使用壽命：主軸密封轉環與主軸緊密配合，原碳鋼材質是主要考慮了材料的剛度和硬度，忽視了潮濕部位的銹蝕、汽蝕因素，大大影響了轉環使用壽命。全部采用0Cr18Ni9鋼板整體加工減小了銹蝕和汽蝕，延長了設備使用壽命。

b）易于安裝：0Cr18Ni9材質較輕，狹小部位便于安裝，緊密配合安裝容易拉伸。

（4）經濟效益較優。原工藝無論是補焊處理還是重新加工都耗時過長，滿足不了工期要求，延長了機組檢修周期，影響機組發電并網。新工藝工期短能滿足檢修工期要求，從整體檢修工期的角度上來看節省了費用。

（5）質量可靠、便于推廣。安裝完成后整體試驗表明轉環與主軸的配合間隙滿足要求，機組運行穩定。由于0Cr18Ni9材質柔性較好便于調整加工公差，尤其適用于緊密配合部件裝配，便于推廣應用。

6　安裝及水壓試驗

安裝及試驗過程：

（1）預裝情況：分半轉環通過螺栓連接，利用力矩扳手調整組合螺栓預緊力為280N·m。測量轉環X、Y方向直徑分別為：DX=793.03mm，DY=793.02mm，符合設計及安裝要求（主軸直徑793mm)。測量抗磨環X、Y方向直徑分別為：DX=800.02mm，DY=800mm，符合設計與安裝要求(設計尺寸800mm)。抗磨環厚度7mm，抗磨環寬度40mm；轉環放在加工精度6.3的鋼板上，使用0.03mm塞尺不能通過，表明加工精度符合要求。檢查水平度及垂直度符合要求，均勻分布的4支頂絲與主軸配車方位吻合。

（2）正式安裝：轉環在機組盤車結束后開始安裝。

a）轉環把合面涂L515密封膠。

b）轉環與主軸把合后利用280N·m力矩扳手檢查。頂絲扭緊后檢查轉環徑向、軸向無松動。

c）待主軸密封安裝完成后進行水壓試驗，主軸密封水壓0.2MPa，密封環抬升量符合要求，檢查密封環與轉環抗磨環間隙均勻，過水均勻。密封水斷流后密封環與轉環分離。反復試驗3次，均正常。

（3）安裝完成后軸向、徑向間隙符合設計要求，徑向偏差為10%,符合規范要求。密封環上下自由移動，與轉環密封面接觸良好，供水管路暢通。

7　結束語

隨著我國科學技術迅猛發展，水電領域的創新與改進也在迅速革新。水電廠主軸密封結構形式多樣化，簡單、實用、檢修維護方便已是現代水輪發電機組水輪機部件選型的基本要求。每個水電站大修時間總工期總是確定的，在大修物資計劃中人們往往忽視非常規設備的備件問題，一但出現非常規設備損壞問題，一般會導致工期的延誤、造成經濟損失。為了不影響工期、按時完成檢修任務。在大修物資準備階段一定要注意非常規設備、零部件的計劃采購，以備不時之需。零部件材質的選擇也非絕對必須符合設計圖紙，在技術、工藝滿足的條件下可以市場選擇。本文原主軸密封轉壞材質為Q275與不銹鋼1Cr18Ni9Ti。此次3號機組大修為了不影響工期、采取加工轉環材質全部為不銹鋼板1Cr18Ni9Ti。滿足技術及工藝要求的同時，工期的保證就是經濟利益的保證，也符合效益導向、價值思維的觀念。

參考文獻：

[1]哈爾濱電機廠有限責任公司.圖紙及安裝技術手冊[Z].

[2]GB/T8564-2003水輪發電機組安裝技術規范[S].

[3]DL/T 817-2002立式水輪發電機組檢修技術規程[S].

中圖分類號：TK730.8

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）06-0054-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.015

收稿日期：2015-03-02

作者簡介：包國強（1985-），男，助理工程師，從事水電站機械檢修工作。