瑞丽江一级水电站水轮机顶盖和导叶密封结构改造

1、瑞丽江一级水电站水轮机顶盖和导叶密封结构改造瑞丽江一级水电站水轮机顶盖和导叶密封结构改造 1 、概述2、顶盖密封结构改造3、导叶密封结构改造4、改造运行一年后的情况5、结束语1、概述 瑞丽江一级水电站位于缅甸北部掸邦境内，距中国境内的瑞丽市94km，是目前中国在境外投资建成的第一个BOT（建设运营移交）水电项目，电站装机容量6100MW，一站两网，分别为230KV双回送缅甸、220KV双回送中国。 电站自2008年投产后，陆续出现由于水轮机顶盖漏水使机组顶盖内腔压力升高、机组补气不畅，机组运行过程中振动增大，给机组的安全稳定运行带来影响；由于导叶漏水使厂房渗漏水量接近设计渗漏排水泵的排水量，若

2、其中一台（设计4台）排水泵故障，将可能发生水淹厂房的重大隐患。大量的漏水对电站的安全稳定运行构成了严重的威胁，如一旦出现紧急情况，将造成全厂部分或全部停机，其损失是难以计算的。而且，将严重影响“中国制造、中国建造、中国运管”的国际形象和声誉。因此，将此问题作为2011年技改重点项目。2、顶盖密封结构改造2.1 顶盖原密封结构 瑞丽江一级水电站水轮机顶盖采用钢板焊接结构，顶盖上设置顶盖取水孔，作为技术供水的辅助水源，在顶盖上设置上、下两道密封（如图），下密封用来隔断蜗壳高压水进入顶盖取水腔。2、顶盖密封结构改造2.2 顶盖下密封漏水影响及原因分析 瑞丽江一级水电站顶盖与座环间设计间隙为5mm，个

3、别机组局部特别是靠近顶盖取水口区域甚至达到7mm，下密封条在机组运行过程中被3MPa高压水挤出到顶盖与座环之间的间隙中而使密封失效，造成蜗壳高压水进入顶盖取水腔。一方面由于密封失效，高压水在顶盖取水口周边区域形成高速射流，产生间隙射流冲蚀和泥沙磨损，对顶盖和座环直接冲刷，造成顶盖和座环严重冲蚀，缩短过水部件检修周期，每年都将进行过水部件修复工作；另一方面，由于瑞丽江电站在设计上补气通道与顶盖取水共用一个通道，大量漏水进入补气系统通道，造成补气口冒水，影响到机组的正常补气，进而造成机组振动增大、声音异常等问题 。2、顶盖密封结构改造顶盖漏水对设备造成损伤的照片 顶盖本体顶盖本体被冲蚀被冲蚀顶盖取

4、水口顶盖取水口靠顶盖取水口侧座环靠顶盖取水口侧座环密封凸台冲蚀严重密封凸台冲蚀严重2、顶盖密封结构改造2.3 顶盖漏水典型事件及临时处理措施 瑞丽江一级水电站技术供水自2009年11月份后全部实现了顶盖供水，采用顶盖供水后改善了技术供水水质，使机组运行时上导、下导轴承冷却器易堵塞的问题得到了缓解，同时也大幅降低了厂用电率，为电站带来了可观的经济效益。但由于顶盖下密封结构存在缺陷，运行中顶盖下密封被挤出而失效，顶盖漏水量不断加大，2010年7月，1号和6号机组位于尾水平台上补气装置空气阀出现冒水现象，随后2号、4号机组尾水平台上的空气阀也相继出现冒水，由于6号、1号机组顶盖漏水较为严重，顶盖内腔

5、压水升高，尾水补气阀冒水，尾水补气不畅严重影响机组运行， 6号、1号机组只能在90MW以内运行，因此对6号和1号机进行抢修，采取临时措施对顶盖漏水进行处理。6号机采取在座环密封凸台上镶焊扁铁4mm6mm（厚高）的密封挡圈，用来固定10的橡胶圆，以阻止密封被压力水挤出，6号机抢修完成，运行一段时间后，顶盖漏水和压力还是有增大趋势，说明处理后取得一定效果，但依然存在漏水现象，主要原因是6号机抢修时间仓促（仅为7天），而且镶焊扁铁的高度不够，顶盖与座环间的间隙仍然没有改变，最终导致该部位密封极易被高压水挤出而失效。1号机组的抢修处理总结了6号机组的经验，对处理方案做了进一步的完善，采取在座环密封凸台

