某轴流转桨式水轮机密封更换问题的分析处理

易万爽

（中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌443002）

某轴流转桨式水轮发电机组自上一次大修至今已经安全稳定运行将近10余年。按照公司年度检修计划，决定对该机组进行新一轮的B 修工作。该机组的整体结构与水轮机转轮部分的结构分别如图1、图2所示。在机组修前转轮叶片动作试验中发现从转轮的4号叶片轴与转轮体之间发生了较明显的渗油现象，在转轮体与连接体组合法兰面以及在组合螺栓围板焊缝区域附近发现多处渗油点。检查中还发现，以上2处的渗油点在叶片动作时渗油速度明显变快，叶片动作结束后渗油现象几乎停止。初步分析确认渗油是转轮叶片的密封和连接体的密封失效引起的，当轮叶接力器上下动作引起转轮内的透平油压力升高，使得油经过失效的密封而渗出。渗漏现象导致机组运行时需不断向调速系统补充压力油源以及渗出的透平油随江水混入长江对其造成污染。为了防止机组后期运行时继续发生此类渗漏现象，公司决定利用本次大修对转轮的所有叶片密封进行更换，对转轮体与连接体进行拆分并更换两者组合面的密封，最终达到阻止渗油现象发生的目的。

图1 水轮发电机组整体结构

图2 水轮机转轮结构

1 连接体密封更换的难点与控制措施

本轮B 修中，发电机转子、机组主轴以及水轮机转轮等机组大件都不吊出机坑，主要对机组运行与修前检查发现的重大缺陷进行检修处理。在转轮不吊出转轮室的条件下，连接体与转轮体组合面的分离和组合面密封更换的工作具有一定困难。如何确保在绝对安全的前提下在转轮室内将连接体和转轮体分离成为该项工作的核心考量。考虑到水轮机连接体与泄水锥整体的重量约达30t，一方面作业中要保证连接体与泄水锥部分不能发生脱落坠入尾水管内，否则引起机组设备毁坏甚至造成转轮排架垮塌引起人员伤亡，后果将不堪设想。另一方面由于泄水锥与轮叶接力器缸盖轴之间通过轴套进行导向，如图3所示，当叶片动作时，轮叶接力器缸盖上下移动而不能与轴套之间发生卡涩现象，而轴套和轮叶接力器的缸盖轴之间的配合间隙仅仅不到1mm。因此要控制连接体下放过程中圆周方向的幅度尽可能均匀一致，以防轮叶接力器缸盖轴与轴套卡涩导致连接体下放的过程中出现上、下两难的局面。

图3 泄水锥与轮叶接力器缸盖轴结构图

经过与机组厂家进行协商分析，最终确定通过在转轮体和连接体上沿着周向分别均匀焊接4个20t 的A 型吊耳，利用4个20t 的手拉葫芦将下放连接体时候的重量挂到转轮体上，然后再拆除转轮体和连接体之间的把合螺栓。

图4 连接体下放方案示意图

同时为了防止个别手拉葫芦因受力不均意外断裂引起连接体在下放过程中倾倒，导致轮叶接力器缸盖轴与轴套之间卡涩，在连接面周向4个方向分别将如图5所示的8个专用导向顶丝安装到把合螺栓孔中。在实际下放连接体的过程中8个顶丝螺栓均匀下落一定高度后再均匀下放4个20t 的葫芦直到连接体组合面贴到顶丝螺栓后再继续下放顶丝螺栓。如此循序逐渐下放连接体，直到连接体下放高度足以进行更换密封的工作开展为止。在整个下放过程中需要不断测量检查，并控制圆周4个方向连接法兰脱开的高度均匀一致。

图5 连接体下放专用导向顶丝安装示意

2 转轮叶片密封更换的难点与控制措施

该机组的叶片密封采取的是λ 形式的密封，如图6、图7所示。该密封主要起到对内防止转轮体内的透平油渗漏到水轮机流道，对外防止转轮室中的江水渗漏进入到转轮体内。由于转轮没有吊出来，因此需要先将成品λ 密封切开，然后在转轮室内套装在叶片轴上后再进行加热硫化粘接并进行安装。在拆卸完所有叶片的叶片密封压板并取出旧的λ 密封圈之后，再进行新的λ 密封的粘接安装，新密封安装到位之后需要进行叶片密封压板的回装。由于每个叶片由5块密封压板环绕叶片轴（如图8所示），而叶片在任何开度下都无法一次性将5块叶片密封压板完全安装到位，因此完整安装每个叶片的5块压板需要在叶片全开和全关两种状态下分别安装才能完成。如图9表明了转轮叶片分别在全关和全开位置时和5块叶片密封压板所对应的位置关系。

图6 转轮叶片密封结构示意

图7 叶片密封结构

图8 叶片密封压板分布示意图

图9 转轮叶片全关与全开位置示意图

采用的方法是：先在叶片全开的状态下先完成安装叶片λ 密封，之后安装好每个叶片的2块密封压板（如图所示的3号、5号压板），然后将叶片动作到全关的位置之后，再进行剩下的1号、2号和4号压板的安装工作。具体的更换流程参见图10所示。因此，更换叶片密封的工作需要对调速系统升压并动作转轮叶片。叶片在全关位置和全开位置时为便于更换密封工作的开展，需要在转轮排架上搭设不同高度不同类型的脚手架，因此在密封更换过程中叶片状态从“全关位置—全开位置—全关位置”的切换过程中需要对脚手架的搭设和拆除格外谨慎，搭设的脚手架不能妨碍叶片的动作，以免叶片动作时导致脚手架垮塌甚至引起转轮排架的坍塌而发生安全事故。

