水电机组工作密封烧损的分析与解决

杜 永

（国网新源丰满电厂，吉林省吉林市 132108）

水电机组工作密封烧损的分析与解决

杜 永

（国网新源丰满电厂，吉林省吉林市 132108）

本文简要介绍了小孤山电站2号机组空负荷启动过程中，出现水轮机主轴密封烧损问题，通过对该问题进行现场分析，找出了故障的主要原因，并采取行之有效的措施，从根本上解决了水轮机主轴密封烧损问题，为水电机组的运行、维护积累了经验。

水轮机；主轴密封；烧损；分析；改进

1 概述

小孤山电站位于辽宁蒲石河蓄能有限公司（以下简称蒲蓄）下水库，为蒲蓄公司厂用电的备用电源，对于合理利用水资源和保护生态环境起到重要作用。小孤山电站2号机组启动试验时，空负荷开机约2min水车室出现橡胶烧损的焦臭味，被迫紧急停机。工程技术人员对该问题进行现场分析，找出了故障的主要原因，通过采取行之有效的措施，从根本上解决了水轮机主轴密封烧损问题，为水电机组的运行、维护积累了经验。

2 橡胶焦臭味的查找与原因分析

2.1 故障现象

小孤山电站2号机组安装首次启机试验前，检查水压符合设计要求，各动静密封点无异常。水轮机工作密封活塞式橡胶密封环已顶起，密封严密，无漏水现象。启机约2min后，产生非常浓烈橡胶焦臭味，被迫停机检查分析原因。

2.2 橡胶焦臭味的查找

转轮室内除电气设备、元件外，其余都是机械构件以及为数极少的橡胶密封材料（如盘根、围带和密封环）。在排除电气设备、元件故障的可能后，能在发热后冒烟并散发橡胶焦臭味的就只能是这些橡胶制品。

机组停机切断密封环冷却水源后，对照2号机组安装图纸，从上到下逐一排查机组各个动静密封点，检查到水轮机工作密封时发现活塞式橡胶密封环未下落，水压仍保持0.2MPa，密封环与抗磨环零间隙。抗磨板表面温度较高，橡胶焦臭味源初步判定为是由主轴密封烧损发出的。

2.3 原因分析

2.3.1 主轴密封工作原理

根据机组的结构、水头、轴径、转速、水质及使用频率等数据综合考虑，小孤山电站主轴密封形式为端面接触式主轴密封。其主体为空气围带、活塞式橡胶密封环（以下统称密封环）、密封座和抗磨环。装配图如图1所示。

主轴密封紧靠水轮机主轴下法兰端面，在水导轴承下方由顶盖支撑，作用是有效地阻挡水流从大轴与顶盖之间的间隙上溢，控制机组旋转部分和固定部分的漏水量，防止水导轴承和顶盖被淹。由运行状态下的工作密封和静止状态下的检修密封组成。其工作原理是：

图1 密封装配示意图

图2 烧损的橡胶密封环

（1）当机组由停机转运行状态时，密封环在水压的推力作用下，沿密封座内导向杆向上滑动与抗磨环间形成一水膜（设计水膜厚度0.03～0.08mm），其作用相当于流体静水压轴承将旋转抗磨环与静止密封环分开，使它们不发生直接摩擦从而减少磨损量，并带走摩擦产生的热量。此时，切断检修密封气源，打开排气阀排气，空气围带内在弹力的作用下与主轴彻底分离（设计间隙为1mm），从而退出运行。

（2）当机组由运行转停机状态时，检修密封空气围带在压缩空气的作用下，其非约束部分受压鼓起，与主轴环紧密接触，从而阻断尾水窜入水轮机顶盖的通道，而起到密封作用；工作密封环此时在密封座内靠自重沿导向杆自由下落到底部，从而退出运行。

2.3.2 原因判定

将0.50mm塞尺强行插入密封环与抗磨环接触面后，先后有热水蒸气、热水溢出，水压开始下降，水压下降为0MPa时抽出塞尺，发现塞尺上粘有一层橡胶。

根据以上情况可以判定，小孤山电站2号机组在首次空负荷开机时，由于压力水开启后密封环首先被水压顶紧，通流孔被抗磨环封堵，使得密封环摩擦面在开机的空负荷阶段不能产生流动水膜，开机时转动环与密封环之间出现干摩擦或临界干摩擦，造成密封环严重发热冒烟，并散发出橡胶焦臭味。

图3 抗磨环上粘连的橡胶

2.3.3 密封烧损情况

分解工作密封，拆下抗磨环，发现密封环与抗磨环的接触部分融化。融化的橡胶粘在抗磨环表面，密封环上平面有严重焦化现象，主轴和密封座间存在大量橡胶烧损形成的胶颗粒，烧损情况如图2、图3所示。

密封环沿导向杆上下移动阻力较大，导向杆无弯曲、无变形。塞尺检查检修密封空气围带与主轴间间隙符合设计要求的1mm，密封空气围带无磨损。

2.3.4 原因分析

这些作为水轮机密封用的橡胶密封制品全都安装在水上。机组开机前，空气围带排气退出，密封环润滑冷却水投入，密封环顶起，此时空气围带和密封环都浸泡在水中。可想而知，浸泡在水中的空气围带即使与金属物体发生运动摩擦，也不可能发热冒烟。换句话说，这些橡胶密封如果发热冒烟，一定存在干性或临界干性的相对运动摩擦。

