摘要：汽动锅炉给水泵作为火电厂重要辅机，对机组安全运行起着重要作用，通过对给水泵平衡鼓衬套松动导致故障原因的分析，并结合解体发现的问题，提出相应的对策。
关键词：汽动锅炉给水泵 平衡装置 松动 原因分析 对策
一、某电厂二台超超临界1000MW机组，单台机组配置二台50%容量给水泵和一台30%容量的电泵。其中给水泵采用某厂生产的HPT400-390-6S,芯包为进口SULZER产品，筒体为国内配套生产，水泵具有双层壳体筒袋式结构，当发生故障时换取备用芯包即可，节省抢修时间。该泵的轴向平衡为平衡鼓装置及双向止推轴承来平衡轴向力。两侧密封采用迷宫密封，适用任何恶化条件下运转，并用凝结水作为密封水注入，体现了迷宫密封的可靠和经济。
二、事件经过
该泵投运二年后发现吐出端迷宫密封水量较大，由制造厂家现场服务将回水室溢流扩大，暂时勉强运行，二天后值班人员发现吐出端密封水压升高（凝结水到密封调门后压力到4.12MPA），同时密封处有大量喷出的高温水汽，紧急停泵更换备用芯包后投用。
三、解体芯包后发现
（1）平衡机构严重损坏，平衡鼓与平衡鼓衬套磨损严重损坏，平衡衬套固定螺栓脱落，螺孔磨损、变形。
（2）吸入侧密封轴套与衬套磨损相对较轻，而吐出端磨损严重，“O”型密封良好，未见泄露痕迹。
（3）4#，5#，6#叶轮密封环处磨损严重，其中3#叶轮叶柄处同时发生严重磨损，其余尚可。
四、基本原因分析
基于上述现象，经初步分析认为，本次故障始发原点应是：由于平衡衬套固定螺栓在运行中松脱造成的后续的设备损坏，其依据如下：
从图中可见：该衬套法兰由16只M16螺栓固定，在法兰下部由一只柔性石墨环作为平面静密封，是要满足：在初步紧固螺栓后已使左侧法兰金属面与壳体金属结合面的部份(约5-6mm)刚性接触，此时己产生了由此产生的轴向压紧力己具备了阻断衬套与壳体内配合间隙处泄漏的能力，（其石墨环是在一个封闭的矩形槽内），是一种对填料定位压缩的控制方式。在这里必须强调的是：当螺栓继续紧固，两结合面仍有的0.5mm间隙，当结合面贴合的过程也是衬套法兰产生弹性变形的过程，此时螺栓受到扭力和法兰为抗拒弹性变形所产生的向上的拉力来作为紧固螺栓防松脱措施，但此拉力并不垂直向上而是有一定的向外侧倾斜角度，它与两结合面间隙及长度有关，这应是设计者的意图。问题是静态时，螺栓受到的拉力并不垂直向上，更重要的是它并没有考虑到：衬套与吐出盖配合是有一定间隙的，为保证衬套与端盖配合的同轴度仅靠全长的1/8不到过度配合(图中430mm挡)，其它部分都是悬臂的，仅靠衬套法兰螺栓固定。另外平衡鼓衬套内壁有4条齿涡阻尼槽，衬套始终处于高差压的节流状态，当水流在很大的压差下通过平衡鼓间隙时，处于低频振动冲击的状况下，使螺栓又受到交变载荷作用，致使螺栓松动直至断裂。
平衡衬套与壳体柔性石墨密封环安装位置及相应凹槽与凸出止口情况见图（1）所示。
综上所述；由于固定螺栓直径偏小在克服两结合面0.5mm间隙时所对其产生的力叠加了动态的交变应力的联合作用下产生的问题。
由于断脱的螺栓突出，它又与末级导向器盖板的轴向距离较短，而无法全部脱下，则它在泵运转过程中不断地作轴向冲击末级导向盖板的相应位置，最终在盖板相应位置形成较大的凹坑，同时产生大量的金属屑粒进入平衡装置及各级叶轮的动静间隙。
（附图2）磨损后金属屑粒移动和循环路径示意图
（附图3）改进方案示意图
由于平衡衬套紧固螺栓松脱撞击末级导向器及螺栓自身磨损的金属碎屑进入平衡鼓的节流间隙（直径间隙0.44- 0.51mm），造成平衡鼓磨损，磨损形成的金属屑粒随着平衡回水管到了主泵进口，导致叶轮密封环的磨损。经过这一循环后，金属屑粒的总量是呈循环周次而增加的，直至末级叶轮。其中一部分随出口流出，另部分则再次进入平衡装置的间隙，形成第二次循环（附图2），随着循环次数的增加，各间隙处的磨损是同步增加的，金属屑粒的总量也在增加，当达到一个积累量，最终导致平衡鼓节流间隙迅速增大，形成恶性循环，加速其磨损，在较短时间内达到严重的程度。平衡鼓节流间隙增大，节流效应下降，回水流量迅速增加，而主泵进口压力是固定的，由于平衡回水压力的大幅增高，就发生迷宫密封间隙大气侧泄漏（泄荷口无法满足），也就是在现场见到的大量喷水汽的的现象。
虽然各级叶轮磨损环和叶轮进口颈部直径间隙(0.56~ 0.624mm）是相同的，但叶轮磨损环的磨损情况却不同，前三级磨损较经微，后三级磨损较严重，这是可以理解和解释的：一方面各级叶轮实际装置间隙可能有不同，另一方面经过平衡鼓循环进入泵进口的金属屑粒，在哪一级叶轮造成损坏除间隙因素外同时存在很大的随机性，后一级叶轮较前一级叶轮因金属屑粒进入磨损环与叶轮间隙而发生磨损，这在现场是常见的情况。
五．初步结论:
泵出厂前设计或装配方面存有不足，在结构上未对衬套的另一端支撑固定，形成低频振动，是引发平衡鼓衬套固定螺栓松脱，是本次故障重要原因。其次是平衡鼓衬套与出水盖法兰结合面原设计的0.5mm间隙及紧固螺栓直径偏小使其承受了较大的应力。（此类故障已在多家电厂发生过）
六 改进措施
1 监控回水压力的异常现象，同时对同等负荷下密封水调门的开度及#4轴承的异常振动波动实施监控，并进行综合分析、判断，避免故障扩大导致设备损坏。
2 将平衡鼓衬套与出水盖法兰结合面原设计的0.5mm间隙改为0.2mm以降低紧固螺栓的静态应力(螺栓头部用同材质封焊)。
3 对平衡鼓衬套与出水端盖的配合方式进行改进这是根本的途径,在目前条件下可增加固定栓及扭矩,特别是平衡鼓衬套与出水端盖的配合改为过盈配合，建议(0.08-0.10mm)来阻断低频振动的传导。（见图3）
参考文献
[1]马文智。现代火力发电厂高速给水泵 水利电力出版社
[2]关醒凡。现代泵的理论与设计 中国宇航出版社
论文作者:龚桂华
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/13
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