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摘 要: 针对水轮机主轴密封漏水事故问题ꎬ 以水电站５ 号和６ 号机混流式机组为例进行了事故原因分析ꎬ 研究了事故的主因、 对策、 目标及措施ꎬ 提出了保持润滑水压的稳定性、 保持弹簧受力均衡和掌握主轴密封的安装工艺的解决措施及方案ꎮ 整改后ꎬ 经过最后的充水试验和开机运行ꎬ 密封条与滑环之间的接触面良好ꎬ 机组停机时ꎬ 主轴密封基本无漏水ꎮ 该事故原因分析与对策对于减少水轮机主轴密封漏水事故具有积极意义ꎮ
１ 概述
水电站的实际工作中ꎬ 水轮机的主轴密封处于非常重要的位置ꎬ 是水轮机关键部件之一ꎬ 能影响水轮发电机的运行状态ꎬ 好的密封方式可使水轮发电机处于较稳定、 可靠的状态ꎮ
目前ꎬ 大中型水电站要求水轮发电机组运行工况能够集中监控ꎬ 重要运行参数可进行巡回检测ꎬ 做到无人值班、 少人值守和远方监控[１] ꎮ 水轮机主轴密封要求能够长期、 安全、 可靠工作ꎬ 主轴密封的检修更换周期至少能保证一个大修期ꎻ 水轮机主轴密封要求能够实现自补偿调节或无需调节ꎻ 要求水轮机主轴密封的工作状态可通过传感器件进行检测[２] ꎮ
水轮机是一种能量转化机器ꎬ 其动力来源于水ꎬ由于我国的地势特点以及河流特点ꎬ 河流中的泥沙较多ꎬ 尤其是在雨季ꎬ 较多的泥沙会给传统的密封方式带来破坏ꎮ 很多密封方式在使用一段时间之后会产生严重的磨损ꎬ 从而影响正常的使用ꎬ 开始出现漏水的现象ꎮ
水轮机转轮止漏环会产生漏水ꎬ 这些漏水会沿着主轴与固定部件之间的间隙进入机坑ꎬ 妨碍其他设备的正常运行ꎬ 因此必须在主轴上设置止漏密封装置ꎬ简称主轴密封ꎮ 主轴密封的主要作用就是为了减小固定部件与转动部件之间的间隙漏水[３] ꎮ 由于固定部件与转动部件之间的间隙较大、 转速较高、 水压较大ꎬ所以间隙漏水很大ꎮ
在机组的运转过程中ꎬ 经常出现主轴密封漏水频繁、 量大的现象ꎮ 水轮机主轴密封漏水大: 影响机组安全运行ꎻ 顶盖潜水泵持续运转导致过载损坏ꎻ 漏水较大需加装多台临时潜水泵ꎻ 渗漏集水井水位快速上升ꎻ 严重时水淹厂房[４] ꎮ 因此ꎬ 主轴密封效果的好坏直接影响机组能否安全运行[５] ꎮ
２ 水轮机组成及工作原理
水轮发电机是指以水轮机为原动机将水能转化为电能的发电机ꎮ 水流经过水轮机时ꎬ 将水能转换成机械能ꎬ 水轮机的转轴又带动发电机的转子ꎬ 将机械能转换成电能而输出ꎮ 水轮机是水电站生产电能的主要动力设备ꎮ
某水电站位于黄河北干流上段ꎬ 安装有 ６ 台立式混流式水轮发电机组ꎬ 单机容量为 １８０ ＭＷꎬ 其中 ５ 号、 ６ 号机组的水轮机由上海希科生产( 简称: 希科) ꎬ水轮机型号为 ＨＬＳ２１７—ＬＪ—５８５ꎬ 额定转速为１００ ｒ / ｍｉｎꎬ主要由引水部件( 蜗壳) ꎬ 导水部件( 导叶、 顶盖、 底环、 导叶臂、 连杆、 控制环、 接力器等) ꎬ 工作部件( 转轮) ꎬ 泄水部件( 尾水管) 组成ꎮ 水轮机结构横剖面示意如图１ 所示ꎮ