针对小孤山电站水轮机主轴密封的具体结构，在水轮机各种密封装置中，存在相对摩擦运动可能的只有检修密封和工作密封两种。

前者有一种情况可能发生运动摩擦：开机时空气围带尚未排气卸压，机组就开机；对于检修密封来说，其摩擦面始终浸泡在水中，其结果虽然会损坏空气围带，却不可能因此产生浓烟。对于后者，它虽然被固定在密封座里，只能作上下运动，不能作圆周运动和径向运动，但是，抗磨环却是随主轴一起转动的。显然，密封环存在运动摩擦。但密封环是靠清洁水流作为其摩擦面的润滑介质的，因此必须对密封环的工况作进一步剖析。

活塞式橡胶密封环安装在密封座里，密封座中均布2根活φ16mm的定位销亦称导向杆（如图4所示），限制密封环只能作上下运动，不能作环向运动和径向运动。

图4 导向杆

在密封环上下端面之间有4个均布的φ5mm通流孔（如图5所示）。发开机令后，密封环上腔接通0.2MPa 的清洁水流，使密封环与转动环密封面紧密接触，当密封环与转动环接触后，接触面之间就产生了流动的水膜。这时如果机组开始运转，转动环与密封环的摩擦实质上就是与流动水膜的摩擦。流动水膜不仅保护了密封环，还将摩擦引起的热量带走。

图5 活塞式橡胶密封环

图6 密封座

但在密封环的工作过程中，由于机组首次空负荷开始时顶盖排水压力为负，即顶盖水是向下吸，如果压力水开启后密封环首先被水压顶紧，通流孔被抗磨环封堵，在摩擦面间就不能产生流动水膜。此时如果机组转动，那么在启动初期将出现短时的干性摩擦或临界干性摩擦的情况。橡胶密封环就会发生短暂烧损，机组就会出现焦臭味。

3 处理过程

3.1 零部件清扫检查

清除抗磨环上的橡胶，检查抗磨环下端面无沟痕、表面光滑。密封环密封面融化已破损，无法使用。导向杆表面光滑、平整，无毛刺。密封座环形槽内橡胶颗粒清扫干净，环形槽内表面光滑、平整，无毛刺。

3.2 零部件尺寸复核

仔细对照密封零件图纸，对备用密封环、导向杆、密封座进行尺寸复核。复核结果如下：密封环、导向杆、密封座尺寸符合设计，但发现密封环导向孔直径为φ5mm，导向杆直径为φ16mm，二者之间配合属于紧配合关系，不利于密封环的自由下落，也无法通过水压来调节密封环的起落高度。

3.3 主轴密封改进

由于密封环不能实现起落调节，无法满足机组安全运行要求，故需要进行密封改造。

结合起落试验，改造后要实现密封环可以靠自重沿导向杆自由下落。

为了确保水轮机主轴密封长期安全稳定运行，根据水轮机主轴密封的实际结构，对原主轴密封进行如下改进：

（1）增大密封环导向孔直径，由原来φ13mm增加到φ16mm，使密封环和导向杆由原来的紧配合改为松配合，避免密封环发卡，实现密封环的自由下落。

（2）封堵密封环导向孔上端口，减少清洁压力水从定位销、定位孔间流失，保证清洁水压紧密封环。

（3）增大密封环通流孔直径，由原来φ5mm增加到φ7mm解决润滑水初期投入（小压力）时密封环不顶升，使润滑水经密封环通流孔与抗磨环间隙流出，即增大压力时，密封环逐渐被顶升至距抗磨环0.03～0.08mm，有微量水沿密封面渗出，在摩擦面间形成流动水膜，最终实现通过调节阀门开度调节密封环起落高度和水膜厚度。

3.4 效果

经过以上技术改进后，主轴密封通水试验有微量水沿密封面渗出，在摩擦面间形成流动水膜，密封环起落顺畅，起落高度可调。当机组重新启动运转后，不会再出现干摩擦，从根本上解决了主轴密封烧损问题，确保了机组长期安全稳定运行。

4 结束语

工作密封在使用过程中，首先应保证密封环能在密封供水作用下灵活移动，这样才能保证密封环磨损时能够提供补偿。其次，密封供水的压力应当可调节并保持与漏水压力相适应：压力太低时将导致密封环与抗磨环脱离，漏水量过大；压力太高将导致密封环与抗磨环贴合过紧，出现长时间的干摩擦而损坏密封环。另外，抗磨环表面的损伤将造成密封环的磨损或损坏，势必缩短密封结构的使用寿命或起不到密封作用。

[1] 江涛.水轮机主轴密封故障原因分析与处理.江西电力，1006-348X（2004）04-32-03.

[2] 张诚，陈国庆.水轮发电机组检修.北京：中国电力出版社，2011.10.

杜 永（1982—），男，本科，工程师，从事水轮发电机组安装、调试、维护及检修，主要研究方向：水轮发电机组新技术、新材料、新工艺的应用。E-mail:1005015966@qq.com

Hydroelectric Generating Work Sealed Burning Analysis and Solution

DU Yong
（State Grid Xinyuan Fengman Power Plant，Jilin 132108，China）

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