文山里泵站水泵電機推力瓦燒瓦原因分析及處理措施

曹賢乘

(福建省水利水電工程局有限公司，福建 泉州 362000)

1 概述

文山里泵站是福州市內(nèi)河目前建成投用最大引水泵站，位于福州至甘蔗公路左側(cè)的文山里閩江岸邊，泵站由進水口、主廠房、副廠房、上水池等建筑物構成，1998年1期工程4臺裝機容量5 000 kW投入運行，2002年2期工程2臺裝機容量2 500 kW投入運行，每臺容量為 1 250 kW，共6臺，總裝機容量為7 500 kW，日引水量為270萬m3，引水可以輻射到18條內(nèi)河。為進一步改善中心城區(qū)內(nèi)河水質(zhì)，創(chuàng)造優(yōu)美內(nèi)河景觀發(fā)揮著重要的作用[1]。為保證設備正常運行，機組需要進行及時檢修。運行時發(fā)現(xiàn)3#機組推力瓦和上導軸瓦有時運行測溫明顯偏高，對稱軸瓦測溫點溫度相差較大，運行一段時間后溫度明顯回落，建議進行檢修。拆卸機組后發(fā)現(xiàn)部分推力瓦燒瓦現(xiàn)象，推力瓦重新研刮處理并進行安裝后，試運行0.5 h左右出現(xiàn)推力瓦溫度過高而被迫停機。本文對文山里泵站電機推升瓦燒瓦原因進行研究分析，可為類似工程提供借鑒。。

2 文山里泵站組成、作用

文山里泵站主要有進水口、主、副廠房、上水池等建筑物(如圖1所示)。

圖1 文山里泵站組成結(jié)構示意

進水口：主要作用是銜接閩江水源與泵房，改善流態(tài)，減少水力損失，為主泵創(chuàng)造良好引水條件。進水口主要設備有攔污柵、檢修閘門和電動葫蘆等。

主、副廠房：是泵站的主體工程，其主要作用是為水泵機組和運行人員提供良好的工作條件。主要有水泵、電機、行車、技術供水、通風、消防、高低壓柜、變壓器和控制設備等。

上水池：是壓力管道和引水渠銜接建筑物，起消能穩(wěn)流作用，為循環(huán)冷卻水提供冷卻條件。主要有引水渠攔污柵、循環(huán)冷卻器、出口鋼管等。

3 推力軸承的組成

懸式電機的推力軸承結(jié)構，同上導軸承一起安裝在上機架內(nèi)(如圖2所示)，主要由轉(zhuǎn)動和固定兩部分組成。主軸與推力頭是采用過盈配合，利用熱脹冷縮的原理將推力頭套在主軸上，從而保證聯(lián)接緊密和同心。并通過鍵、卡環(huán)和過盈聯(lián)接使推力頭與主軸成為一體(鍵用來傳遞扭矩，卡環(huán)傳遞軸向力)，再加上鏡板組成轉(zhuǎn)動體。推力頭的外圓柱面與上導軸瓦組成上導軸承。推力頭、鏡板和推力瓦組成推力軸承[2]。

1—上機架；2—冷卻器；3—氣窗；4—導軸承裝配；5—密封蓋；6—卡環(huán)；7—推力頭；8—隔油板；9—鏡板；10—擋油管；11—主軸；12—軸承座；13—抗重螺栓；14—托盤；15—推力瓦；16—絕緣墊

4 文山里泵站3#電機推力瓦(軸瓦)運行情況

4.1 檢修前運行記錄數(shù)據(jù)的采集確認

查詢3#機同一時間運行記錄1：2個對稱上導軸瓦的最高溫度分別為49.8℃和58.2℃，2個對稱的推力瓦的最高溫度分別為45.8℃和50.4℃。同一時間運行記錄2：2個對稱上導軸瓦的最高溫度分別為48.8℃和51.2℃，2個對稱的推力瓦的最高溫度分別為45.6℃和48.2℃。檢修分析可能存在PT100溫度傳感器故障，導致測量電阻誤差或接線虛接情況，為確定顯示檢測誤差的可能，檢修時進行接線檢查和測量測溫元件電阻值換算與實際顯示溫度值對比驗證，實際驗證結(jié)果情況基本不存在測量誤差。所以運行記錄數(shù)據(jù)真實可靠。

