水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承支柱螺栓套損壞原因分析及處理

王亞龍，王 戩，劉多斌，王洪彬，李秉謙

(國(guó)網(wǎng)新源水電有限公司豐滿培訓(xùn)中心，吉林 吉林 132100)

推力軸承工作狀況的好壞直接影響機(jī)組能否正常運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，電站機(jī)組設(shè)備故障中，約60%機(jī)械設(shè)備故障源于推力軸承[1]。查找、分析推力軸承事故的原因，解決設(shè)計(jì)、制造、安裝及運(yùn)行中發(fā)生的問題，已成為電站管理運(yùn)行的一項(xiàng)重要工作。

1 推力系統(tǒng)概況

水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承通常由推力頭、鏡板、推力瓦、支撐彈簧、油冷卻器、高壓油頂起裝置、油槽等組成[2]。推力頭與機(jī)組主軸采用過盈配合方式連接為一體；鏡板一般采用45號(hào)鍛鋼制作，具有較高的精度和粗糙度，推力頭與鏡板通過絕緣桿和絕緣銷釘固定，二者在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中隨轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)，并與推力瓦面滑動(dòng)摩擦[3]，進(jìn)而將機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量傳遞到推力瓦上，為了降低摩擦損耗，與軸瓦相接觸的表面加工粗糙度要求達(dá)到0.2 μm以上。推力瓦采用扇形分塊式結(jié)構(gòu)[4]。推力軸承按支撐形式為剛性支柱式。冷卻系統(tǒng)采用體內(nèi)自循環(huán)水冷方式，即推力油冷卻器安裝在推力油槽內(nèi)部[5-6]，推力軸承示意圖見圖1。

圖1 推力軸承示意圖

某水電站1號(hào)機(jī)組A級(jí)檢修過程中，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)透平油中黑色沉淀物較多；上導(dǎo)推力瓦有4個(gè)支柱螺栓套(全套8個(gè))有不同程度開裂或損壞。為了解支柱螺栓套損壞的原因，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)8個(gè)支柱螺栓套進(jìn)行檢測(cè)[7-8]。

2 支柱螺栓套損壞檢測(cè)工藝

2.1 宏觀檢測(cè)

1號(hào)機(jī)組推力支撐結(jié)構(gòu)如圖2所示，8塊推力瓦水平圓周分布，推力瓦背開有1圓孔，分別由8根支柱螺釘垂直支撐，支柱螺釘與推力瓦之間壓緊有鍍鉻塊。支柱螺釘旋于支柱螺套內(nèi)實(shí)現(xiàn)上下調(diào)節(jié)功能，螺套尺寸如圖3所示。支柱螺套鑲嵌在軸承支座內(nèi)，構(gòu)成對(duì)推力瓦的支撐。

圖2 推力支架

圖3 支柱螺釘及支柱螺套

對(duì)拆卸下來的支柱螺套進(jìn)行宏觀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)6號(hào)支柱螺套自肩部位置斷裂成兩部分，1、4、5、8號(hào)肩部存在明顯裂紋。從多處螺套裂紋分布情況看，可以確定裂紋現(xiàn)由外圈退刀槽部位產(chǎn)生，逐漸向里擴(kuò)展，然后導(dǎo)致斷裂，應(yīng)為疲勞斷裂。6號(hào)支柱螺套斷口形貌見圖4，斷面與最大正應(yīng)力方向約成45°，為切斷型；斷面最外圈形貌為較細(xì)的沙灘狀，為裂紋源區(qū)，中間部分呈平行的疲勞條紋，為裂紋擴(kuò)展區(qū)，最內(nèi)圈表面呈現(xiàn)撕裂狀，為最后瞬時(shí)斷裂區(qū)。

圖4 6號(hào)螺套斷口

8塊鍍鉻墊片，1塊斷裂(6號(hào))，1塊表面存在疑似裂紋，還有1塊推力瓦背支撐孔存在疑似裂紋。支柱螺栓上端面、鍍鉻墊片接觸面存在明顯摩擦痕跡，鍍鉻墊片、推力瓦支撐孔接觸表面粗糙，存在明顯車加工痕跡，存在接觸不充分現(xiàn)象。

2.2 無損檢測(cè)

對(duì)所有8個(gè)支柱螺套肩部退刀槽部位、8塊鍍鉻墊片、8個(gè)支座螺套孔臺(tái)階處、推力瓦背支撐孔進(jìn)行了磁粉檢測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)除2、3號(hào)支柱螺套以外，其余6個(gè)肩部退刀槽部位均存在裂紋(其中6號(hào)已斷裂，1號(hào)裂紋已從退刀槽部位擴(kuò)展至螺套本體上端面)，見圖5—圖9。2塊鍍鉻墊片存在裂紋，其中1塊(6號(hào))已斷裂，另1塊(未能確認(rèn)編號(hào))中間存在裂紋，見圖10。6號(hào)推力瓦背支撐孔存在裂紋，見圖11—圖12。

3 支柱螺栓套損壞原因分析

支柱螺栓套上臺(tái)肩部與下部的直角外圈在車床加工時(shí)留有一圈退刀槽(如圖13所示)，而此處恰為支柱螺栓承重的關(guān)鍵部位，應(yīng)力最為集中。退刀槽的存在明顯降低了部件的機(jī)械強(qiáng)度，在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，易造成金屬疲勞，這就是支柱螺栓套的裂紋均出現(xiàn)在退刀槽根部的原因。

圖5 1號(hào)支柱螺套

圖6 4號(hào)支柱螺套

圖7 5號(hào)支柱螺套

圖8 7號(hào)支柱螺套

圖9 8號(hào)支柱螺套

圖10 鍍鉻墊片

圖11 6號(hào)瓦背支撐孔裂紋

圖12 6號(hào)鍍鉻墊片

圖13 支柱螺栓套退刀槽

本次檢測(cè)過程中還發(fā)現(xiàn)部分鍍鉻墊片出現(xiàn)裂紋甚至碎裂。從支柱螺栓與墊片接觸的痕跡(如圖14所示)來看，是由于支柱螺栓與墊片的接觸面積過小，鍍鉻墊片局部承受的壓強(qiáng)過大，加上機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過程中產(chǎn)生的金屬疲勞，最終導(dǎo)致鍍鉻墊片出現(xiàn)裂紋甚至碎裂(注：機(jī)組轉(zhuǎn)子、主軸及水輪機(jī)總重約為40 t，每塊墊片承重約為5 t，墊片與接觸面積為1～2 cm不等，墊片局部承受的壓強(qiáng)為250～500 MPa)。

圖14 支柱螺栓與鍍鉻墊片接觸痕跡

4 處理措施

對(duì)支柱螺栓套在退刀槽根部出現(xiàn)的裂紋，重新加工螺栓套時(shí)考慮在原有退刀槽處增加圓弧倒角，加強(qiáng)此處的機(jī)械強(qiáng)度，并對(duì)軸承座進(jìn)行配套加工。針對(duì)鍍鉻墊片出現(xiàn)裂紋甚至碎裂的問題，對(duì)支柱螺栓與鍍鉻墊片、鍍鉻墊片與推力瓦背接觸面進(jìn)行研磨，增加接觸面積(受力面積)，避免墊片局部壓強(qiáng)過大。

通過以上處理后，機(jī)組經(jīng)過一年的運(yùn)行，推力軸承各部位未發(fā)現(xiàn)異常，對(duì)保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行具有一定的實(shí)踐意義。