抽蓄機組無空氣圍帶式主軸密封施工技術(shù)

施庭東

（中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041）

1 工程概況

工程位于福建省福州市永泰縣白云鄉(xiāng)境內(nèi)，共布置4 臺單機容量300 MW 的立軸單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組，機組額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min，額定水頭416 m。電站建成后主要承擔福建電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等任務(wù)，平均年發(fā)電量12 億kW·h，平均年抽水電量16 億kW·h，上水庫正常蓄水位657.00 m，下水庫正常蓄水位225.00 m，地下廠房機組安裝高程為136 m，地下廠房與下水庫落差89 m，主軸密封承受的靜水壓力約0.89 MPa。

2 主軸密封結(jié)構(gòu)及工作原理簡述

2.1 主軸密封結(jié)構(gòu)分析

抽水蓄能電站主軸密封設(shè)計在水導(dǎo)軸承下部，轉(zhuǎn)輪上部。主軸密封部件通常由檢修密封和工作密封組成，檢修密封又稱空氣圍帶，內(nèi)部空氣圍帶布置于工作密封下部，作為第一道封水設(shè)備，只有在機組檢修或拆卸工作密封時投入使用。空氣圍帶采用橡膠材料制成，內(nèi)部設(shè)計有空氣腔體，配置壓縮空氣管路，使用時從空氣圍帶的氣嘴端充入一定壓力的空氣，使空氣圍帶膨脹，抱緊大軸，起到密封壓力水的作用。使用完畢后，通過自動化系統(tǒng)控制泄掉氣體，空氣圍帶恢復(fù)原狀，恢復(fù)與主軸的間隙。受水庫水質(zhì)和投退方式影響，空氣圍帶常出現(xiàn)投退不靈活、本體老化斷裂、氣密性不好等狀況，實用性不大的同時存在安全風險，故在福建永泰抽蓄電站設(shè)計時取消空氣圍帶，主軸密封僅有工作密封，下文提到的主軸密封專指工作密封。此種結(jié)構(gòu)中若工作密封漏水量過大則存在頂蓋水位持續(xù)上漲，淹沒水導(dǎo)軸承，造成機組非計劃停運的風險，故對于工作密封的安裝質(zhì)量和工藝要求極高。

圖1 無空氣圍帶式主軸密封剖面圖

工作密封主要部件包括抗磨板、密封環(huán)、浮動環(huán)、自動復(fù)位裝置、儲水裝置、自動化監(jiān)測裝置以及附屬管路等。主軸密封安裝位置空間狹小，且搬運時只能通過頂蓋上部預(yù)留孔運輸，故制作時多采用分瓣結(jié)構(gòu)，組合面處設(shè)置定位銷釘，現(xiàn)場圍繞水輪機主軸組裝成整體后裝入定位銷釘，最后預(yù)緊組合面把合螺栓，組裝后直徑1 855 mm。

表1 主軸密封主要部件參數(shù)統(tǒng)計表

2.2 主軸密封工作原理簡述

工作密封主要有接觸式密封和非接觸式密封，本文針對最為常見的接觸式密封展開介紹。工作密封既要避免與轉(zhuǎn)動部件產(chǎn)生機械摩擦，又需要密封住頂蓋下部水源。故采用硬質(zhì)橡膠或尼龍材質(zhì)制成U 型密封環(huán)，通過螺栓固定在浮動環(huán)底部，與上表面精加工的抗磨板相配合，浮動環(huán)與支持環(huán)間設(shè)置多組彈簧柱，通過彈簧柱給密封環(huán)施加一個向下的作用力，保證停機狀態(tài)下工作密封環(huán)緊貼抗磨板表面，以此封鎖頂蓋下部壓力水。

U 型密封環(huán)U 型腔內(nèi)連接高壓軟管，通入外部壓力水。在機組啟動前，首先啟動水系統(tǒng)增壓設(shè)備，高壓水通入密封腔內(nèi)，給予密封環(huán)一個向上的作用力，且該作用力稍大于彈簧柱向下的作用力，以此將工作密封環(huán)抬離抗磨板表面，使得抗磨板間與密封環(huán)產(chǎn)生微小間隙，保證轉(zhuǎn)動部件與固定部件不發(fā)生摩擦。同時供入的壓力水在密封環(huán)和抗磨板間形成水膜，起到潤滑作用，并封住間隙，減小漏水量。機組停運后關(guān)閉壓力水源，工作密封環(huán)則在彈簧柱的作用下恢復(fù)原位，密封水流。

