太平江一级水电站3号水轮机抗磨环磨损分析及处理

包国强

（大唐（云南）水电联合开发有限责任公司，云南 昆明 650000）

太平江一级水电站3号水轮机抗磨环磨损分析及处理

包国强

（大唐（云南）水电联合开发有限责任公司，云南 昆明 650000）

摘要：水轮机主轴密封形式多样，太平江一级水电站采用端面密封，转环固定在主轴上，密封环安装在检修密封支撑盖上部，利用密封水压顶起密封环与转环抗磨环形成转动水膜润滑密封。3号机组检修过程中发现，主轴密封转环抗磨环磨损严重、不能继续使用。在工期紧迫的情况下，采用变更加工工艺的加工方法。将原设计碳钢与不锈钢焊接结构的转环与抗磨环结构，更改为不锈钢整体加工，减少了焊接程序。有效的缩短加工工期，保证了大修如期完成。改造后设备运行正常。

关键词：主轴密封转换；磨损；分析；更换；处理措施

1　简介

太平江一级水电站位于缅甸东北克钦邦（Kachin）境内紧邻中缅边境的Dapein江上，工程区上游为中国云南省德宏傣族景颇族自治州盈江县。坝址所在地距中缅第37号界桩约2.5 km。工程区距盈江县城、瑞丽、芒市、昆明市、八莫的公路距离分别是90 km、170 km、241 km、876 km、60 km。水库正常蓄水位253.00m，死水位250.00m。电站为引水式电站，主体建筑物包括：首部枢纽、引水系统和厂区枢纽，坝址控制流域面积6 010 km2，装机4×60MW，立轴悬吊式水轮发电机组。设计多年平均发电量10.7亿kW·h，4台机组于2010年12月31日全部投产发电。工程规模为中型，工程等别为Ⅲ等。本工程的开发任务以发电为单一开发目标，所发电量8%送往缅甸八莫市，其余92%送回中国境内。

2　事故过程

3号机组大修过程中，拆除水轮机主轴密封后，发现主轴密封转环抗磨板及主轴密封条均磨损严重，转环抗磨环磨损宽度12mm，深度4mm,密封环深度8mm，宽度均整体（见图1）。

主轴密封拆除施工严格按照标准工序进行，拆除前检查转环把合螺栓、转环定位螺栓紧固，无缺损及松动现象；主轴密封导向销正常无松动，据此，初步排除了外力的作用，即金属相互摩擦引起磨损的可能性。

图1　磨损严重的抗磨环

通过设计图纸以及和生产厂家核对，转环抗磨环材料为H00Gr18Ni14Mo2不锈钢，密封条为聚氟乙烯塑性材质。后两者材料不论硬度和强度、抗磨能力，均小于主轴密封抗磨环材质。理论上不会引起主轴密封抗磨环磨损。

3　磨损原因分析

3.1主轴密封结构

正常运行时，通过机组技术供水向主轴密封内通水，水压约0.2MPa，压力水通过密封环上均匀分布的8个水孔进入主轴密封转环抗磨环集水槽。水压受阻使密封条反浮向下，密封环与转环形成水膜。

3.2原因分析

根据主轴密封结构形式，分析原因如下：

（1）主轴密封条内、外均有两圈盘根，原设计盘根直径为6mm，由于加工原因，盘根实际直径为6.5mm，密封环安装间隙比设计偏小，导致密封环不能上下自由浮动。

（2）机组转动过程由于主轴密封供水管密封环水孔堵塞，导致密封环没有上下浮动，造成密封环与转环抗磨环长时间干摩擦。

（3）由于来水泥沙含量较大，夹杂着泥沙的水流进入转环与密封环间间隙，长时间运行造成磨损。

（4）转环抗磨环原有的分段凹形集水槽局部磨损，导致分段集水槽磨平，使得主轴润滑密封水无法形成有效水膜。转环与密封环接触后形成真空，进而导致二者干摩擦。

（5）主轴补气阀调整弹簧过紧（实验测试需1 570 N作用力才能开启），从而不能有效对顶盖补气，转轮上冠与顶盖间空间长期处于负压状态，导致密封环与转环抗磨环干磨。

以上五种状况都会导致抗磨环与密封严重磨损，最终出现相互镶贴的、具有一定规则的凹凸面。

针对上述分析，为了避免磨损情况再次发生，需要加强主轴密封水过滤器的维护，从而改善密封水水质，此外，还需调整主轴补气阀动作值。

4　修复方案

对3号机组损坏的主轴密封的修复工作，存在2种方案：

①按照原设计，主轴密封转环与抗磨环由不同材料制作，经焊接连接。

②主轴密封转环与抗磨环使用同一材料整体加工。

主轴密封转环与水轮机主轴通过紧配方式安装，间隙为0.02～0.06mm，如果不采取措施随意补焊抗磨环，会导致其焊接变形，影响转环安装尺寸。

主轴密封装配如图2所示。

（1）如图2所示，区域1和区域2按照设计图纸采用的是焊接结构。尤其对于区域2，因焊缝狭小根部不能满焊，厂家反馈我厂在设备制造过程中，曾经因焊接变型等原因导致该部位加工余量不足焊缝裸露，最终报废一台后重做。

（2）对于区域4，该部位尺寸是与主轴实际尺寸配车，以保证加工精度。此次如对3号转环只更换抗磨板，在区域2的焊接过程中会导致区域4内孔收缩变型。从而使得该部位局部加工余量不足，工艺上考虑会对余量不足部分进行补焊再加工，同样能够达到装配尺寸的要求。

