迷宫环非接触式水轮机工作密封异响故障分析与处理

2023-11-29张代云周晓航

水电站机电技术 2023年11期

何毅，张代云，周晓航

（阿坝水电开发有限公司，四川阿坝 623500）

1 引言

水轮机主轴工作密封主要作用是在水轮机运行中封住水轮机顶盖与主轴间的漏水，从结构上分为接触式与非接触式两种形式，本文案例是迷宫环非接触式工作密封，它由转动的密封套（动环）和固定的密封体（静环）组成，密封体上设有减压迷宫，起到将渗漏水减压作用；密封套材质为不锈钢，起保护主轴作用，在密封体上设有排水孔，将减压后的渗漏水排至集水井中，防止水轮机水导轴承被淹。在主轴工作密封下方还设有检修密封，其作用是水轮机在停机备用和机组检修时封住漏水，阻止水流外溢，它由围带座、围带盖组成，在机组停机时，围带充气抱紧密封套以达到密封止水效果[1]。

2 背景

某站1号为立式混流式水轮发电机组，发电机为悬式结构，导轴承设置有上导、下导、水导，水轮机转轮直径为3.32 m，额定转速187.5 r/min，额定水头为58.5 m，机组容量为40 MW，水轮机主轴为迷宫环非接触式工作密封，水轮机主轴检修密封为橡胶围带式密封，水轮机转轮上冠减压装置为泵板结构。

某日机组由热备用开机带25%额定负荷，经过1 h的机组运行，发现水车室有明显撞击异响和金属摩擦所散发的刺鼻性气味，通过对设备进一步检查发现水轮机主轴工作密封在+Y方向有火花飞溅。通过对机组振动摆度数据、水导轴承温度、活动导叶剪断销、导水机构等部位进行检查，发现水导轴承瓦温和摆度数据出现少量的上涨，其余部件正常未发现异常。通过对水轮发电机组拆除检查发现主轴密封迷宫环与抗磨环（动环）、检修密封空气围带及围带座、密封支撑座内侧与法兰螺栓罩、密封支撑座外侧与水轮机转轮泵板垂直面等处有撞击磨损痕迹。其中主轴密封迷宫环、密封支撑座、水轮机法兰下护罩发生严重变形[2]。

3 原因分析

3.1 运行数据分析

通过查找机组运行曲线，机组运行时负荷为10 MW，机组的振动区间为20~30 MW，机组未在振动区间运行。查看机组运行时的水导处X方向和Y方向处的摆度大小，最大值为73 μm，其中水导瓦总间隙为0.34 mm，水轮机主轴工作密封单边间隙为0.7 mm，水导处的摆度值均小于以上间隙。机组运行水导瓦温为31℃；通过与机组同负荷同水头下摆度和瓦温历史运行数据对比发现：①水导Y方向和X方向摆度略微上涨，分别上涨28 μm和15 μm；②水导瓦温有7℃的上涨，其余部位的振动、摆度、瓦温数据均无明显变化。

3.2 设备检查分析

3.2.1 水导轴承检查分析

该机组水导轴承采用分块同心瓦、稀油润滑，瓦面采用巴氏合金，由楔子板调整和传递轴瓦径向力，轴瓦设计总间隙为0.34 mm，拆机检查时复测检查间隙分布如表1所示，可以从分布表中看出，最大单边间隙在1号点为0.65 mm，最小单边间隙在5号点为0 mm，最大总间隙在3~7方向上为0.68 mm，较设计间隙增大了0.34 mm；最小总间隙在4~8方向上为0.25 mm，检查用于固定楔子板的螺栓和锁定螺母均无松动，对所有瓦面外观检查发现1号、2号水导瓦面有局部磨损变黑的痕迹。

表1 水导瓦间隙分布表

3.2.2 工作密封检查分析

主轴工作密封采用迷宫环非接触式，采用分瓣拼接结构，迷宫齿表面采用的巴氏合金材质，使用螺栓紧固，主轴上密封套采用不锈钢材质，工作密封单边设计间隙为0.7~0.9 mm，现场测量检查工作密封间隙如表2所示，其中最小间隙在X方向上为0 mm，最大间隙为1 mm，在主要的三个方位上工作密封间隙远远小于设计间隙大小，检查密封套内表面，整个迷宫环呈现一侧偏磨的现象，偏磨的主要方向发生在工作密封+Y方向和两个的组合缝位置，其中局部磨损量达到2 mm；另一侧未发生任何摩擦痕迹，此侧的工作密封磨损与轴瓦发生受力方向一致[3]。

表2 工作密封间隙测量表

3.2.3 检修密封检查分析

水轮机检修密封采用的橡胶材质空心空气围带密封，在未充气状态下，空气围带保持有足够距离间隙，保证主轴在正常旋转过程中不与其发生接触摩擦，防止在主轴的高速旋转下摩擦发热，导致空气围带被烧。运行过程中检查核实确认水轮机主轴检修密封空气围带内压力监视表盘无压力，同时发生故障期间，水车室内未观察到橡胶灼烧产生浓烟。

拆除水轮机主轴检修密封检查，发现空气围带与围带座接触处存在被高温灼烧的痕迹，在空气围带内侧无新灼烧痕迹，而整个空气围带座保持完好，无明显被磨损痕迹。根据橡胶空气围带的结构可知，被烧部位因为其他部位摩擦产生高温，热量传递到空气围带座，从而引起空气围带与围带座间有被灼烧的痕迹。

