单流环式发电机氢气密封边界优化

朱才华 刘思伟

【摘 要】某核电站3/4号机频繁出现励磁机端轴密封装置泄漏，影响大修关键工期，并增加了机组安全运行的风险。经分析认为励磁机端中分面氢气密封边界设计存在隐患，机组长期运行后氢气泄漏到轴承室。实践中采用在密封瓦室和支撑环中分面增加油槽的方式，优化中分面密封。经过改进后，彻底消除了该缺陷。

【Abstract】The leakage of the end shaft seal device of exciter frequently occurs at the No. 3/4 machine in a nuclear power station， which affects the critical period of overhaul and increases the risk of safe operation of the unit. Based on the analysis， we consider that there are some hidden dangers in the design of the split hydrogen seal border of the exciter end， after the long term operation of unit， the hydrogen is leaked to the bearing chamber. In practice， we add the oil tank in the split of the sealed tile chamber and support ring， so as to optimize the split sealing. After improvement， the defect is completely eliminated

【关键词】轴密封；单流环；氢气泄漏；密封边界；设计隐患

【Keywords】 shaft seal；single-ring；hydrogen leakage；sealing border；hidden danger of design

【中图分类号】TM31 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）11-0175-02

1 故障背景

某核电站3、4号机使用TA-1100-78型发电机，机组额定功率1150MW，额定转速1500rpm。机组采用水-氢-氢冷却方式，轴端使用单流环式轴密封装置。

这两台机组投产以来，大修及日常多次发现励端轴密封装置处泄漏，并随着机组服役时间延长趋于恶化。大修期间更换励端支撑环之后，发电机气密试验结果严重超标，检查发现励端支撑环与密封瓦室配合面处有多处明显漏气。该问题导致3号机大修返工及工期延误。

2 原因分析及故障机理

现场故障检查发现泄漏点分布在密封瓦室与支撑环结合面边缘四周，塞尺检查結合面之间存在多处间隙，间隙呈不均匀状态，最大处约0. 4mm。设计上这两个结合面之间无配合平面度要求，两者的密封通过它们之间的密封胶条来保证。现场观察到结合面边缘处漏气，表明密封瓦室与支撑环之间密封存在异常，但解体发现密封瓦室与支撑环之间胶条状况良好，胶条压缩量正常，胶条槽无明显缺陷。通过对氢气泄漏可能途径的分析，发现励端轴密封装置密封边界存在缺陷。

为满足密封瓦拆装的需求，密封瓦室由上下两半组成，为防止氢气从上下半结合面（中分面）泄漏，设计上在密封瓦室中分面上开了一道油槽，从密封瓦室引一路密封油到油槽，利用密封油油压对密封瓦室中分面进行密封（如下图1所示）。

在励端密封瓦中分面的设计中，由于绝缘要求，密封瓦室和发电机大端盖之间通过带有绝缘结构的支撑环进行连接；为保证支撑环与密封瓦室和大端盖之间的密封性，三者之间通过两道O型圈进行密封。如下图2所示，区域A和区域B以上部分（内油挡和密封瓦室之间）均为氢气区域，当区域A或区域B上下半密封存在不良时，氢气可通过中分面进入图2中区域A与区域B交接处的白色O圈左侧槽中，即支撑环与密封瓦室之间的O圈密封被突破。O圈槽分布在垂直面整个圆周方向上，氢气将通过O圈槽的缝隙到达整个垂直面，并通过密封瓦室与支撑环结合面之间的间隙漏入轴承室空间内。

3 处理方案

3.1 临时处理方案

3号机大修发现此异常后，对密封瓦室与支撑环的配合面进行了车削，提高密封瓦室和支撑环配合面的平面度，并在两配合面之间涂抹平面密封胶强化密封；对支撑环和密封瓦室中分面进行涂胶，改善中分面密封情况。这种处理方式为常规火电机组常用的处理方式，按此方式处理后，一定程度上限制了泄漏到O圈槽内的氢气进一步向外扩散的途径，减少了氢气泄漏量，可短期满足机组投运要求。

但密封瓦室与支撑环之间的配合面设计上并不作为密封边界，随着服役时间的延长，仍然会由于结构变形导致密封失效。运行期间配合面由于热膨胀产生相对位移时，密封胶难以完全填补新产生的间隙，密封效果降低；随着运行时间延长，密封胶可能老化导致密封性能下降；若中分面所涂密封胶老化脱落进入中分面原有的密封油槽中，可能导致油槽堵塞，甚至使得整体中分面密封性能恶化。因此涂抹密封胶的方案不能作为此问题的永久解决方案单独使用。

3.2 最终解决方案

通过消除氢气通过区域A和区域B进入O圈槽O圈左侧的途径，可以避免氢气进入O圈槽并泄漏到外部，从源头上消除轴密封装置中分面导致的泄漏。 综合考虑日常运行稳定性、易安装维护性、经济性等各方面因素，选择增加中分面油槽方式来对区域A和区域B进行密封。油槽方式油压密封存在密封可靠性高、抗密封面变形能力强、一次加工终身免维护等多种突出优势。

在原设计中分面油槽的基础上，将油槽加以延长和扩展，在密封瓦室和支撑环油槽靠近O圈的枢纽孔处各开一道槽到O圈槽，引一道油到O圈槽处，对胶条进行密封。新增的油槽深度和宽度与原油槽相同，长度上密封瓦室新增油槽总长度为61.5mm，支撑环上新增油槽长度为20mm。与原中分面油槽长度相比，新增油槽长度有限，新增油槽与原油槽位于同一平面内，并在同一配合面上，不会由于新增油槽导致原来油槽内油压下降。理想情况下，油槽内的油处于静止状态，油压与密封瓦室油压基本相同，因此油槽内油压将比氢压高约0.5bar.g，可以完整实现对氢气的密封。即使长期服役后中分面发生形变时，油压仍可保证可靠的密封。

在后续的大修中分别完成了3/4号机支撑环、密封瓦室的开槽改造。经最终处理后，在后续的大修和日常运行中，未再次检测到轴密封处明显泄漏，表明经过处理后，发电机励端轴密封装置泄漏问题已得到彻底解决。

4 结论及意见

本文对单流环式发电机轴密封装置设计中存在的隐患及其处理作了详细的介绍，通过增加油槽，提高轴密封装置密封边界完整性，成功解决了电站多年来长期存在的轴端氢气泄漏现象。

本文提到的故障模式可能会在很多单流环式密封瓦结构发电机上出现，文中提出的处理方案是对此类故障处理的有益尝试，实践证明效果良好，值得向同类机组进行推广并反馈到设计方进行改进。