抽蓄电站水泵水轮机主轴密封损坏的分析及处理

陈 勇

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 杭州310000）

1 背景描述

某抽蓄电站机组水泵水轮机型式为立轴、单级、混流可逆式水泵水轮机，与额定转速为300 r/min、50 Hz发电电动机通过主轴法兰连接。转动方向为：水轮机工况俯视逆时针，水泵工况俯视顺时针。为了保证水导轴承的正常工作，必须在水导轴承下采取密封措施，防止压力水从主轴和顶盖之间渗入水导轴承，破坏水导轴承的正常工作。主轴部分的密封分为两大类：轴承运行中的密封主轴密封和轴承检修或停机时的检修密封。

抽蓄电站机组主轴工作密封的形式为液体静压轴向机械式密封，密封块材料为酚醛树脂合成材料，具有很好的抗磨耐热性能，详细参数见表1。主轴工作密封的功能，主要是通过磨损块与镜环之间形成的水膜防止发电调相或抽水调相时转轮室中跑气，另外还兼顾一定的止水作用。磨损后轴向调整量大，缺点是当弹簧作用力不均匀时，密封块容易偏卡偏磨，对密封块出厂质量和现场检修质量要求高。主轴密封具有自调节的功能，主要是因为在主轴密封块上有4根均压管，下腔与尾水连通，上腔通至浮动环的上端面，这样就使得浮动环的上、下端面的水压平衡，不论是发电工况还是抽水工况都不会导致浮动环抬起或与转动密封环抱死。主轴密封的润滑水通过12根水管进入2个密封面之间，形成一层水薄膜，镜板与磨损块之间不会直接接触，它的水膜间隙是靠16根调节弹簧的预紧力来调整的。浮动环上还有4个RTD以及密封块的磨损测量装置。

表1 主轴工作密封规范

2 发现问题初期及处理方法

（1）2017年1月21日，3号机组在抽水调相运行，oncall人员巡检过程中发现主轴密封水箱甩水。运维人员现场检查认为主轴密封水流量及水压过大导致主轴密封抬起过高，密封不严引起甩水。

采取措施：降低主轴密封水流量及水压，原流量为15 m3/h，调整为8 m3/h，调整后基本不再甩水。后实际运行中流量最低低至6 m3/h，处理主轴密封流量调节阀，发现调节阀均压管进水侧堵死，经处理后流量调节正常。

（2）2月份，3号机组定检时拆开主轴密封水箱盖进行检查，发现静止态水流从固定环、浮动环之间的缝隙流出（图1）；并且测量磨损块高度H，发现磨损块对称方向高度有些许偏差。将机组调相压水主压水阀手动打开15 s压水，气流从固定环、浮动环之间的缝隙流出较大。

图1 主轴密封

（3）3月初，机组调相运行压水后无法保持，主轴密封漏气量增大，在机组抽水调相过程中，压水补气阀打开进行补气已无法将尾水再次压至尾水位信号高（尾水水位监测装置主要有太高、高、低、太低4个监测点）以下位置，临时修改逻辑，将压水补气换成主压水阀进行补气，并决定将3号机C修提前。

3 主轴密封C级检修发现问题及处理方法

（1）3月15日，3号机C修开工，在对主轴工作密封拆解后，发现磨损块损坏严重，磨损块靠外侧烧损，且磨损块存在严重的偏磨现象。在检修过程中对6块磨损块进行整体更换。

（2）检修时发现 036’01.032，033，034 密封，均已老化严重，存在破损的现象。3月23日厂家人员到现场粘接主轴密封 036’01.032，033，034 密封，更换主轴密封调节弹簧。

（3）3月28日，修后试验时，在机组调相压水转停机以及调相转抽水运行时主轴密封仍有甩水，甩出气、水混合物。此时主轴密封泵流量13.5 m3/h，压力1 MPa。调整流量值10.5 m3/h，压力0.9 MPa，效果不明显。排查主轴密封浮动环均压管，均压管滤芯清洁，管路通畅。

（4）3月29日重新排水，打开主轴密封水箱盖发现水箱底板连接缝处036’04.008密封处漏气（主轴检修密封投入），且036’04.008密封已不见踪影。重新手工制作密封条，打胶固定，试验发现，在机组调相压水转停机以及调相转抽水运行时主轴密封甩水现象已完全消除。

4 修后原因分析

4.1 主轴密封磨损块磨损严重的原因分析

4.1.1 主轴密封检修中出现的现象

主轴密封磨损块出现了偏磨的现象，最低处的磨损块测量值为5.5 mm，磨损块磨损严重。

4.1.2 主轴密封磨损块磨损较大原因分析

（1）主轴密封用水量骤减导致

1）主轴密封增压泵故障：流量及压力变小导致机组启动后间隙变小使磨损块磨损量较大。经检查，主轴密封2台增压泵均能正常运行。

2）主轴密封调节阀故障：主轴密封调节阀的平压管堵塞，下腔压力一直保持着排不出去，导致上腔开度减小，主轴密封水流量减小，在调节弹簧的作用下，导致机组启动后磨损块与镜板的间隙变小，使磨损块加快磨损。

