進口燈泡貫流式水輪機工作密封陶瓷環國產化改造

孫小兵，劉康榮，曾雙來

（湖南省港航水利集團有限公司大源渡航電樞紐分公司，湖南 衡東 421412）

1 概述

大源渡水電站位于湘江中游衡東縣境內，為低水頭河床式電站，設計水頭7.2 m，裝機容量4×30 MW，該水電站于1995年10月開工，1999年實現4臺機組全面發電。大源渡水電站燈泡貫流式水輪發電機組由奧地利依林公司、奧鋼聯公司和德國蘇爾壽公司設計制造。

2 大源渡水電站主軸密封結構及存在問題

2.1 主軸密封結構

主軸密封裝置是水輪機的重要組成元件[1]，由工作密封和檢修密封兩部分組成。大源渡水電站工作密封為機械端面密封，由陶瓷密封環、V型橡膠密封圈、供水管等組成，結構見圖1。

圖1 主軸密封結構斷面示意圖

在燈泡貫流式水輪機發電機組正常運轉過程中，工作密封可以簡化為固定在大軸上的動環和固定在導水錐上的靜環組合成的摩擦副，保持密封面的穩定接觸用來封水，同時引入一定壓力的清潔水到密封面，形成液膜潤滑，避免干摩擦引起的摩擦副快速磨損，同時要有足夠的磨損補償余量，做到低泄流、長壽命，進而有效保障水輪機的安全穩定運行[2]。

大源渡水電站工作密封靜環為兩半組裝而成，密封面采用氧化鋁陶瓷材質，其優點是硬度高，耐磨損，耐高溫，熱膨脹系數小，導熱性能好，耐腐蝕等，性能優于鋼制密封環。動環采用橡膠材質的V型密封圈，具有壓縮量大，補償余量大，以及在水壓作用下有自密封趨勢等特點。V型密封圈由不銹鋼箍固定在鋼制調節環上，可用調節螺桿沿軸向調節V型密封壓縮量。運行時V型橡膠密封與陶瓷環保持線接觸，并留有1.5~2 mm的壓縮余量，在保證密封效果的同時最大程度減小接觸面積。利用陶瓷的耐熱、耐磨、散熱性能好、光潔度好等特性以及河水的散熱和潤滑作用、及時將V型橡膠密封與陶瓷環摩擦產生的熱量及時帶走，在保證止水效果的同時使V型橡膠磨損在可控范圍內。

檢修密封為充氣式的空氣圍帶，工作壓力為0.35 MPa，投入后可在流道不排水情況下對工作密封進行檢修，以縮短檢修工期。

2.2 存在問題

大源渡水電站水輪機主軸密封組件由于多次檢修拆裝，加上運行時河水中的泥沙顆粒及懸浮雜質磨損，主軸運行過程中的振動，陶瓷環與V型橡膠密封圈固定環間隙調整不均、磨損或碰撞等多重因素，除V型橡膠密封圈屬正常磨損外，工作密封陶瓷環中的陶瓷塊多處損壞（見圖2），漏水嚴重，嚴重影響機組的安全穩定運行，曾出現過機組因主軸密封漏水量大而被迫非計劃停機檢修現象。

圖2 陶瓷密封環損壞情況

3 主軸密封陶瓷環國產化改造方案

水輪機主軸密封陶瓷環屬易損配件，運行過程中如出現損壞，主軸密封漏水會加大，造成燈泡體積水，嚴重時可能出現水淹廠房事故。該備件進口或國內定制的采購價格都比較昂貴，且采購周期長，經濟成本高且不能保證及時供貨，可能造成較大的間接經濟損失，同時給水電站安全運行帶來極大不確定性。

針對上述問題，電站決定對水輪機工作密封陶瓷環進行國產化改造技術攻關。

3.1 采用三維CAD設計

針對陶瓷密封環的技術特性與機構特點，在無圖紙無尺寸的情況下，精確設計鑲嵌在密封環鐵質底座中燕尾槽的耐磨陶瓷塊是關鍵。本次國產化改造采用三維CAD設計，優化耐磨陶瓷塊數量、耐磨陶瓷塊的尺寸及4個面的前角、仰角、坡度角等，同時優化耐磨陶瓷塊之間的間隙、平行度、對中性等，使之結構流暢合理。

3.2 耐磨陶瓷的選用

考慮到水輪機密封陶瓷環的性能要求，耐磨陶瓷選用99.9%的氧化鋁陶瓷，它的特點是耐磨損、耐高溫、散熱性好、防腐蝕，具體性能如表1。

表1 99.5%氧化鋁陶瓷性能參數表

表2 Belzona1391T性能參數表

3.3 黏接劑的選用

選用英國貝爾佐納公司生產的Belzona1391T改性環氧高分子黏接劑，它與碳鋼、氧化鋁陶瓷都有卓越的黏接性能，且耐高溫160℃，不易老化，使用壽命可達15年以上，滿足水輪機密封陶瓷環性能要求。

4 主軸密封陶瓷環國產化改造技術要求和驗收

（1）主軸密封陶瓷環國產化改造后的氧化鋁陶瓷，硬度和抗磨性與原裝進口配件一致。

（2）國產化改造后氧化鋁陶瓷鑲嵌后黏接固化后強度不能低于原裝進口配件，防止運行中產生開裂、松動。

（3）陶瓷環密封面的平整度，粗糙度滿足運行需要，平整度不高于0.05 mm/m。粗糙度不大于Ra0.1 μm，接縫小于0.02 mm。

5 主軸密封陶瓷環國產化改造施工工藝

（1）根據三維CAD圖紙加工制作陶瓷塊。

（2）清除主軸密封陶瓷環底座中原鑲嵌的所有陶瓷塊，并使用有機溶劑去除原黏接劑。

（3）將清空陶瓷塊的鋼質密封環底座表面進行噴砂處理，去除殘余的黏接劑和表面銹跡，確保表面粗糙度≥75μm。

（4）將加工制作好的陶瓷塊鑲嵌在已噴砂好的密封環底座中，使用貝爾佐納1391T進行黏接填充，要求黏接劑填充密實，無氣泡和中空情況。

（5）黏接劑徹底固結后，先處理分半組合部位，確保組裝后密封面的間隙達標。再將密封環組裝后進行整體修磨，使陶瓷環密封面的平整度、粗糙度滿足技術要求。

（6）主軸密封陶瓷環國產化改造后效果圖見圖3。

圖3 陶瓷環國產化改造后效果

6 結語

大源渡水電站燈泡貫流式水輪機工作密封陶瓷環國產化改造從2019年11月開始策劃并進行改造，2020年9月在2號機組C級檢修中替換原陶瓷環并正式投入運行，現已正常運轉兩年半，未發現有任何問題。

大源渡水電站2號機工作密封陶瓷環國產化改造，其處理技術及工藝是成功的，達到了原裝進口產品技術規范的要求，提高了機組運行的可靠性、穩定性和可用率，降低了設備的故障率，陶瓷環國產化改造的費用僅為原裝進口產品配件的四分之一，大大節省了費用。工作密封陶瓷環國產化改造的成功為解決進口燈泡貫流式水輪機工作密封類似問題提供有益的參考，也為國內主機廠設計主軸密封結構時提供了借鑒，在設計時還可進行優化以便于陶瓷塊損壞時更換。