6、上堆焊不锈钢挡圈4mm20mm（厚高），并采用11橡胶圆进行密封。经过处理后至2011年检修前，1号机连续运行8个月，没有出现顶盖漏水和压力升高现象 。2、顶盖密封结构改造顶盖漏水典型事件抢修图片 420mm不锈钢挡圈座环密封凸台2、顶盖密封结构改造2.4 顶盖下密封结构彻底改造 根据1号机抢修处理经验，为了彻底解决顶盖下密封漏水问题，防止密封条被高压水挤出密封面，必须减小顶盖与座环间的立面间隙，因此在2011年机组检修时，将6台机顶盖外运进行修复改造，先对顶盖冲蚀部位进行补焊修复，并在顶盖密封处外圆立面焊不锈钢圈440mm，后进行加工，将顶盖与座环间的间隙从5mm减小到约1mm，并在密封面上

7、加工标准密封槽（如图）。3、导叶密封结构改造3.1 导叶原密封结构 瑞丽江一级水电站导叶采用不锈钢整体铸造，材质为OCr13Ni5No,导叶有三个支承轴承，采用钢背复合材料、自润滑轴承，导叶下端轴、中间轴与嵌入底环、顶盖的下、中轴套处采用抗磨尼龙密封环和O形橡胶密封进行密封,为了增加强度，导叶叶片上、下端设计了大圆盘，大圆盘与底环、顶盖配合处设置一道O形橡胶密封（如图） 。导叶大圆盘O形密封尼龙密封环及O形密封下轴承3、导叶密封结构改造3.2 漏水原因分析及其影响 经过分析认为造成厂房渗漏排水异常增大的原因是导叶密封损坏后，大量漏水通过导叶下轴套，经底环下部流入座环集水腔，继而通过座环的集水腔

8、排水管进入到厂房渗漏集水井, 2011年1月至6月间，在5台机组检修时，各台机组的导叶上、下大圆盘密封槽唇边被严重冲蚀破坏，密封已完全损坏、导叶下端轴轴颈被严重冲蚀破坏，出现了较深的冲蚀坑、底环导叶孔密封面被冲蚀破坏，导叶下轴套被严重冲蚀破坏（见下图片） 。 从过水部件损坏的检查情况看，证明了对漏点分析的准确性。说明目前导叶密封采用的结构形式，不能满足电站高水头以及多、硬泥沙条件下的运行环境要求。如不及时加以解决，电站每年均需对所有机组进行大修，处理过水部件的冲蚀问题，甚至要对导叶进行更换，不仅要投入大量的人力、物力和财力，也要承受因较长检修工期所带来的巨大电量损失。同时，电站也将长期面临着巨

9、大的安全隐患。 3.2.1 初步漏水原因分析及漏水影响 3、导叶密封结构改造导叶密封漏水对设备冲蚀图片 导叶上大圆盘严重破坏导叶轴颈冲蚀坑导叶轴套被冲蚀破坏底环被冲蚀破坏损坏的下轴套3、导叶密封结构改造 A、设计上，导叶中、下密封各有2道。第一道密封布置于导叶大圆盘上，为“o”型橡胶密封圈，主要作用是挡沙和防水。第二道密封布置于大圆盘端面，为抗磨尼龙环加 “o”型橡胶密封圈的组合式密封。这种结构密封结构很成熟，广泛运用于各类型的水电站中。但由于瑞丽江一级水电站水头高、泥沙含量大，泥沙磨损问题突出，机组经过一段时间运行，特别是经过一个汛期运行后，导叶所有密封均容易被破坏，水流通过下轴套流到集水井

10、，过流造成导叶下轴套损坏。 B、导叶大圆盘位置与顶盖、底环的导叶孔封水面之间存在结构性的配合间隙，会形成长期的间隙射流，对导叶大圆盘密封槽、顶盖和底环密封面进行冲蚀破坏，形成沟槽等缺陷，而在导叶在旋转时，沟槽对密封形成剪切作用，使密封极易破坏而失效。 C、导叶轴套过短，承载力达不到使用要求。轴套的承载能力和轴的颈长比有直接关系，导叶下轴颈的有效长度为100mm，但轴套的设计长度仅为91mm，短了10%。中轴颈的有效长度为150mm，而中轴套仅为120mm，短了25%。由于轴套设计过短使承载达不到使用要求，至使导叶轴套的磨损较快。轴套磨损后，增大了与轴颈的配合间隙，使导叶在水压作用下产生的弹性弯