为了解决旋转间隙漏水ꎬ 在密封面之间加装耐磨密封条ꎬ 并通过压缩的弹簧持续补偿密封条与滑环之间的磨损量ꎬ 达到最佳的止水效果ꎬ 即主轴密封的工作原理ꎮ 而润滑水主要起润滑的作用ꎮ
３ 主轴密封结构及漏水事故原因分析
水轮机主轴密封是水轮机的一项重要保护ꎬ 安装在水导轴承的下面ꎬ 能够有效阻挡水流从主轴与顶盖之间间隙上溢到机坑内ꎬ 能够防止水轮机导轴承及顶盖被淹ꎬ 能够维持轴承和机组的正常运行ꎮ 主轴密封结构示意如图２ 所示ꎬ ５ 号、 ６ 号水轮机主轴密封漏水统计见表１ 所示ꎮ
其中ꎬ ５ 号水轮机主轴密封２ 次严重漏水情况为: ２０１６ 年８ 月大修完ꎬ 投运仅仅 １ 个月的时间ꎬ 就发现主轴密封沿圆周喷水ꎬ 且漏水量较大ꎮ 为了尽快解决漏水问题ꎬ 于２０１６ 年１２ 月２４ 日检修人员对主轴密封进行了漏水处理ꎬ 处理后投运 １ 个月的时间ꎬ ２０１７ 年
１ 月１９ 日再次发现主轴密封漏水加大ꎮ
在机组的日常维护中遇见较多的就是更换密封条ꎮ而５ 号和６ 号水轮机主轴密封的此次漏水频繁且量大ꎬ如不采取紧急措施ꎬ 有可能发生水淹厂房的事故ꎮ
主轴密封之所以漏水ꎬ 是与相关的水源有密切的联系ꎬ 其水源主要来自以下两方面: ① 旋转部件与固定部件之间的间隙( 水轮机大轴与顶盖之间的间隙) 漏水ꎻ ② 主轴密封润滑水源ꎮ 如何合理利用水源成为解决主轴密封漏水的关键所在ꎮ 本文参考了一些标准ꎬ进行原因分析与对策研究[６ － １２] ꎮ
３ １ 漏水原因可能性分析
原因一是螺栓强度偏低: 在以往机组小修的过程中以及设备台帐的记录中ꎬ 都有不同程度的螺栓松动、锈蚀、 断裂ꎬ 导致主轴密封漏水ꎮ 通常的做法是: 紧固螺栓、 除锈、 更换ꎮ 由此可知ꎬ 螺栓强度偏低不是主要原因ꎮ
原因二是润滑水压不稳定: 为了在密封条与滑环之间的结合面上形成均匀的水薄膜ꎬ 达到止水与润滑的作用ꎮ 主轴密封的润滑水压就显得尤为重要ꎬ 如果出现水压过低、 润滑水管淤堵导致流量减小、 密封条与滑环的供水孔不一致、 润滑水管接头漏水等都会使密封环抬升高度不够ꎬ 在压簧的作用力下ꎬ 加速密封条的磨损ꎬ 最终导致主轴密封漏水ꎮ 为此ꎬ 润滑水压不稳定是主要原因ꎮ
原因三是“ Ｏ” 型密封条材质较差: 根据主轴密封漏水故障处理的台帐记录ꎬ 凡是遇到主轴密封分解检查ꎬ 都会发现相关的密封条已硬化ꎬ 需要更换ꎮ 因此ꎬ选择弹性恢复力良好的密封条是解决问题的关键ꎬ 所以“ Ｏ” 型密封条材质较差不是主要原因ꎮ
