水輪機主軸密封故障分析及處理

王立宏

摘 要：水輪機主軸密封工作的可靠性及穩定性至關重要，提高水輪機主軸密封的使用壽命既能減輕維護的工作量，又能保證水輪發電機組長期安全穩定運行。通過優化抗磨環填充材料、改進密封塊結構尺寸，整體提高了水輪機主軸密封工作的可靠性和穩定性，延長了設備的使用壽命，為類似水輪機主軸密封的故障處理提供了參考。

關鍵詞：水輪機主軸;密封故障;分析處理

1水輪機主軸密封故障案例概述

某徑流式水電站安裝有4臺150MW軸流轉槳式水輪發電機組，額定轉速66.7r/min、額定出力153.10MW、最大出力170.1MW，其主軸密封采用徑向彈簧自補償式結構，密封塊為高分子聚合物耐腐蝕材料，采用水潤滑和水冷卻。主軸密封分為兩層，每層包含有6塊高分子密封塊、12根自補償預緊彈簧以及對應的密封支架。該電站的主軸密封在水輪發電機組投產初期就出現以下兩方面的問題：一是密封塊磨損嚴重，與合同中至少運行40000h而不用更換的技術指標要求相差甚遠，檢修維護量大;二是密封潤滑水流量低，頻繁出現流量低報警（原設計值為2.4m3/h），頻繁的報警信號影響運行人員監盤，甚至影響開機流程。

1.1原因分析

在分解檢查主軸密封過程中，發現主軸密封塊的2個潤滑水通水孔及密封塊儲水槽內堵塞了大量的雜物，導致了潤滑水供水通道堵塞;其次，發現與主軸密封塊配合使用的大軸抗磨環組合縫把合螺栓填充槽內的填充材料出現局部缺塊、掉落現象根據對設備拆卸檢查情況以及對設備結構進行了詳細解讀，對造成主軸密封潤滑水耗水量降低、密封塊頻繁磨損的故障情況進行了詳細分析。

1.2填充材料黏接性能不足

該水輪機主軸密封的抗磨環為4瓣把合組圓結構，每條組合縫包含有5顆M20×55內六角螺栓把合緊固（螺栓緊固力矩為150N.m）、2顆φ16h8×60的圓柱銷組裝定位，由于把合螺栓和定位銷釘均為楔形沉孔結構，為保證抗磨環表面整體光滑，在楔形沉孔處采用了現場手工涂抹環氧材料進行填充過渡。

由于填充的環氧材料為楔形結構，其尾部與基體黏接填充的環氧材料厚度低，加上機組在旋轉過程中會產生振擺，導致較薄的環氧填充材料極易開裂、脫落。脫落的塊狀環氧顆粒就一直夾雜在密封塊內，在水輪發電機組旋轉過程中，夾雜的顆粒持續刮擦密封塊和抗磨環，進一步加劇了抗磨環上的環氧填充材料開裂、脫落，形成了惡性循環，導致抗磨環表面逐漸形成了肉眼可見凹凸不平的凹槽。同時，由于掉落的環氧顆粒形狀不規則、且相對于密封塊的硬度要高，旋轉過程中極易刮削密封塊工作面，導致密封塊的刮削物堵塞周向儲水槽和徑向通水孔。

1.3密封塊結構設計不合理

主軸密封塊為高分子聚合物耐腐蝕材料，其自身具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，原設計的密封塊厚度為30mm、儲水槽深度為10mm、2個徑向通水孔尺寸為φ5mm，而主軸密封支架間的安裝凈高距離為30.2mm，密封塊安裝在密封支架內的浮動量僅0.2mm，泥沙或雜物進入密封塊端部后，勢必會造成密封塊卡阻，造成密封塊與旋轉的抗磨環硬性接觸，一旦密封塊卡阻，將會形成密封塊與旋轉的抗磨環硬性接觸，加上抗磨環把合螺栓楔形槽內填充的環氧材料易開裂、脫落，硬性擠壓又會加劇環氧填充材料的損壞。