图10 转轮叶片密封更换流程图

3 密封更换工作过程中的问题处理

叶片置于全开位置，将叶片密封套装并将3号和5号密封压板回装完成之后，当天中午就将转轮叶片置于全关位置，准备下午就开始进行1号、2号和4号密封压板回装。下午上班后，发现压油装置的1号压油泵被烧坏已无法运行，且压油罐和集油槽中的磁翻板油位计已无法显示对应油位数值，因此可以判断调速系统内部的透平油已经从某处大量溢出。经过对转轮室内进行全面细致检查发现：从转轮叶片λ 密封处有大量的透平油漏出，经过泄水锥侧壁流到转轮排架上并最终流到了水轮机尾水管中。

由于油源还在不断地从转轮体内溢出，因此安排人员从泄水锥底部接好抽油泵，将转轮体内的残油不断地抽送到厂房的排油母管内，以阻止油源进一步从叶片密封处溢出而流到尾水管。同时安排多人对转轮排架上的溢油进行擦拭清理以减少流到尾水管中的油量。另一方面由于在进行机组B 修时为了排出尾水管内的积水，已开启水轮机的尾水盘形阀，因此流到尾水管内的透明油将通过尾水盘形阀流到厂房的的检修集水井中。当集水井中的水位达到一定高度之后，最终检修排水深井泵将自动把这些油水混合物抽排到厂房下游的江水中。一旦大量的透明油被排入到江水中将会对长江下游水源的水质造成污染，对长江及两岸的生态环境造成严重威胁。为了避免这种恶劣事件的发生，公司检修项目部积极制定紧急应对措施，对从调速系统溢出的油量进行精准计算，根据调速系统原理可得：用压油罐与集油槽内总共减少的油量减去抽排到厂房排油母管的残油，即是从叶片密封处溢出的总流量。根据漏出的油量，将相适应的溶油剂倾倒至机组尾水管中来将漏出的油进行分解，并在集水井中对少量的剩余残存浮油进行进一步回收处理。直到最终集水井中的漏油已彻底排除，确保没有残油随着机组内部的积水排入到江水中。

4 密封更换出现的问题分析

（1）溢油漏油路径分析

为了操作叶片，对操作油管的开关腔进行充油并将调速系统升压至4.0MPa，且由于叶片密封压板尚未安装完成，因此未对转轮体内进行充油。正常情况下，安装叶片密封压板过程中操作叶片时，操作油管内的压力油是不会大量溢到转轮体内并漏出转轮体的。但现场却实际发生了转轮体内大量溢油的现象，因此判断漏油的来源只能是来自调速系统的操作油管，这与检查发现的集油槽和压油罐内的油位降低相印证。因此轮叶操作油腔与转轮体内的油腔之间事故窜油的直接原因就是两腔之间的某道密封已经老化损坏。将轮叶置于全开时没有发生漏油的现象，而中午将导叶置于全关状态不到3h 就发生了烧泵和漏油现象可知，是轮叶接力器关腔与转轮体之间的U 型密封圈和O 型密封圈的老化失效引起的两腔窜油，最终能导致油从转轮体内溢出。轮叶接力器关腔与转轮体之间的U 型密封圈和O型密封圈安装位置如图11所示。

图11 轮叶接力器关腔与转轮体复合密封

（2）压油泵烧坏原因分析

叶片置于保持全关位置时，调速器压油罐出口至轮叶接力器关腔之间的油管均保持着4.0MPa 的压力。之前的分析已确定轮叶关腔与转轮体之间的密封已失效，因此导致调速器中的压力油从失效的密封漏进转轮体的无压油腔。调速系统的漏油导致系统压力降低，当降低到1号泵的自动启泵压力之后，油泵自动启动向系统泵油升高系统压力到4.0MPa。当集油槽中的油位下降到压油泵吸油口以下时，油泵出现空转，因此发生了烧泵的意外事件。

5 结论和建议

（1）该机组的叶片密封和连接体密封更换完成后进行转轮叶片动作试验，经过多次对转轮与叶片检查，均未发现从连接体或从转轮所有叶片部位发生渗漏油的现象。说明此次的密封更换取得了良好的防渗漏效果，优化了该机组运行状况，大大降低了因机组渗漏油对长江生态圈的不利影响。

（2）采用文中介绍的下放连接体的安全措施和连接体下放高度控制方法被证实为可行有效，为连接体安全可靠地与转轮体脱开并下放，为其密封更换提供了保障。

（3）分析了更换叶片密封过程中意外漏油和烧泵事故的原因，需要在进行叶片密封更换工作时能全局考虑到水轮机叶片动作时的调速系统油路。在发生意外事故后，根据系统原理制定相应应急措施以减小事故影响。

（4）后期需要进行全关位置安装1号、2号和4号叶片密封压板时，考虑到轮叶接力器和转轮体之间密封失效，并吸取本次事故教训，只将调速系统升压到0.5MPa 能操作叶片即可，安装压板时操作轮叶全关。更换压板的过程中接好转轮体排油泵抽出转轮体内的渗漏油，避免漏油事件的再次发生；同时设置专人在压油装置处检查监视油罐和油槽油位，并根据油罐油位手动启动和停止压油泵，防止烧泵事件的再次发生。

（5）发现轮叶接力器和转轮体之间密封失效导致两腔窜油量，只是在轮叶主配压阀长时间保持最大开口的情况下才显著，考虑到更换这道密封需将转轮吊出并解体，因此本次B 修未对这道密封进行更换。需要优化机组运行条件，避免轮叶长时间处于极限全关位置，即可大幅减小两腔的窜油量。