引黃工程大型水泵主軸密封裝置工作原理及故障分析

謝盼新

(萬(wàn)家寨水控水資源有限公司 調(diào)度分公司，山西 太原 030012)

0 引言

萬(wàn)家寨引黃工程從黃河萬(wàn)家寨水庫(kù)取水，由于地型復(fù)雜，采用泵站梯級(jí)提水，將黃河水引至太原、大同等重工業(yè)城市，滿足當(dāng)?shù)厣詈凸I(yè)用水的需要。泵站總揚(yáng)程為636 m，水泵采用較先進(jìn)的明蝸殼立式單級(jí)單吸離心水泵，吸入管直徑為2 000 mm，流出管直徑為1 000 mm，額定揚(yáng)程為140 m，工作水頭為130 m～160 m，額定流量為6.45 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為600 r/min，額定功率為12 MW。目前，工程總干線和南干線共裝有23臺(tái)大型離心水泵，近年來(lái)，實(shí)現(xiàn)年引水約6億方，極大地改善了太原市的居民生活用水和生態(tài)環(huán)境。

機(jī)械密封是水泵機(jī)組的關(guān)鍵部件，它裝在水泵水導(dǎo)軸承的下面，用以防止輸送液體從主軸和頂蓋之間滲漏到機(jī)坑內(nèi)，淹沒(méi)水導(dǎo)軸承，破壞水導(dǎo)軸承的正常工作，從而影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)械密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為保證密封結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期高效的運(yùn)行，需要運(yùn)行管理人員對(duì)其工作原理及結(jié)構(gòu)深入理解，在日常巡視檢查中及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。在引黃工程輸水運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)生過(guò)多次因主軸密封裝置故障，導(dǎo)致機(jī)組故障停機(jī)，造成資源浪費(fèi)的情況[1]。為此，本文對(duì)大型水泵主軸密封裝置的工作原理及故障進(jìn)行分析，并對(duì)清水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化改造升級(jí)，以提高主軸密封供水的可靠性和機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1 大型水泵主軸密封裝置基本工作原理

引黃工程水泵主軸密封采用某公司生產(chǎn)的先進(jìn)機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，該密封主要材質(zhì)為黃銅，具有機(jī)械加工精度高、密封效果好、防泥沙、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。引黃工程大型水泵用主軸密封結(jié)構(gòu)主要由檢修密封和工作密封組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 檢修密封

檢修密封是水泵機(jī)組停機(jī)或檢修時(shí)的一種密封，該結(jié)構(gòu)位于水泵主軸密封的下部。引黃工程水泵設(shè)計(jì)揚(yáng)程為140 m，檢修密封可以防止機(jī)組停機(jī)后尾水位較高，倒灌入機(jī)坑內(nèi)。檢修密封按其結(jié)構(gòu)型式可分為空氣圍帶、機(jī)械式和抬機(jī)式。引黃工程水泵采用空氣圍帶檢修密封，該密封結(jié)構(gòu)由固定座11和橡膠空氣圍帶(氣囊)10等組成。當(dāng)機(jī)組停機(jī)后，按照程序設(shè)定自動(dòng)向空氣圍帶內(nèi)充入0.65 MPa～0.8 MPa的壓縮空氣，使空氣圍帶橡皮膨脹，抱緊主軸形成密封面，防止高壓水流從主軸與蝸殼之間的縫隙噴出。當(dāng)開(kāi)機(jī)時(shí)，空氣圍帶中的壓縮空氣排出，使其收縮，空氣圍帶與主軸1之間保持1.5 mm～2 mm間隙。該種型式的檢修密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維護(hù)容易，密封效果好，工作可靠性高，在水泵和水輪機(jī)上廣泛使用。

1-主軸;2-靜密封環(huán);3-動(dòng)密封環(huán);4-傳動(dòng)銷;5-可移動(dòng)密封座;6-固定密封環(huán);7-徑向密封環(huán);8-O型密封圈;9-楔形卡盤;10-氣囊;11-固定座;12-外殼;13-彈簧元件;14-上蓋;15-頂部環(huán)狀密封

1.2 工作密封

工作密封由轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定部分組成，轉(zhuǎn)動(dòng)部分由下至上分別由楔形卡盤9、固定密封環(huán)6、可軸向移動(dòng)的密封座5、動(dòng)密封環(huán)3等組成，整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分通過(guò)楔形裝置固定在主軸上，隨主軸一起高速旋轉(zhuǎn)。為了便于更換和組裝，動(dòng)密封環(huán)為軸向分瓣結(jié)構(gòu)，由碳化硅加工而成，分瓣的動(dòng)密封環(huán)裝在軸向可移動(dòng)的密封座上，彈簧和導(dǎo)桿決定了動(dòng)密封環(huán)可以隨密封座上下軸向運(yùn)動(dòng)，在工作過(guò)程中起到自補(bǔ)償作用，從而保證動(dòng)密封面和靜密封緊密接觸。

固定部分主要由外殼12、徑向碳石墨密封環(huán)7、頂部環(huán)狀密封15等組成，下部固定座11采用螺栓固定在水泵的頂蓋上。動(dòng)環(huán)與靜環(huán)的密封面稱為機(jī)械端面密封，由碳化硅和碳石墨構(gòu)成，在水泵高速運(yùn)行過(guò)程中，該密封面始終處于滑動(dòng)摩擦狀態(tài)，密封面摩擦發(fā)熱，通過(guò)給密封面上注入清潔的主軸密封水，降低密封面的溫度，同時(shí)冷卻水還可以沖洗密封面，將密封面上的雜質(zhì)帶走，提高耐磨性。主軸密封水還可以在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)的摩擦面之間形成水膜，具有一定的潤(rùn)滑作用，防止密封面過(guò)渡損壞，保證密封面的正常運(yùn)行，提高了主軸密封的壽命。

