葫芦坝水电站主轴密封故障分析与处理-杜江湖-2011.6.19

葫芦坝水电站水轮机主轴密封故障分析与处理
杜江湖
(葛洲坝集团第二工程有限公司，四川成都610091)
摘要：针对四川葫芦坝水电站水轮机主轴密封故障处理为例，对端面工作密封在结构、组装工艺及运行维护等具体问题进行分析及处理，可为同类故障处理及运行提供参考。

关键词：主轴密封故障分析处理
1 概述
四川雅安葫芦坝电站位于青衣江支流周公河李湾至葫芦坝河段，是周公河干流炳灵以下七级开发中的第二个梯级，以发电为主，兼顾防洪、旅游的综合利用工程，本电站水工建筑物主要包括拦河坝、引水系统、地面发电厂房。

电站共装有2台轴流转浆式水轮发电机组，单机容量12MW，总装机容量为24MW。

水轮机主轴密封，一般装在主轴转轮法兰之上、导轴承之下，是为了防止压力水从主轴和顶盖之间渗入导轴承，破坏导轴承的正常工作，渗水严重的话甚至淹没水车室，故系水轮机安全运行必不可少的一部分，因此，在水轮机中装设主轴密封装置是非常有必要的。

主轴密封安装所处位置因空间窄小，需要经常更换，所以要求密封装置重量轻、结构简单、调整更换方便。

主轴密封磨损较大，尤其是对于水中含沙量大的水电站，泥沙磨损会严重影响密封装置的使用效果，所以密封装置所采用的结构和材料，应具有密封性和耐磨性。

除此之外，对于下游尾水位高于导轴承的某些电站，设计密封装置时，还必须考虑到停机时下游尾水进入导轴承油箱的情况。

一般来说，主轴密封装置分为两大类：一类是运行时的密封，称为主轴密封，其结构形式有盘根密封、橡胶平板密封、端面密封、径向密封、水泵密封及无接触式密封等，中小型混流式机组目前常用的是端面密封和水泵密封。

另一类是检修停机时的密封，其结构形式有机械式、围带式和抬机式等几种密封，中小型机组常用的是空气围带密封。

葫芦坝水电站主轴密封采用水压式端面密封结构，另装设有自吸式顶盖排水泵，检修密封为空气围带结构。

在运行中，出现故障而导致停机甚至水淹水车室。

这说明，虽然按设计图纸现场组装、按运行规程操作运行，但在结构上、现场组装、运行维护中还存在需要改进的方面。

图1 水轮机结构示意图尺寸单位mm，高程单位m
2 问题的提出
葫芦坝水电站，水轮发电机组型式为轴流转浆式水轮发电机组，转轮名义直径
2.75m，设计水头25.5m，正常尾水位高程750.00 m，转轮中心高程742.9 m。

水压式端面工作密封装置由固定在密封底座上的密封支架、密封支架内的镶套、镶套内的端面密封圈组合一体，密封圈与上部转动部分的转环装置贴合。

转环贴合部位的凹形转环，用不锈钢板机加工而成。

密封圈下腔供压力水，密封圈为中硬耐磨橡胶材料。

检修密封结构型式为中空的密封圈，停机或检修时通入压缩空气，达到密封效果，开机前排气。

在发生水淹水车室后，将主轴密封装置拆卸解体检查发现：端面工作密封圈上表面，出现凹坑状刮痕；转环不锈钢表面有4个沉头螺栓孔未封堵；密封支架内找到数粒砂粒。

3 故障分析
机组在运行中，出现故障而导致漏水量增大甚至淹没水车室。

这说明，在结构上、现场组装工艺、运行维护还存在需要改进的方面。

2.1 结构上分析
水压式端面工作密封装置，环形密封圈材料为中硬耐磨橡胶，包含在支架镶套内，利用下腔的水压力使密封圈与固定在主轴上的转环形成密封装置。

这种结构，密封圈磨损后调整量大，密封圈高度80mm，密封圈不得小于35mm否则更换，调整量达到45mm。

转环表面有凹槽，不锈钢板机加工后嵌入凹槽内，用4个沉头螺栓与转环底座连接。

转环是组装成一体到货，4个沉头螺栓沉孔未采取措施封堵，在厂家图纸中，也未要求现场进行封堵处理。

分析认为, 转环不锈钢表面4个沉头螺栓孔未封堵,在机组运行中，刮伤密封圈接触面，密封圈上表面形成凹坑，造成漏水量增大。

为使端面密封在运行中不至于转动，设置有2个Φ10mm的定位销钉，另有4个Φ4mm的通孔，其目的是让密封圈与转环之间形成润滑水膜。

运行中发现，在不同运行工况下，密封圈下腔水压力受桨叶前脉动水压力影响，起伏较大，机组空载运行桨叶前水压力出现负值（-100~300mmHg），带负荷运行时桨叶前水压0.09~0.16Mpa ,清洁水压力无法适时适应桨叶前水压变化的影响，致使转环与密封圈之间无法正常形成润滑水膜，密封圈与转环干磨因摩擦发热而冒烟。