在此結(jié)構(gòu)的密封之下仍有少量水流會通過密封環(huán)漏到頂蓋處，為此在主軸密封外圍設(shè)置水箱用于儲存泄漏水，水箱內(nèi)安裝排水管自流引走積水，保證頂蓋內(nèi)部無積水。

水箱蓋頂部設(shè)置有主軸密封環(huán)的磨損監(jiān)測裝置，由磨損指示桿、刻度板、指針等組成，指示桿固定在浮動環(huán)上并伸出水箱蓋，頂部位置安裝刻度板，指針則安裝到水箱蓋上，并配有自動化監(jiān)測探頭，隨著主軸密封環(huán)的磨損浮動環(huán)也隨之下沉，進而帶動磨損指示桿下移，自動化監(jiān)測探頭即可感應(yīng)到下移量，從而監(jiān)測密封環(huán)的磨損情況，判斷其運行狀況是否正常。

3 主軸密封安裝技術(shù)

3.1 施工順序

主軸密封安裝在機組軸線調(diào)整和定中心后進行，其安裝順序為：抗磨板安裝→浮動環(huán)與密封環(huán)預(yù)裝→浮動環(huán)與密封環(huán)安裝→支持環(huán)安裝→彈簧安裝→限位銷安裝→主軸擋水環(huán)安裝→水箱安裝→供水管路安裝→主軸密封頂起試驗→水箱蓋安裝→磨損指示裝置安裝。

3.2 抗磨板安裝

抗磨板安裝在水機軸與轉(zhuǎn)輪聯(lián)軸后進行。將水機軸抗磨板安裝面清理干凈，檢查該法蘭面和抗磨板組合面無毛刺，若有高點則作出標記，測量并記錄各瓣抗磨板的厚度，根據(jù)測量結(jié)果確定分瓣抗磨板相對位置。將抗磨板就位，調(diào)整螺栓孔基本不錯牙，且與頂蓋徑向間隙均勻，符合要求后安裝固定螺栓。調(diào)整抗磨板各瓣組合縫間隙，應(yīng)不大于0.10 mm，并在分瓣面涂抹密封膠，密封膠涂裝時注意密封膠不能進入抗磨板與主軸之間，否則會影響抗磨板水平度。

完成后一邊檢查抗磨板與主軸法蘭面之間的間隙，一邊把緊抗磨板固定螺栓，直至抗磨板與主軸法蘭面無間隙為止，預(yù)緊后檢查螺栓螺釘頭不能凸出抗磨板工作面，避免主軸密封工作時快速磨損。檢查抗磨板分瓣面間無錯牙，抗磨板工作面水平不大于0.02 mm/m。最后逐個旋松螺栓涂抹螺紋鎖固劑，注意鎖固劑不得進入抗磨板與主軸間。再次檢查抗磨板分瓣面間無錯牙，工作面水平不大于0.02 mm/m。

機組軸線調(diào)整時架設(shè)百分表檢查抗磨板工作面端跳，端跳應(yīng)不大于0.05 mm，以保證密封環(huán)與抗磨板能緊密貼合，達到封水效果。

3.3 密封環(huán)與浮動環(huán)安裝

在機組軸線調(diào)整定中心完成后逐一進行各部件安裝。清掃檢查后預(yù)組裝密封環(huán)與浮動環(huán)，檢查浮動環(huán)上密封環(huán)安裝槽平面度，合格后環(huán)繞主軸組裝成整體，預(yù)緊鎖固密封環(huán)與浮動環(huán)固定螺栓。清掃干凈后將組裝好的密封環(huán)和浮動環(huán)落到抗磨板上平面，初步調(diào)整位置后檢查密封環(huán)與抗磨板間無間隙。最終將分瓣浮動環(huán)組合面銷釘做圈焊處理，防止脫落。

3.4 支持環(huán)安裝

首先預(yù)組裝分瓣支持環(huán)，檢查組合面間隙和錯牙應(yīng)符合要求。在機坑內(nèi)環(huán)繞主軸將其組裝成整體，與浮動環(huán)預(yù)組合檢查徑向間隙為0.45~0.60 mm，符合要求后安裝密封圈，將浮動環(huán)與支持環(huán)正式組合，調(diào)節(jié)對稱間隙均勻后預(yù)緊支持環(huán)與頂蓋固定螺栓，保證浮動環(huán)能自由上下浮動。再次檢查抗磨板與密封環(huán)間無間隙，浮動環(huán)與支持環(huán)徑向間隙應(yīng)符合要求，完成后鉆絞支持環(huán)與頂蓋定位銷。

