抽水蓄能电站水泵水轮机密封圈失效原因分析朱益鹏

抽水蓄能电站水泵水轮机密封圈失效原因分析朱益鹏

朱益鹏

(江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司江苏213334)

摘要：目前，我国整体经济不断的发展，对于电力能源的使用需求越来越高。分析了抽水蓄能电厂水泵水轮机平面静密封、旋转运动密封和往复运动密封3种O形密封圈的失效形式及其原因,并提出了针对性的解决方法。最后对密封圈的设计提出了建议

关键字：抽水蓄能电站；水泵水轮机；密封圈失效；原因分析

引言

荒坪抽水蓄能电站安装6台300MW可逆式机组,工作水头518.5～610m,水泵水轮机及其辅机部分由挪威卡瓦那公司制造。水泵水轮机活动导叶与固定部分之间、底环与座环之间采用O形密封圈密封,高压进水球阀上下游活动密封也采用O形密封圈的密封结构。但1998年机组投入运行后,这些密封点很快均出现漏水及密封损坏的情况。本文作者对这3种O形密封圈损坏的原因进行了分析并提出了解决对策。

1活动导叶下端面密封圈损坏原因分析

天荒坪抽水蓄能电站导叶轴承采用自润滑形式,设计导叶上下部均采用8.4mm×219.1mmO形密封圈密封形式。由于导叶双向旋转,因此导叶上下端盖密封属于旋转动密封,密封腔水压变化范围、脉动情况几乎与上面底环密封腔相同。图3是导叶下端盖密封结构图。导叶下端盖O形密封圈有3个接触面,托盘固定在导叶上,导叶下端盖O形密封圈有两个转动的接触面,所以导叶下端盖O形密封圈会随导叶一起作旋转运动。导叶下端盖在机组投入运行没有多久即出现漏水,有时漏水非常严重。从更换下来破损的密封圈来看,破坏的主要表现是橡胶圈剥落、挤破或咬断从压缩率来看,对比有关资料推荐的旋转运动密封圈压缩率为3%～8%的范围,密封圈压缩率取值偏大,导致摩擦力增大,使密封圈材料剥落或拉断。且由于材料硬度不足,存在从缝隙挤出剥皮破坏的现象。挪威生产厂家提出在O形密封圈下部增加一只塑料U形垫圈的方法,。采用这种改进后,运行时间明显变长,但多个导叶仍然出现漏水。对漏水导叶密封拆开检查,发现O形密封圈没有被破损,而U形垫圈唇边部分破损,分析应该是密封圈承压后把唇部压破所致。

2进水球阀密封损坏漏水分析

我厂机组进水阀直径为2m,球型阀型式,阀门设有上下游活动金属密封,球阀正常关闭时,自动投入下游密封以密封压力钢管内高压水;球阀打开前,退出下游密封后阀门打开。上游密封在球阀或机组检修时作为安全隔离措施投入,球阀正常工作时保持在退出位置。由于压力钢管压力在6.0MPa以上,所以下游密封正常工作非常重要下游密封结构如图5所示。支撑环(安装在壳体上)、阀门壳体、活动环通过O形密封圈构成投入腔,壳体与活动环通过O形密封圈2,3构成退出腔。当活门处于关闭状态,活动环投入腔导入压力水、退出腔接通大气,于是活动环与活门接触压紧阻断压力钢管水压;退出时,投入腔接通大气,退出腔导入压力水,活动环即退出。从以上情况可以看出,采用加大强度、整圈密封圈后,解决了密封圈2的接头质量不良及剥皮损坏的缺陷,但密封圈3剥皮破坏的问题没有完全解决,而密封圈4则出现新的扭断现象通过对3只密封圈不同损坏原因的分析,对于密封圈2用整圈13mm,硬度为85(ShoreA)的硫化丁腈橡胶,从而解决了剥皮破坏的问题。对于密封圈3,4,最好采用加垫的办法,但由于密封尺寸较大(超过2m),垫片的加工和安装将非常困难。因此建议仍然使用直径为13mm,硬度为90(ShoreA)的密封圈,以增加密封圈抗扭断、剥皮的能力,并且在安装时涂抹耐水润滑油以减小摩擦力。由2个内骨架双唇口油封(210mm×250mm×15mm)同向安装、1个窄断面非标水封(GVA2500)组成。