引黃工程水泵密封裝置的主密封為機(jī)械端面密封，由于黃河水泥沙含量較高，沙子等顆粒進(jìn)入機(jī)械密封界面，劃傷密封面進(jìn)而加快密封面的磨損。為了提高密封裝置的壽命，在密封裝置靠近頂蓋處設(shè)計(jì)了一套徑向密封裝置，該徑向密封環(huán)7由密封外殼內(nèi)嵌入的碳石墨環(huán)與固定在主軸上的涂有陶瓷涂層固定密封環(huán)6形成密封面，碳石墨環(huán)由一個(gè)整環(huán)裂解為多塊后組合構(gòu)成，采用裂解方式，密封止水效果好，轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)表面由高強(qiáng)度、低粗糙度、高抗磨陶瓷構(gòu)成，該密封能很好地阻擋泥沙進(jìn)入密封腔內(nèi)。在密封裝置工作的過(guò)程中，由主密封面與下部的徑向密封形成密封區(qū)域，外界提供的主軸密封水使該區(qū)域形成了一個(gè)高壓密封腔，有效地防止了黃河泥沙水竄出來(lái)。在主軸密封的頂部，為防止機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中主軸密封水流出，也設(shè)置了一道徑向密封結(jié)構(gòu)，該密封環(huán)15由兩瓣碳石墨環(huán)與主軸形成密封面，此密封為輔助密封，安裝在主軸密封的最頂部。同時(shí)為了防止少量的液體從密封裝置外殼泄漏，各部件接觸面之間裝有O型密封圈[2，3]。

2 運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的故障

2.1 主軸密封泄漏

水泵正常運(yùn)行過(guò)程中，密封裝置的動(dòng)環(huán)與靜環(huán)之間的泄漏較為常見(jiàn)，這種少量的泄漏屬于正?，F(xiàn)象。黃河水由于含沙量較高，因此泥沙進(jìn)入密封表面造成密封面磨損問(wèn)題較為突出，若發(fā)現(xiàn)主軸密封泄漏量較大時(shí)，檢修人員需要檢查密封面是否嚴(yán)重磨損，并及時(shí)更換密封材料，避免造成資源浪費(fèi)，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

機(jī)械密封中的彈性元件在主軸密封中起到預(yù)緊、補(bǔ)償和緩沖的作用。在水泵運(yùn)行過(guò)程中，若彈簧的壓縮量不夠，動(dòng)密封面的軸向跳動(dòng)過(guò)大，會(huì)引起密封面較大的泄漏量，所以應(yīng)定期檢查彈簧壓縮量并及時(shí)調(diào)整，以保證密封裝置的高效穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)該密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配困難，裝配不當(dāng)也會(huì)引起泄漏。機(jī)械密封彈簧的壓縮量必須按照廠家提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行安裝，若壓縮量過(guò)小，起不到密封作用；壓縮量過(guò)大，會(huì)由于密封面磨損嚴(yán)重，過(guò)早失效[4]。

2.2 主軸密封供水

主軸密封是整個(gè)水泵運(yùn)行至關(guān)重要的部件之一，密封裝置的正常運(yùn)行離不開(kāi)密封水系統(tǒng)，因此主軸密封水的水質(zhì)和可靠性極其重要。為了保證水泵運(yùn)行過(guò)程中密封水的水質(zhì)要求，泵站的主軸密封水采用地下水，用加壓泵將水提升至設(shè)在地勢(shì)較高的高位水池中，保證密封供水主管壓力大于等于1.2 MPa。密封水通過(guò)供水主管路進(jìn)入廠房，通過(guò)調(diào)流閥分配，分別起到主軸密封裝置封水和冷卻、沖刷密封面的作用。水泵運(yùn)行時(shí)，密封面高速旋轉(zhuǎn)，若密封水供應(yīng)不足，密封效果不好同時(shí)會(huì)燒壞密封面，對(duì)密封裝置造成嚴(yán)重?fù)p壞。為保護(hù)密封裝置及水泵的安全可靠運(yùn)行，泵站機(jī)組設(shè)有密封壓力不足的報(bào)警，當(dāng)主軸密封水壓力低于0.5 MPa時(shí)，會(huì)故障停機(jī)，防止主軸密封部件受損。泵站機(jī)組發(fā)生過(guò)多次由于主軸密封斷流而引起故障停機(jī)的事故。近年來(lái)，為了提高主軸密封的可靠性，泵站對(duì)清水系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)改造，根據(jù)高位水池的水位自動(dòng)補(bǔ)水，使得主軸密封的穩(wěn)定性大大提高，至今未發(fā)生過(guò)由于主軸密封水中斷而引起的停機(jī)故障。

3 結(jié)語(yǔ)

在機(jī)組日常運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)械密封故障率較高，也是機(jī)組安全運(yùn)行的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，在水電行業(yè)中其運(yùn)行的可靠性非常重要。在水泵機(jī)組運(yùn)行中，運(yùn)行人員應(yīng)加強(qiáng)主軸密封裝置的巡視檢查，檢修人員應(yīng)定期檢查及更換密封部件，保證機(jī)械密封良好運(yùn)行，提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。