进口灯泡贯流式水轮机工作密封陶瓷环国产化改造

孙小兵，刘康荣，曾双来

（湖南省港航水利集团有限公司大源渡航电枢纽分公司，湖南 衡东 421412）

1 概述

大源渡水电站位于湘江中游衡东县境内，为低水头河床式电站，设计水头7.2 m，装机容量4×30 MW，该水电站于1995年10月开工，1999年实现4台机组全面发电。大源渡水电站灯泡贯流式水轮发电机组由奥地利依林公司、奥钢联公司和德国苏尔寿公司设计制造。

2 大源渡水电站主轴密封结构及存在问题

2.1 主轴密封结构

主轴密封装置是水轮机的重要组成元件[1]，由工作密封和检修密封两部分组成。大源渡水电站工作密封为机械端面密封，由陶瓷密封环、V型橡胶密封圈、供水管等组成，结构见图1。

图1 主轴密封结构断面示意图

在灯泡贯流式水轮机发电机组正常运转过程中，工作密封可以简化为固定在大轴上的动环和固定在导水锥上的静环组合成的摩擦副，保持密封面的稳定接触用来封水，同时引入一定压力的清洁水到密封面，形成液膜润滑，避免干摩擦引起的摩擦副快速磨损，同时要有足够的磨损补偿余量，做到低泄流、长寿命，进而有效保障水轮机的安全稳定运行[2]。

大源渡水电站工作密封静环为两半组装而成，密封面采用氧化铝陶瓷材质，其优点是硬度高，耐磨损，耐高温，热膨胀系数小，导热性能好，耐腐蚀等，性能优于钢制密封环。动环采用橡胶材质的V型密封圈，具有压缩量大，补偿余量大，以及在水压作用下有自密封趋势等特点。V型密封圈由不锈钢箍固定在钢制调节环上，可用调节螺杆沿轴向调节V型密封压缩量。运行时V型橡胶密封与陶瓷环保持线接触，并留有1.5~2 mm的压缩余量，在保证密封效果的同时最大程度减小接触面积。利用陶瓷的耐热、耐磨、散热性能好、光洁度好等特性以及河水的散热和润滑作用、及时将V型橡胶密封与陶瓷环摩擦产生的热量及时带走，在保证止水效果的同时使V型橡胶磨损在可控范围内。

检修密封为充气式的空气围带，工作压力为0.35 MPa，投入后可在流道不排水情况下对工作密封进行检修，以缩短检修工期。

2.2 存在问题

大源渡水电站水轮机主轴密封组件由于多次检修拆装，加上运行时河水中的泥沙颗粒及悬浮杂质磨损，主轴运行过程中的振动，陶瓷环与V型橡胶密封圈固定环间隙调整不均、磨损或碰撞等多重因素，除V型橡胶密封圈属正常磨损外，工作密封陶瓷环中的陶瓷块多处损坏（见图2），漏水严重，严重影响机组的安全稳定运行，曾出现过机组因主轴密封漏水量大而被迫非计划停机检修现象。

图2 陶瓷密封环损坏情况

3 主轴密封陶瓷环国产化改造方案

水轮机主轴密封陶瓷环属易损配件，运行过程中如出现损坏，主轴密封漏水会加大，造成灯泡体积水，严重时可能出现水淹厂房事故。该备件进口或国内定制的采购价格都比较昂贵，且采购周期长，经济成本高且不能保证及时供货，可能造成较大的间接经济损失，同时给水电站安全运行带来极大不确定性。

针对上述问题，电站决定对水轮机工作密封陶瓷环进行国产化改造技术攻关。

3.1 采用三维CAD设计

针对陶瓷密封环的技术特性与机构特点，在无图纸无尺寸的情况下，精确设计镶嵌在密封环铁质底座中燕尾槽的耐磨陶瓷块是关键。本次国产化改造采用三维CAD设计，优化耐磨陶瓷块数量、耐磨陶瓷块的尺寸及4个面的前角、仰角、坡度角等，同时优化耐磨陶瓷块之间的间隙、平行度、对中性等，使之结构流畅合理。

3.2 耐磨陶瓷的选用

考虑到水轮机密封陶瓷环的性能要求，耐磨陶瓷选用99.9%的氧化铝陶瓷，它的特点是耐磨损、耐高温、散热性好、防腐蚀，具体性能如表1。

表1 99.5%氧化铝陶瓷性能参数表

表2 Belzona1391T性能参数表

3.3 黏接剂的选用

选用英国贝尔佐纳公司生产的Belzona1391T改性环氧高分子黏接剂，它与碳钢、氧化铝陶瓷都有卓越的黏接性能，且耐高温160℃，不易老化，使用寿命可达15年以上，满足水轮机密封陶瓷环性能要求。

4 主轴密封陶瓷环国产化改造技术要求和验收

（1）主轴密封陶瓷环国产化改造后的氧化铝陶瓷，硬度和抗磨性与原装进口配件一致。

（2）国产化改造后氧化铝陶瓷镶嵌后黏接固化后强度不能低于原装进口配件，防止运行中产生开裂、松动。

（3）陶瓷环密封面的平整度，粗糙度满足运行需要，平整度不高于0.05 mm/m。粗糙度不大于Ra0.1 μm，接缝小于0.02 mm。

5 主轴密封陶瓷环国产化改造施工工艺

（1）根据三维CAD图纸加工制作陶瓷块。

（2）清除主轴密封陶瓷环底座中原镶嵌的所有陶瓷块，并使用有机溶剂去除原黏接剂。

（3）将清空陶瓷块的钢质密封环底座表面进行喷砂处理，去除残余的黏接剂和表面锈迹，确保表面粗糙度≥75μm。

（4）将加工制作好的陶瓷块镶嵌在已喷砂好的密封环底座中，使用贝尔佐纳1391T进行黏接填充，要求黏接剂填充密实，无气泡和中空情况。

（5）黏接剂彻底固结后，先处理分半组合部位，确保组装后密封面的间隙达标。再将密封环组装后进行整体修磨，使陶瓷环密封面的平整度、粗糙度满足技术要求。

（6）主轴密封陶瓷环国产化改造后效果图见图3。

图3 陶瓷环国产化改造后效果

6 结语

大源渡水电站灯泡贯流式水轮机工作密封陶瓷环国产化改造从2019年11月开始策划并进行改造，2020年9月在2号机组C级检修中替换原陶瓷环并正式投入运行，现已正常运转两年半，未发现有任何问题。

大源渡水电站2号机工作密封陶瓷环国产化改造，其处理技术及工艺是成功的，达到了原装进口产品技术规范的要求，提高了机组运行的可靠性、稳定性和可用率，降低了设备的故障率，陶瓷环国产化改造的费用仅为原装进口产品配件的四分之一，大大节省了费用。工作密封陶瓷环国产化改造的成功为解决进口灯泡贯流式水轮机工作密封类似问题提供有益的参考，也为国内主机厂设计主轴密封结构时提供了借鉴，在设计时还可进行优化以便于陶瓷块损坏时更换。