3该密封系统有以下特点

第一，原迷宫环上保留有一个金属的凸出板,将有效阻止水、氧化铁皮等对密封系统的直接冲击,从而起到保护主密封系统的作用。第二，水封是第二道防线密封唇口向上,安装时注意在唇口滑动面上涂覆薄层润滑脂。水封起到“粗密封”的作用,它能够把大部分水及其它杂质甩出。第三，同向安装的两个油封起到“精密封”的作用,防止侵入的少量水及杂质继续侵入轴承。第四，排水口的设计有利于把侵入密封腔内的水及时排出。需要指出的是排水口必须向下倾斜以防止外界的水从排水口直接侵入。第五，油封使用双唇结构,副唇口可以起到防止润滑油外泄的作用,主副密封唇口之间可以存储少量润滑脂,防止密封唇口出现干摩擦。第六，由于除去迷宫密封,端盖及配合件的加工远比改造前简单、容易。

4影响因素

4.1过流部件的相对位置关系

机组在运行时流经转轮的流动为环流，不会造成能量损失，但水流流过转轮与顶盖、底环之间的密封间隙时所产生的径向流动会造成很大的能量消耗，因此，较小的转轮密封间隙可以达到限制径向流动和增大环向流动的效果，进而降低过流部件的动态响应幅值。在活动导叶与转轮叶片间的无叶区内，活动导叶尾流的速度损失将会引起转轮叶片上水流相对速度矢量的变化，并将水力激振力传递给叶片，在无叶区产生的压力脉动同样会传播到顶盖和底环上。因此，活动导叶与转轮叶片之间的距离越近，速度损失越大，压力脉动的幅值也随之变大。

4.2过流部件的结构设计

影响结构固有频率的主要因素包括自身的质量、结构形式和周围水体的附加质量。通常情况下，转轮的性能确定后水泵水轮机的流道形状是不可改变的。因此，从过流部件的动态特性方面考虑，通过改变结构的固有频率可以获得很好的避振效果。转轮的振动形式主要表现为其外缘振动的波形，容易受外缘形状的影响。因此，可以通过增加上冠、下环的厚度来提高转轮的固有频率。

5改造过程中注意事项

5.1油封水封材料选择

密封件的制造过程中,油封水封材料选型以及配合时需要考虑的几个方面:第一，良好的耐油、耐水性是选材的前提;在介质老化过程中,体积变化、强度变化、伸长率变化、压缩永久变形等性能应达到并超过相应标准值。第二，唇口部位恢复性及跟随性要好,这就要求胶料具有良好的弹性。第三，制品硫化成型时,必须考虑到胶料焦烧期、流动性,以降低废品率,提高产品外观质量及整体质量。第四，材料的耐磨性。产品长时间高速旋转,唇口部位磨损相当严重,提高胶料耐磨性可以延长产品寿命。第五，材料选择和胶料的配方设计,还应该使胶料具有良好的综合性能。

5.2密封件的安装

安装过程中应当保护好密封件的唇口(工作面),防止安装时划伤;另外要防止安装时造成油封变形翘曲。安装注意事项可以参考相关手册或者咨询密封件厂家。

5.3粉尘污染

因密封不能存储在高温热源附近,而冶金行业车间存在高温,且粉尘较多,因此在使用密封之前不要打开原始包装以防止粉尘、杂质粘附污染密封唇口。

6改造结果

这套密封系统经过实际改造使用,轴承寿命得到成倍提高。按照同样的设计思路对1～5机架和6～9机架进行改造,事实证明改造是成功的。这种改造方式具有相对较低的改造成本和制造周期,因此具有较强的实践价值。需要说明的是,由于原始设计的空间有限,这套密封系统也不是很完善。主要存在以下缺点:(1)水封被迫改造成非标窄端面结构,限制了其性能;(2)两个油封缺少润滑脂注油口,有出现干摩擦的可能,安装时在油封的两个唇口之间要抹些润滑脂。

结语

随着我国电力能源的使用越来越广泛，加强电力设备的使用与维护对于工程的发展具有重要的作用。在电力设备抽水蓄能电站水泵水轮机密封圈失效原因分析可以提高设备的使用功效，促进国家的全面发展。

参考文献:

【1】广廷洪,汪德涛.密封件使用手册.北京:机械工业出版社,1994.

【2】汪德涛,等.机械设计手册:第3卷.北京:化学工业出版社,2002.

【3】李正波.轧机油膜轴承的DF密封与水封及DF密封、水封的常见损坏形式分析与对策.润滑与密封,2003(6).