（3）无论是重新按原设计图纸进行制作，还是对现有转环进行更换抗磨板，制作周期基本上都需要45 d左右。这2种方案生产厂家都能进行，但是根据我厂的进度要求，我厂与生产厂家都不能按时完成。为了缩短制作周期，保证转环各尺寸要求、装配要求及抗磨性。从技术角度与工艺角度分析，对于区域3部分用整块不锈钢板整体加工而成。由此可取消区域1和区域的焊接工作，并能有效控制其它部位的焊接变型，各尺寸的加工精度更能得到保证，由此可大大缩短制作周期，并基本能保证在大修工期内15d供货的要求。

通过技术及工艺角度分析，可以改变工艺方法，将转环用整块1Cr18Ni9Ti或者0Cr18Ni9钢板加合缝板进行整体加工，最终决定利用0Cr18Ni9钢板（如图3、图4所示）焊接部位取消，采用整体加工。

图2　主轴密封装配图

图3　转环与抗磨换装配

图4　取消抗磨换与转环焊接面采用整体加工

5　主轴密封转环新加工的优越性

（1）缩短了加工工期。按照原设计方案整个加工工期达45 d，新工艺只需要15 d。

（2）避免焊接变形。采用0Cr18Ni9钢板直接加工避免混合材质焊接引起的变形而导致报废。

（3）工艺新颖、技术先进。由于转环不受较大外力的作用，不存在刚性和硬度的过高要求，0Cr18Ni9钢板完全可以满足技术要求，且具有以下优点：

a）减小汽蚀，延长使用寿命：主轴密封转环与主轴紧密配合，原碳钢材质是主要考虑了材料的刚度和硬度，忽视了潮湿部位的锈蚀、汽蚀因素，大大影响了转环使用寿命。全部采用0Cr18Ni9钢板整体加工减小了锈蚀和汽蚀，延长了设备使用寿命。

b）易于安装：0Cr18Ni9材质较轻，狭小部位便于安装，紧密配合安装容易拉伸。

（4）经济效益较优。原工艺无论是补焊处理还是重新加工都耗时过长，满足不了工期要求，延长了机组检修周期，影响机组发电并网。新工艺工期短能满足检修工期要求，从整体检修工期的角度上来看节省了费用。

（5）质量可靠、便于推广。安装完成后整体试验表明转环与主轴的配合间隙满足要求，机组运行稳定。由于0Cr18Ni9材质柔性较好便于调整加工公差，尤其适用于紧密配合部件装配，便于推广应用。

6　安装及水压试验

安装及试验过程：

（1）预装情况：分半转环通过螺栓连接，利用力矩扳手调整组合螺栓预紧力为280N·m。测量转环X、Y方向直径分别为：DX=793.03mm，DY=793.02mm，符合设计及安装要求（主轴直径793mm)。测量抗磨环X、Y方向直径分别为：DX=800.02mm，DY=800mm，符合设计与安装要求(设计尺寸800mm)。抗磨环厚度7mm，抗磨环宽度40mm；转环放在加工精度6.3的钢板上，使用0.03mm塞尺不能通过，表明加工精度符合要求。检查水平度及垂直度符合要求，均匀分布的4支顶丝与主轴配车方位吻合。

（2）正式安装：转环在机组盘车结束后开始安装。

a）转环把合面涂L515密封胶。

b）转环与主轴把合后利用280N·m力矩扳手检查。顶丝扭紧后检查转环径向、轴向无松动。

c）待主轴密封安装完成后进行水压试验，主轴密封水压0.2MPa，密封环抬升量符合要求，检查密封环与转环抗磨环间隙均匀，过水均匀。密封水断流后密封环与转环分离。反复试验3次，均正常。

（3）安装完成后轴向、径向间隙符合设计要求，径向偏差为10%,符合规范要求。密封环上下自由移动，与转环密封面接触良好，供水管路畅通。

7　结束语

随着我国科学技术迅猛发展，水电领域的创新与改进也在迅速革新。水电厂主轴密封结构形式多样化，简单、实用、检修维护方便已是现代水轮发电机组水轮机部件选型的基本要求。每个水电站大修时间总工期总是确定的，在大修物资计划中人们往往忽视非常规设备的备件问题，一但出现非常规设备损坏问题，一般会导致工期的延误、造成经济损失。为了不影响工期、按时完成检修任务。在大修物资准备阶段一定要注意非常规设备、零部件的计划采购，以备不时之需。零部件材质的选择也非绝对必须符合设计图纸，在技术、工艺满足的条件下可以市场选择。本文原主轴密封转坏材质为Q275与不锈钢1Cr18Ni9Ti。此次3号机组大修为了不影响工期、采取加工转环材质全部为不锈钢板1Cr18Ni9Ti。满足技术及工艺要求的同时，工期的保证就是经济利益的保证，也符合效益导向、价值思维的观念。

参考文献：

[1]哈尔滨电机厂有限责任公司.图纸及安装技术手册[Z].

[2]GB/T8564-2003水轮发电机组安装技术规范[S].

[3]DL/T 817-2002立式水轮发电机组检修技术规程[S].

中图分类号：TK730.8

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）06-0054-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.015

收稿日期：2015-03-02

作者简介：包国强（1985-），男，助理工程师，从事水电站机械检修工作。