3.2.4 密封支撑座检查分析

密封支撑座是水轮机主轴密封的支撑基础，通过定位销钉和螺栓定位固定于水轮机顶盖上方，支撑座分上、下环结构，如图1所示，其中上环部分为主轴密封提供连接接口，下环部分为挡水环，阻挡水轮转轮上止漏环渗出水流，引导水流回到水轮机转轮减压装置中，密封支撑座为整圆形结构，其中上环部分单侧配合间隙1.8~2.2 mm，下环部分单侧配合间隙2.5 mm。

图1 水轮机主轴密封图

拆卸时检查发现在密封支撑座挡水环外侧，+Y方向与水轮机转轮泵板立面存在明显磨擦，其中磨削深度最大处达到2 mm，现场拆卸时发现密封支撑座存在严重变形，圆形结构椭圆度较大，甚至影响到现场密封支撑座取出，取出后现场测量发现支撑座椭圆度达到4 mm，其中直径最大的方向为密封支撑座的+Y方向。

3.2.5 水机轴法兰下护罩检查分析

水机轴法兰下护罩，主要是为保护水轮联轴螺栓，防止因水流冲刷汽蚀导致联轴螺栓损伤，法兰下护罩用12颗M16的8.8级不锈钢螺栓固定于联轴螺栓上，检查时发现水机轴法兰下护罩衬垫焊点不牢固，部分存在虚焊等问题，有8颗固定螺栓断裂，2颗随护罩内衬垫一起脱落于联轴螺栓上方，1颗发生严重弯曲变形失去紧固作用，全部12颗螺栓出现断裂、变形、移位等现象。下护罩已完全松动，并随机组转动在主轴上晃动，并且护罩外侧与密封支撑体下部挡水环内侧发生碰撞和摩擦，其中最大摩擦深度达到3 mm。

3.2.6 转轮叶片泵检查分析

混流式水轮机叶片泵的工作原理是，利用转轮旋转在上冠上产生的离心力将转轮上止漏环间隙处渗漏水加速后，通过顶盖上的排水管排出，其他的水流再通过密封支撑体的挡水圈阻挡后回到叶片泵内再次被甩出，起到减少转轮上冠轴向的水压力。经现场检查发现转轮叶片泵的立面圆周与密封支撑体外圆周的+Y方向发生磨损擦挂的现象，摩损擦挂在泵板立面留下明显的摩擦痕迹，同时检查转轮泵板固定螺栓，全部36根M24高强钢螺栓均保持完好，无松动和移位。

3.3 综合原因分析

通过上述不同部件的磨损方位发现，转动部件与固定部件发生磨损的方位均发生在+Y方向，若机组轴线发生大的偏折则应该为整个圆周磨损，从现象上可以排除因为机组轴线发生大的偏折所致；另一方面水导轴瓦、主轴工作密封体、主轴检修密封部件位于转动部位的外圆周，而密封支撑座位于转动部件的内圆周，那么两者在相对位置上存在反向。

根据拆机后检查的水机轴法兰下护罩固定螺栓锁定焊点及支撑垫焊缝开裂脱焊的情况，以及水机轴法兰下护罩外侧密封支撑座圆度测量数据发现，圆度直径变形量超过4 mm，该值已经超过工作密封1.4 mm的总间隙，超过了密封支撑座与叶片泵立面2.5 mm最大单侧间隙值。综合机组拆机后检查测量情况分析判断：

（1）运行过程中产生异响和异常振动，是由于水机轴法兰下护罩与密封支撑座碰撞、密封支撑座与水轮机转轮泵板立面碰撞、工作密封和检修密封与密封套发生碰撞时产生的。

（2）结合振摆监测装置测量数据分析，以及结合机组转动与固定部分磨损发生部位，认为机组运行过程中轴线未发生偏移。

（3）水轮机密封支撑座为整圆件，挡水环外侧与水轮机转轮泵板相邻，上环与水机轴法兰下护罩相配合，通过该种结构设计的特点，采用上、下环结构，其中上环采用厚壁件，下环采用相对薄壁件，中部设计为法兰式结构用于固定使用，该种固定方式具有跷跷板的效果，在中部法兰固定状态下，上环向一侧的变形，将会引起下环向另一侧成比例的变形量，这两种不同的变形方向符合故障现场的特征，故密封支持座圆周方向上4 mm的变形量，引起支撑座上方检修密封与工作密封配合间隙发生位移减小，进而引起摩擦。

（4）密封支撑座变形原因，是水机轴法兰下护罩固定螺栓顶部与护罩面、护罩内侧安装的衬垫原焊接不牢靠，焊接量较少，导致焊缝承载力不够，在机组长期启停运行过程中焊点发生断裂脱落，导致下护罩松动，松动的下护罩在机组转动过程中对固定螺栓受到护罩晃动作用力疲劳后断裂，失去固定螺栓的下护罩随转动部分旋转撞击密封支撑座，导致密封支撑座发生变形，密封支撑座变形后导致与叶片泵间隙变小发生单侧偏磨，密封支撑座的变形引起上部安装的检修密封座及工作密封体与密封套一侧间隙减小，运行过程中发生偏磨。