3）主轴密封水管路堵塞：流量变小导致机组启动后间隙变小使磨损块磨损量较大。经检查，水管路中的过滤器及逆止阀均能正常运行，未发现堵塞现象。

（2）主轴密封调节弹簧故障导致

调节弹簧由于形变的变小使弹力变小，由于各个弹簧的弹力变化不均，使机组在运行时磨损块与抗磨板之间的间隙不均匀，同时主轴密封水从间隙大处流出量较多，间隙小处更较少，导致偏磨情况的发生并不断的恶化。

4.2 主轴密封水箱甩水的原因分析

可以发现当 036’01.032，033，034 密封老化密封不严时，尾水管的水将经过主轴检修密封（正常时不投入），不经过主轴工作密封直接从固定环、浮动环之间的缝隙流出，进入主轴密封的水箱。此时主轴工作密封已经无法起到防止尾水泄漏进入机坑。

（1）在机组停机稳态时，拆除水箱盖板，发现有水流从固定环、浮动环之间的缝隙流出。

（2）在机组发电运行时，因密封没有完全损坏，此时的尾水水压力大约在6 MPa左右，少量水进入水箱，所以此时机组运行会有轻微的甩水现象。

（3）在机组抽水调相运行时，此时尾水在压水充气状态，气压在8 MPa左右，且气体更容易从细缝中渗漏出，此时机组运行会甩出较大量的气、水混合物。当机组抽水调相转抽水时，此时排气过程中，尾水将逐渐升高，发现这时的水车室内会甩出大量的水，且伴有刺耳的响声。抽水稳定运行后，情况恢复至发电运行时的状态。

结果：主轴密封装置中的橡胶密封条或密封圈已出现较大的磨损，无法继续正常止水。

4.3 原因总结

主轴密封损坏的原因主要为，主轴密封调节阀故障、036’01.032，033，034 等密封老化，致使主轴密封长时间在不正常的状态下运行，最终导致主轴密封磨损块偏磨、主轴密封水箱甩水等严重缺陷。

5 事后分析总结

5.1 思考缺陷产生过程中的现象与可能的结果

5.1.1 磨损块偏磨缺陷

（1）磨损块发生偏磨的前期

1）现象：主轴密封水流量骤减并小于6.6 m3/h调节阀故障、管路堵塞，特别是在机组运行期间值出现流量小于6.6 m3/h。

可能的结果：磨损块磨损加剧，若出现某处弹簧弹力变小则肯定出现偏磨。

2）现象：主轴密封水流量变大-弹簧故障，以大于15 m3/h为界。同时要求结合磨损块测量高度对称方向是否相同。

可能的结果：主轴密封漏水量较大，由于主轴密封磨损块的间隙不等从而导致偏磨发生。

3）现象：磨损块高度进行测量时出现有明显低点，高低点相差值大于1 mm（排除测量误差）时。

可能结果：磨损块已经发生了轻微的磨损情况。

（2）磨损块已经发生偏磨

1）现象：主轴密封浮动环止动销的连接板发生变形，甚至导致止动销或者连接压板的固定螺丝断裂。

结果：止动销侧的浮动环已经出现了下坠，磨损块已经磨损。

2）现象：磨损块指示装置显示磨损量较大。

结果：磨损块指示装置侧的浮动环出现下坠，磨损块已经磨损。

3）现象：在调相压水过程中压水时间过长或者调相不成功，水车室内出现甩水。

结果：主轴密封磨损块已出现较大的磨损。

5.1.2 主轴密封甩水缺陷

（1）主轴密封甩水缺陷的前期

1）现象：机组水车室内能听到吹哨子声，尤其是机组在抽水调相状态时。

可能的结果：气体冲刷镜板表面或其他位置，将加速破坏主轴工作密封的相关部件，出现甩水现象。

2）现象：从水箱盖板顶上溢出有少量的水。

可能的结果：机组尾水管内的水从主轴密封处渗漏进水箱内，致使水箱排水管来不及排水，出现甩水现象。

（2）主轴密封已经发生甩水

1）现象：水箱盖板拆除后，主轴工作密封浮动环与大轴间隙处，出水量明显增大。

结果：主轴工作密封已存在故障，无法正常工作，机组运行时，将出现甩水现象。

2）现象：水箱盖板拆除后，主轴工作密封浮动环与固定环间隙处，有明显水流翻滚现象。

结果：主轴密封中 036’01.032，033，034 等橡胶密封件损坏，机组运行时，将出现甩水现象，尤其是在机组抽水调相转抽水时，特别明显。

5.2 近期结果

在对3号机组主轴密封进行检修后，对主轴密封的巡视检查、维护检修内容进行了调整，在日常维护及月度定期工作过程中，严格执行检查维护规定的工作内容，3号机组在修后未再次出现水箱甩水现象。因该电站其他3台机组也为同类型机组，且也运行至今已近10年，考虑到主轴密封各部件老化、磨损等现象与3号机组有类似情况，在机组检修期间逐渐对橡胶密封圈进行整体更换，对磨损块进行检查测量，必要时也进行了更换，该电站机组主轴密封甩水现象未再出现。希望本文对水电站类似结构的主轴密封问题的处理方法及今后检修维护的方向有一定借鉴意义。