主轴密封结构示意图见图2。

图2 主轴密封结构示意图尺寸单位为mm
图中：1—密封底座2—螺栓M20×50 3—检修密封圈装配4—主轴密封圈5—密封支架6—螺栓M12×45 7—内螺纹圆锥销B16×50 8—转环装配9—密封圈10—定位销钉11—螺母M12 12—螺母M24×1.5
2.2 现场组装工艺分析
现场组装时，若密封圈切口结合面处理不好，发生错台、表面碰伤或错台未处理完全；或者组装中，密封圈与镶套之间的间隙未处理均匀，使密封圈无法顺畅的上下移动，会造成漏水量增大。

2.3 运行角度
由于本水电站库容量小，为日调节水库，又位于砂岩地区，水库水质含砂量大；主轴密封供水管路未装设水过滤装置，技术供水管路的滤水器运行维护不当，都有可能造成沙粒进入密封圈镶套内及密封圈与转环结合面，磨损密封圈，造成漏水量增大。

自吸式顶盖排水泵运行维护不当，造成水导轴承下部的水不能及时抽走，发生水淹水车室。

4 改进措施及效果
4.1 引起端面密封圈刮伤的处理措施
造成端面密封圈刮伤的主要原因，一是密封圈与转环之间未正常形成润滑水膜，二是转环表面沉头螺栓未封堵，运行时，转环转动刮伤密封圈。

形成正常润滑水膜处理方案：对重新发货来的端面密封，一是在密封结合面环向开槽，尺寸为10mm×5mm(宽×高)；二是将4个通孔的孔径，由Φ4mm加大至Φ8mm。

三是调整密封圈与镶套之间的间隙，配合过赢量约1.0mm。

这样做是保证在运行中，有足够的润滑水到达密封圈与转环贴合面，并在贴合面形成“环向水盆”，保证结合面在适当的间隙下（水膜）安全工作；并且，密封圈在支架镶套内自由上下移动，不致于卡住而造成密封圈刮伤。

4.2 转环表面沉头螺栓孔未封堵的处理措施
将拆卸下来的转环进行重新组合，检查转环平面度，控制在0.03mm以内，否则重新配钻定位销钉孔。

用CHS307（或A137）牌号的不锈钢焊条，对转环不锈钢表面4
个沉头螺栓孔进行堆焊，采用小电流、逐个孔对称焊接、满焊并留有2~3mm的焊缝余高，焊缝表面无气孔、凹坑等缺陷。

对转环不锈钢面进行机加工，表面粗糙度达到要求，保证表面平整光滑。

4.3 密封支架内细沙粒的处理
对进入密封圈的水质进行控制，提出如下建议：
（1）在主轴密封供水管路增加精密滤水器，定期清洗；
（2）加强技术供水系统中的滤水器的运行维护工作，每班安排清污处理。

4.4 组装注意事项
（1）端面工作密封在工地组合时，将密封圈切削成与密封面成切45º角度的斜面，切口要平整、凿毛、清扫干净，切口结合面涂粘合剂，所有与密封圈接触表面不得碰伤。

且按照机组顺时针转动方向，密封结合处，后半部分表面应与前部分表面平顺或略低，以免被转环不锈钢面刮伤。

（2）端面工作密封组装后，做动作试验，顶起力不大于0.05Mpa，保证密封在支架内上下升降自如。

（3）部件组合时，所有把合面、分半面平顺结合，并涂抹涂密封胶，避免渗水。

（4）密封圈不得与由接触，各直角边不得有损伤。

（5）检修密封在工地组装后，做0.05Mpa正常工作压力密封试验，不得漏气，排气后应回位。

检修密封在停机时通压缩空气，开机前排气。

4.4 其它建议
（1）机组密封水必须清洁，畅通水压小于0.20Mpa，并根据漏水量进行调整，使漏水量在3~5m3 /h，保持密封圈与转环之间有润滑水膜。

（2）自吸式顶盖排水泵自动运行，安装于顶盖下的水位计，受机组转动溅起的水花干扰，容易引起误动作，故在水位计表面，加装保护罩；自吸式排水泵运行前需要人工加润滑水，加强自吸式排污泵的运行监测，及时补充润滑水。

（3）虽然端面工作密封橡胶圈轴向调整量大，总高度80mm，允许磨损55mm，，但须注意密封圈高度不得小于35mm，否则更换。

同时建议，保证密封橡胶圈质量，在硬度、饱和吸水性、出厂前回火处理、出厂前超声波探伤、适应环境温度及PH值等指标提高一些，增强密封性和耐磨性。

5 实施效果
经过实践证明，处理后的密封，调节方法合理，结构可行，效果良好，满足机组安
全运行需要。

作者简介：
杜江湖(1969年10月)，男，四川省南充人，工程师，葛洲坝集团第二工程有限公司，从事水利水电机电设备安装工作。