1.4設備安裝考慮不周

對照主軸抗磨環和主軸密封結構尺寸，由于水輪機大軸及其轉動部件的高度尺寸均固定，若合理調配水輪發電機組座環及下機架的安裝高程，能夠合理避開主軸密封塊與抗磨環把合螺栓楔形槽直接接觸，也能避免動靜結合部位磨損造成抗磨環楔形槽內填充環氧材料的脫落。

2水輪機主軸密封故障處理策略

2.1優化填充材料

由于抗磨環楔形沉孔尾部較薄的環氧填充材料極易開裂、脫落，根據楔形沉孔結構，加工制作了與楔形沉孔匹配的不銹鋼堵塞替代環氧材料來進行填充（堵塞加工制作圖見圖3），堵塞周向采用奧氏體焊絲進行封焊處理，保證其固定的牢固性，焊后進行PT探傷檢查，并將抗磨環磨損的凹槽整體打磨光滑，不允許出現凹凸點，堵塞外圓與抗磨環外圓尺寸一致。

2.2改進密封塊結構尺寸

原密封塊自身高度與主軸密封支架間的配合間隙僅0.2mm，雜物極易堆積造成密封塊卡阻，為提高主軸密封塊在運行過程中的浮動補償靈活性，將密封塊的高度尺寸由30mm調減至29.6mm，其密封塊的浮動間隙由0.2mm提高到了0.6mm;同時，為避免泥沙或雜物堆積在主軸密封內造成密封塊卡阻，增大主軸密封清潔水過流通道，將原10mm深的密封塊儲水槽加深至15mm、將2個徑向通水孔尺寸由φ5mm擴大至φ8mm，利用大流量的清潔水持續沖洗主軸密封，保證主軸密封長期處于靈活性的浮動性，避免密封塊與旋轉的抗磨環形成硬性接觸。

2.3調整主軸密封的安裝高度

根據水輪發電機組裝配圖分析，合理調配水輪發電機組座環及下機架的安裝高程，能夠避開主軸密封塊與抗磨環把合螺栓楔形槽直接接觸，但目前機組安裝已定位，調整下機架及座環的安裝高程已不現實，但可通過在主軸密封座上加墊或在支持蓋與導流錐把合面上加墊等方式進行調高或調低主軸密封的安裝高度，此項工作涉及調整量大，且需要局部進行大量的改進方可實現，施工難度較大，一般在機組A修或新安裝機組可參考此措施。

2.4應用效果

由于原主軸密封抗磨環組合螺栓楔形沉孔填充材料黏接性能不足以及密封塊結構設計不合理、設備安裝考慮不周引起填充材料脫落、清潔水通道堵塞，導致機組在投產初期持續出現了密封塊頻繁磨損等故障，通過優化抗磨環填充材料、改進密封塊結構尺寸后，經過近1年的運行觀察，主軸密封潤滑水流量持續穩定，對主軸密封進行拆卸復查，主軸密封塊工作面完好如初，其儲水槽、通水孔內也未見有雜物堵塞，頂蓋排水泵啟動間隔也長期穩定在2h以上。

結束語

綜上所述，水輪機主軸密封的作用是在水輪機主軸和頂蓋之間保持一個水壓密封，防止轉輪室內的水沿著主軸與頂蓋之間的間隙進入機坑，從而淹沒水導軸承，破壞水導軸承的正常工作，進而影響機組的安全穩定運行，而軸流轉槳式水輪機因主軸密封布置在導流錐內，其滲漏水無法通過機坑自留排水流出，完全依靠布置在導流錐內的排水泵單獨抽水，一旦因主軸密封失效或故障，必將造成主軸密封大量漏水，可能出現淹沒水導軸承或水淹廠房的事故發生。故軸流轉槳式水輪機主軸密封的可靠性及其穩定性顯得尤為重要。

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