11、曲度加剧，也由此加大了端立面间隙，使漏水量增大，从而加剧了间隙射流的形成和对过水部件的冲损。 D、目前所使用的进口轴套材料为含固体润滑剂的双金属材料。该材料是以钢板为机体，烧结含有固体润滑剂的铜粉为表面润滑层，耐磨层仅为1.5mm。该材料在无泥沙的工作条件下使用效果良好，但该材料表面硬度低，一旦有泥沙进入润滑面被破坏磨损会非常快。耐磨层很快失效。而且由于该材料为薄壁开口材料，无法在轴套端口和轴套内设计密封。 E、密封材质为丁睛橡胶，抗磨性有提升的空间。 3.2.2 根本漏水原因分析 3、导叶密封结构改造3.3 导叶密封结构改造 根据上述导叶漏水原因的分析，最终提出了将目前薄壁轴套更换为厚壁轴套

12、，并直接在轴套上开设两道密封槽后安装两道抗磨性较高密封的改进方案，将底环外运至昆明电机厂进行导叶孔扩孔改造。3.3.1 将薄壁轴套更换为厚壁轴套，并直接在轴套上开设两道密封槽后安装两道抗磨性较高密封（如右图）。优点为直接在导叶轴颈上形成两道密封，不易被间隙射流破坏，大大提高了密封的可靠性，有效避免轴颈和轴套之间形成过流而引发厂房渗漏水异常增大的问题。同时，轴套长度可以增加至与轴颈一样的长度，提高轴套的承载能力。3、导叶密封结构改造3.3.2 轴套和密封设计：轴套采用铜基镶嵌自润滑轴套，为厚壁轴套，并在轴套上开设密封槽。采用该种材料后，可以制作成有端面润滑的轴套。铜基镶嵌自润滑材料轴承是采用高强

13、铜合金为基体，表面均匀镶嵌固体润滑剂是一种承载能力高，耐磨性能好、摩擦系数小的自润滑材料。该材料由于采用高强铜合金为机体，材料的强度好，即使有一定量的泥沙进入对轴套的影响也不大（如右图） 。3、导叶密封结构改造3.3.3 密封选用硬度达90A的聚醚聚氨酯材质密封，抗磨性大大提高。轴套上侧密封采用Y型密封，形成第二道防线。优点为Y型面向外，如大圆盘密封损坏使水流到达第二道密封，而有水压后Y型密封面向轴方向膨胀，压力越大密封圈越紧，密封效果越好。该密封的膨胀量能达到2毫米，因此密封性和使用寿命非常可靠。为了起到双保险作用，在轴套内增加一道O型密封，形成第三道防线，这样即使有少量泥沙和水通过第一道密

14、封和第二道密封，也会将泥沙挡住起到完全密封的作用，从而大大提高整体的密封可靠性和耐久性 。3.3.4 为配合轴套结构的改造，底环和顶盖外运进行扩孔，并请专业厂家对底环、顶盖导叶孔密封面采取了喷涂抗磨材料WC/Co涂层，以增强密封面的抗磨性和耐用性 。3.3.5由于导叶中轴套结构型式与下轴套一致，同样存在相应的问题，因此，对中轴套也进行了同样的改造。改造后的轴套密封结构（如下图） 改造后的下轴套及密封结构顶盖、底环封水面喷涂抗磨层改造后的中轴套及密封结构4、改造运行一年后的情况 运行一年后，2012年大修期间，对大修机组拆卸后检查，除导叶大圆盘有局部被冲蚀的情况外，顶盖、导叶轴套、密封和底环导叶孔封水面等保持完好(如图片)。顶 盖 密 封无损坏导叶轴颈保持完好间隙射流造成的局部损坏两道密封和轴套保持完好导叶孔封水面喷涂层保持完好5、结束语 保证机组长周期安全稳定运行，是对每个发电企业最基本的要求，也是每个发电企业管理目标的重点。瑞丽江一级水电站通过对6台机组顶盖和导叶密封结构的改造，在顶盖上加工标准盘根槽、在导叶上设计多道密封，形成了多道防线