1 000 MW超超临界机组给水泵芯包优化

张 胤，黄 群，董飞英

(上海上电漕泾发电有限公司，上海 201507)

上海漕泾电厂2×1 000 MW机组汽轮机采用上汽厂引进德国西门子公司技术设计制造的超超临界、一次中间再热、单轴、四缸四排汽(一个高压缸、一个双流中压缸和两个双流低压缸)、双背压、八级回热抽汽、反动凝汽式汽轮机，型号为N1000-26.25/600/600，铭牌功率为1 000 MW，保证热耗7 306 kJ/kWh。

汽动给水泵是由上海电力修造总厂有限公司按Sulzer 技术生产的水平、多级、筒式壳体，并具有整抽式芯包设计的离心泵。型号HPT400-390-6S，主要配套1 000 MW等级超超临界火电机组汽动给水泵组。

2012年7月，汽动给水泵2A在运行中自由端密封水回水温度异常升高至97℃，就地检查发现该泵自由端密封水调节阀后管道上一对发兰密封垫被吹损，大量密封水柱状喷洒到邻近设备上。

经过紧急抢修抽出汽泵2A芯包后发现平衡衬套紧固螺栓(16只M16螺栓 )有15只脱落，螺孔磨损扩大，螺栓磨损严重变形，在与螺栓轴向对应的末级导向器处，撞击形成较大的凹坑。2012年对给水泵2A更换了备用芯包，并对损坏的芯包进行了修复。后续几年利用检修机会对其他几台给水泵的芯包进行了解体检查，都发现了相似的问题，甚至于推力盘及推力瓦的损坏。

鉴于这些情况可知，给水泵芯包损坏存在一定的共性情况，遂对芯包损坏问题进行了进一步的原因分析。

1 芯包损坏原因分析

经过对损坏的芯包解体检查发现故障始发原点应是：由于平衡衬套固定螺栓在运行中松脱造成的后续设备损坏。一旦在运行中由于螺栓松动造成平衡衬套与大端盖的密封损坏，有可能就会发生水汽外泄，而且螺栓磨损的金属碎屑进入平衡鼓的节流间隙(直径间隙0.44～0.51 mm)，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。随着循环次数的增加，各间隙处的磨损是同步增加的，即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)，严重影响机组安全运行(水流方向见图1)。

图1 给水泵芯包故障后水流方向变化图

泵型号螺栓规格螺栓数量螺栓材料设计力矩/Nm同规格6.8级螺栓力矩/Nm材料抗拉强度/MPaHPT mk 200-320-6s/28M2024A176Type431(相当Cr17Ni2)225249～3091 100～1 200HPT-400-390/6SM1616QT-900113127～158900

2 平衡衬套故障原因分析

(1)法兰螺栓紧固力矩偏小。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，由法兰的轴向压紧力来阻断衬套与壳体内配合间隙处的泄漏，密封压缩量应在阻止泄漏通道的同时，法兰金属面也必须与壳体金属结合面刚性接触。从测量它们的相对位置可发现，经压缩后的柔性石墨环表面至法兰平面的高度为11.6 mm,衬套凸出止口尺寸是12 mm，虽然两金属结合面有接触痕迹，但这仍不足以使螺栓有合理的拉伸量。平衡衬套紧固螺栓为16个M16的螺栓，材料为QT900, 设计力矩值为113 Nm。同时对比其他主泵平衡衬套固定螺栓的情况如表1所示。在给水设计压力接近的泵型上，无论是固定螺栓数量、规格以及设计力矩都比目前使用的要高，这也直接造成目前使用的螺栓材料抗拉强度以及整体紧固强度要小很多。

(2)平衡衬套由16只螺栓固定在大端盖上，运行中长期受到水流、振动因素的影响。目前平衡衬套与大端盖的配合位置仅占平衡衬套全长的1/8左右，其他部分是悬臂的仅依靠衬套法兰处螺栓固定。固定螺栓松脱的基本原因是螺栓在紧固后，未达到应有的弹性伸长量(螺栓力矩设计值偏小或安装时未紧固到要求的力矩)，并且紧固螺栓没有防松脱措施，在水流、振动等因素的长期作用下最终松脱，而松脱后的螺栓，由于它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，同时产生金属屑粒进入平衡装置及各级叶轮的动静间隙。

3 平衡衬套改进方案

针对解体过程中发现的问题，制造厂重新改进加工平衡衬套，平衡衬套法兰螺栓规格由M16×50 mm改为M16×80 mm，数量由16只增加到28只。螺栓紧固力矩由113 Nm改为130 Nm。

平衡衬套将其外圆直径340 mm部分进行的堆焊车削配合改为过盈配合(平衡套下部密封垫必须同时保持压紧) ，使配合保持一定的过盈量(0.02～0.04 mm)来阻断振动向螺栓处传导，在最大程度上降低动态下对螺栓的交变应力作用(如图2所示)。

图2 平衡衬套与大端盖间过盈配合示意图

将平衡衬套1的一端通过机加工与大端盖4对应位置形成过盈配合，过盈度0.02～0.04 mm。装入弹性密封圈3后，使用液氮冷却平衡衬套1，再将平衡衬套1与大端盖3组装到位，形成第一个支点，然后用紧固螺栓2将平衡衬套1与大端盖3紧固住，形成第二个支点，使得原来单支点悬臂结构的平衡衬套，改为了双支点结构，增加了运行中的稳定性。

紧固螺栓2共设有28个，紧固螺栓的深度增加了10 mm，通过增加紧固螺栓的数量及长度，增加了平衡衬套的总的紧固力矩，同时又降低了每颗螺栓受力，提高了平衡衬套在运行中的安全性。

平衡衬套1内壁有4条槽齿涡旋阻尼,鼓套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，它是处于低频振动的冲击下的状况，通过改进平衡衬套1与大端盖4之间的配合方式，改为双支点后，振动情况大幅改善，紧固螺栓2承受剪切力大大减小，有效防止了紧固螺栓2的松脱与断裂，也防止了平衡衬套1与大端盖4的损伤，更进一步保障了给水泵芯包的安全运行。

4 平衡衬套改进效果

改造前，芯包平衡衬套仅依靠固定螺栓单支点固定，呈悬臂结构，在水流的作用下，平衡衬套长期处于低频振动状态，易造成紧固螺栓的松脱。通过改进后，在增加了螺栓数量和紧力的同时也对衬套的整体安装结构进行了改进，改为双支点的结构，结构更稳定。消除当水流在很大的压差下通过平衡鼓间隙时产生的低频振动冲击，提高了平衡衬套及给水泵芯包的运行安全性。平衡衬套的紧固螺栓由16个增加至28个，增加了紧固力矩，提高了芯包使用的安全性和可靠性。

5 结语

通过对原有给水泵芯包的优化和改造，提高了给水泵的使用安全性，同时也可延长芯包的使用寿命，减少检修时间和费用的投入。对其他同类型芯包上都可以做改进，且不需要更换新的平衡衬套，在原衬套及大端盖上改进即可，可以为其他类似的改造提供可行的依据和借鉴的经验。