3.5 彈簧等自動復(fù)位裝置安裝

將彈簧安裝孔清掃干凈，檢查無毛刺，測量彈簧孔深度應(yīng)一致。對稱安裝彈簧并旋緊彈簧螺塞，注意檢查螺塞旋入深度應(yīng)一致，保證各方向彈簧對密封環(huán)的作用力一致。

安裝止推塊、止動銷等限位件，調(diào)整止推塊與止動銷單邊間隙0.1~0.15 mm 后預(yù)緊螺栓。測量止推塊到支持環(huán)間的距離，將該測量值與密封環(huán)凸出浮動環(huán)的值做比較，保證此距離值比密封環(huán)凸出浮動環(huán)的值小1.5~2 mm，確保限位裝置能很好的發(fā)揮作用，不滿足要求時可對止推塊進行打磨或加墊處理。

3.6 主軸密封水箱及附件安裝

將兩瓣主軸擋水環(huán)環(huán)繞著主軸組成整體，調(diào)整位置后預(yù)緊組合螺栓，檢查擋水環(huán)與主軸間應(yīng)無間隙，符合要求后對螺栓進行防松動固定。將分瓣水箱組合面檢查清洗完畢后圍繞主軸密封組裝成整體，檢查組合面無間隙并涂抹平面密封膠，符合要求后先預(yù)緊組合面螺栓，再預(yù)緊水箱與頂蓋固定螺栓。

3.7 密封環(huán)與浮動環(huán)頂起試驗

在附屬管路及潤滑水增壓設(shè)備安裝調(diào)試完成并且尾水流道已充水后進行浮動環(huán)頂起試驗，檢測浮動環(huán)浮動靈活性和密封環(huán)脫離抗磨板的距離，確保機組運行時不會燒毀工作密封環(huán)。在關(guān)閉潤滑水時架設(shè)百分表，4 個方向上均勻布置，架設(shè)完成后開啟潤滑水，觀測浮動環(huán)的抬升量，4 個觀測點應(yīng)基本一致，且為0.05~0.1 mm，檢查時要求多次測量確認。潤滑水供水管道上設(shè)置有節(jié)流板，抬升量不滿足要求時則通過改變節(jié)流板孔的大小調(diào)節(jié)潤滑水的壓力和流量。

3.8 水箱蓋及磨損指示裝置安裝

頂起試驗完成后檢查水箱內(nèi)無遺留物，將分瓣水箱蓋環(huán)繞主軸組裝成整體，檢查組合面錯牙及間隙符合要求后預(yù)緊螺栓，首先預(yù)緊組合面把合螺栓，再預(yù)緊水箱蓋與水箱固定螺栓。主軸擋水環(huán)抱緊在水輪機大軸上，跟隨大軸一起轉(zhuǎn)動，安裝時要控制水箱蓋與主軸擋水環(huán)之間徑向間隙，水箱蓋應(yīng)高于擋水環(huán)，且兩者徑向間隙為5 mm，對稱方向間隙均勻，避免轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生機械摩擦。

表2 浮動環(huán)頂起量與密封水壓力測量統(tǒng)計

依次安裝磨損指示桿、指針及刻度板，安裝時固定螺栓涂抹螺紋鎖固膠，避免產(chǎn)生松動后影響監(jiān)測結(jié)果準確性。最后安裝自動化監(jiān)測探頭并設(shè)定初始值。

4 結(jié)語

常規(guī)主軸密封在工作密封出現(xiàn)故障時，可立即投入空氣圍帶，防止下水庫存水涌入頂蓋，避免水淹廠房事故，多一道保護措施。本文介紹的無空氣圍帶式主軸密封結(jié)構(gòu)，在抽水蓄能電站中首次使用，安裝時要求極高。主要控制項為抗磨板與主軸密封環(huán)的配合情況，抗磨板水平度、彈簧螺塞旋入深度以及潤滑水壓力大小等，既要保證主軸密封漏水量符合要求，又要保證機組運行時密封環(huán)不被燒毀。針對此類新型結(jié)構(gòu)，施工過程中嚴控施工質(zhì)量，機組運行前多次測量浮動環(huán)應(yīng)浮動靈活，鑄造精品抽蓄。