原因四是弹簧预紧力不一致: 处理主轴密封漏水的过程中ꎬ 发现压簧螺堵要么丝扣全部旋入底部ꎬ 要么压簧螺堵至密封环水平面的高度差次不齐ꎮ 依据规程规定新安装的密封条ꎬ 压簧螺堵的丝扣是不能全部旋入底部ꎬ 因为水压与压簧的预紧力只有在匹配一致的情况下ꎬ 才能达到良好的止水效果ꎮ 而压簧螺堵至密封环水平面的高度要依据弹簧的有效长度决定ꎬ 使其密封条受压均衡ꎬ 达到止水与润滑的作用ꎮ 因此ꎬ解决压簧的预紧力是处理主轴密封漏水的关键ꎬ 弹簧预紧力不一致是主要原因ꎮ
原因五是安装工艺不熟悉: 在以往的主轴密封漏
水故障处理过程中ꎬ 检修人员大多数侧重于表面缺陷ꎬ对于拆前、 拆后的数据测量要么没有、 要么漏测、 要么缺乏数据分析查找具体原因ꎮ 然而ꎬ 在安装工艺中重点强调的就是数据ꎬ 而数据则能直观的反映检修质量的优劣ꎮ 因此ꎬ 安装工艺不熟悉是主要原因ꎮ
３ ２ 主因、 对策、 目标及措施
针对以上主因ꎬ 制定了相应的措施ꎬ 主因、 对策、目标及措施见表２ 所示ꎮ
４ 处理措施及应用效果
依据主因ꎬ 采取如下解决方案ꎮ
４ １ 保持润滑水压的稳定性
１) 润滑水管的接头长时间浸泡在水中ꎬ 加上机组的振动ꎬ 是很容易出现松动、 锈蚀、 破裂ꎬ 导致漏水ꎮ为此ꎬ 更换了具有强度高、 耐腐蚀的不锈钢接头ꎮ
２) 由于水质中的泥沙、 杂质的多少ꎬ 具有不定性ꎬ 经常导致润滑水管路淤堵ꎮ 然而控制润滑水压的漩流器管径更小ꎬ 淤堵将直接导致: 水压偏小ꎬ 密封条磨损加速ꎬ 导致主轴密封漏水ꎮ 为此制定了定期的清淤ꎮ
３) 充水试验检查密封环抬升高度的过程中ꎬ 发现润滑水压低或流量不足ꎬ 密封环的抬升高度为 ０ꎬ 在弹簧受力均衡的情况下ꎬ 是不允许的ꎮ 经过反复试验ꎬ确定主轴密封的润滑水压在 ０ ６ ＭＰａ 时ꎬ 密封环的抬升高度合适( ０ １０ ~ ０ ０５ ｍｍ) ꎬ 所测数据满足规程要求ꎮ
４ ２ 保持弹簧受力均衡
１) 测量弹簧的自由高度ꎮ
２) 测量每个弹簧的安装孔高ꎮ
３) 充水试验ꎬ 测量密封环的抬升高度值ꎬ 确定每
由上述数据可知ꎬ 已解决弹簧预紧力不一致的问题ꎮ
４ ３ 掌握主轴密封的安装工艺
１) 熟知主轴密封的安装工艺要求ꎮ
２) 重点处理、 检测: ① 滑环与大轴的接触面是否１００％ 的接触ꎻ ② 滑环组合缝的间隙是否在 ０ ０３ ｍｍ 以内ꎬ 超过０ ２０ ｍｍ 需要重新加工滑环ꎻ ③ 滑环与密封条之间的接触面是否确保了 ２ / ３ 以上的密封面完全接触ꎬ 并且面接触的间隙大于 ０ １ ｍｍ 视为不合格ꎬ 需要进行重新加工ꎻ ④ 测量每个压簧的自由高度ꎬ 每个压簧的压缩长度一样ꎬ 以提高密封条与滑环的接触面积ꎮ
经过实施ꎬ 密封条与滑环之间的间隙ꎬ 检修前后如图 ５ ~ ６ 所示ꎻ 滑环的水平度ꎬ 检修前后如图 ７ ~ ８ 所示ꎮ
个弹簧的压缩长度ꎮ
经过实施ꎬ 支撑环水平面至密封环顶部的高度ꎬ检修前后如图３ ~ ４ 所示ꎮ
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