《某电厂发电机密封垫片泄露原因分析和改进》
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摘 要：现代大型发电机组大多采用氢气作为冷却介质,具有冷却效果好、功效损失低等优点,但由于氢气易燃易爆、渗透性强的特性,对发电机氢气密封性能要求也很高.本文通过对某核电厂发电机密封垫片个别偏差现象进行研究,开展了垫片选型对比优化,以期进一步减小发电机氢气泄漏率、降低密封泄露的可能性.
1 引言
1000MW核电机组发电机体型巨大,端盖、人孔、冷却器、消泡箱等各种可拆卸部件使用了大量的密封垫片.这些密封部位具有面积大、密封要求严格、氢气渗透性强、绝缘要求高等特点,各大发电机厂家根据成熟的设计和实践经验均有固定的密封垫片选型,可以满足国标要求和机组安全稳定运行,但是笔者在实践过程中也看到随着垫片材料的发展,大型机组的发电机密封性能也存在一定的优化空间,开展这些研究和改造可以进一步提高机组运行的安全性和经济性.
2 事件介绍
2016年5月,某电厂2号机组首次大修期间,维修人员执行发电机空冷器水压试验,按照厂家推荐紧固力矩160Nm进行紧固,水压试验过程中始终存在渗漏情况.通过不断增加螺栓力矩直至246Nm后渗漏现象消失.246Nm力矩超过了厂家安装导则中给定的最大值212Nm,也已经超过8.8级M16镀锌碳钢螺栓允许的最大力矩值213NM.根据垫片厂家美国Interface提供的公式核算,按照相对保守的50MPa密封比压,该位置垫片确保密封需要的紧固力矩高达297.7N,已超过厂家推荐最大力矩值和该处螺栓允许最大力矩值,螺栓存在屈服断裂风险.
随后,笔者对发电机底部盖板进行了设计核算,该位置使用26颗8.8级M20螺栓紧固.通用标准力矩范围376～502NM,按照50MPa密封比压计算,需要的扭矩为497NM,螺栓强度勉强满足要求,但已经逼近上限.
3 对比分析与改进行动
该核电厂发电机广泛使用的Interface TN9001垫片在火电机组已经有成熟的使用经验,但是1000MW半速核电机组的发电机体型更为庞大,各密封部件受力面积更大,初始设计就存在个别部位紧固力矩逼近上限的情况.加上在工程實践中,螺栓紧固受到表面粗糙度、润滑情况、法兰平整度等多种因素影响,存在密封失效的可能性.因此,有必要对垫片选型进行优化.
美国Interface TN-9001高温绝缘板是一种耐受力强的隐性硫化丁腈材料,适用于重型设备,对油有极好的密封性,间歇操作温度最高可达400℃,广泛用于电力电气、石油化工等行业.目前国内市场上所有TN-9001型号密封垫均在美国生产,TN-9001的规格有卷材及板材两种,卷材的印刷字样为TN-9001 Interface Solutions inc,为抄取法生产,表面较为光滑;板材印刷字样为Interface Solutions made in USA,为HYDRO-FUSED法生产,表面有纹路.两者制作工艺不同,故有细微区别.其技术参数见下图.
图1 TN9001垫片主要技术参数
发电机相关密封垫片工作介质为氢气、发电机密封油等,压力约5.2bar.TN-9001的优良特性主要表现在高温高压的蒸汽环境中,且需要较高的紧固力以保证对气体的密封性.考虑到发电机以及密封油系统均属于低温低压系统,该垫片可能并非最佳选择.经过调研,笔者初步选定了在大亚湾密核电厂广泛使用Garlock Bluegard 3400垫片、法国核电站普遍使用的PMUC认证PGAC-F垫片、PGXS垫片.针对这四种垫片,项目组制作试验工具进行了一系列打压试验,除TN9001垫片外,其余3种都可以在理想的紧固力矩范围内达到密封,但受实验条件限制,无法进行抗蠕变松弛相关试验.
PGAC-F垫片,多向型分子链及各向同性的结构,改性PTFE,对于5bar压力的发电机而言,厂家推荐Y值为17.5MPa,密度2.8 g/cm3,可压缩性8%-12%,回弹性约40%;PGXS垫片,厂家推荐Y值11MPa,密度1.13g/cm3,可压缩性约55%,回弹性约24%;Garlock Bluegard 3400垫片,根据介绍换算Y值约33MPa,密度1.6 g/cm3,可压缩性7%—17%,回弹性约50%.
综合以上数据,考虑到Garlock Bluegard 3400垫片相对较脆（工程实践中曾发生过紧固脆裂的情况）,且密封比压较高;而PGXS过软,回弹性（24.3%）明显低于PGAC-F（40%）、抗蠕变松弛能力不如PGAC-F,并结合EDF应用业绩,优先考虑选用PGAC-F垫片.针对发电机本体相关垫片,首批选择了49个部位的密封垫进行了测量与核算,将核算结果与通用螺栓紧固力矩标准进行对比发现,使用PGAC-F垫片达到密封所需的紧固力矩均在8.8级螺栓的最优范围之内.初步判断使用该垫片可满足现场改进需求.2016年12月,3号机组首次大修,将垫片更换为PGAC-F,发电机气密试验结果优秀,运行至今未出现过任何异常泄露情况.
4 结论
在大型水氢氢冷却发电机组中,密封垫片对温度、压力要求较低,选型时应重点考虑密封比压、氢气密封、耐油、回弹、绝缘等性能,火电机组广泛使用的TN9001可能并非最优选择,垫片选型设计人员可以开展更详细的理论研究和试验验证,减少发电机维修密封垫片安装偏差,促进国内大型发电机组密封性能持续优化.
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密封垫片和垫片引用文献:
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