4.2 汛期低水位運行情況

在汛期，特別是在低潮水位時，機組運行震動加大，運行電流升高，瓦溫也越來越高。檢查機組技術供水正常，研閱原檢修盤車數(shù)據(jù)，均符合規(guī)范要求。檢查在外江進水口處出現(xiàn)灌木、樹葉、雜物、編織袋等堵塞在攔污柵前，攔污柵內(nèi)外水位差為1～2 m，進水口液面波動較大，水面出現(xiàn)較多氣泡。及時停機并清理攔污柵前灌木、樹葉、雜物、編織袋等。

4.3 機組檢修拆卸檢查情況

電機拆卸時發(fā)現(xiàn)推力油盆油質(zhì)較渾濁并有巴適合金瓦屑[3]，有2～3塊推力瓦出現(xiàn)燒瓦現(xiàn)象，瓦背銅墊片出現(xiàn)不同程度的凹痕或斷裂。

4.4 檢修后的試運行情況

推力瓦研刮、更換銅墊及汽輪機油，試運行0.5 h左右推力瓦溫度迅速升高60℃，立即手動緊急停機，停機過程溫度還繼續(xù)升高現(xiàn)象。查驗安裝記錄的盤車數(shù)據(jù)、瓦間隙等均符合要求。拆卸機組后發(fā)現(xiàn)瓦背銅墊片出現(xiàn)不同程度的凹痕，仔細觀察發(fā)現(xiàn)推力瓦背也有不同程度的凹痕。

5 推力瓦燒瓦原因分析

5.1 推力瓦研刮質(zhì)量的影響

推力瓦是承受水泵機組轉(zhuǎn)動部分的全部荷載及水推力，所以對推力瓦的研刮也是至關重要。因水泵機組的推力瓦燒瓦，必須進行推力瓦重新研刮，且保證精度達到規(guī)范要求。為了更好形成油膜，保證推力運行時油膜不受破壞，研刮的推力瓦單位面積必須形成一個平整的接觸面，可按一定數(shù)量的接觸點判斷，接觸點是指推力瓦與鏡板經(jīng)過研磨后產(chǎn)生的接觸金屬亮點，要求達到每平方里面有1～3個/cm2接觸點，并且接觸點位置均勻[4]。

為了能使接觸面創(chuàng)造良好的油膜形成潤滑條件，推力瓦研刮后進行挑花，使水泵運行時，推力瓦與鏡板之間能存有少量的油。挑花的深淺和分布直接對油膜的存在有著直接的影響，所以挑花必須清晰可見，排列規(guī)則整齊、大小和分布均勻一致。

為了機組運行時推力瓦更好的進油，保證充足的油量到推力瓦，將推力瓦的進油邊刮成斜面，有利于油膜形成[5]。斜面與接觸面必須圓滑過度，不能出現(xiàn)臺階。進油寬度按15 mm深度0.5 mm刮銷。為了避免推力瓦出油邊刮瓦時留下毛刺，推力瓦的出油邊寬度按10 mm深度0.5 mm刮銷(如圖3)。

圖3 推力瓦進出油邊研刮示意(單位：mm)

推力瓦通過抗重螺栓支撐傳遞荷載，所以在機組運行時，其主要受力點集中在支撐點周圍，運行的溫度也會最高，促使支撐的抗重螺栓中心點附近的瓦會因升溫發(fā)生形變，增大突起，瓦面的變形會使局部瓦的受力增大，不利于油膜形成，容易使瓦面中心位置附近磨損而造成燒瓦現(xiàn)象。推力瓦燒瓦位置基本在受力集中的位置，即支撐螺栓上推力瓦面圓周線附近，因此，為避免這種運行狀態(tài)對推力瓦產(chǎn)生熱變形，推力瓦的支撐螺栓上的瓦面周圍應適當刮低0.02 mm左右[6](見圖4)。

圖4 推力瓦支撐螺栓周圍刮低示意

5.2 不利的運行工況對推力瓦的影響

檢修前，從運行溫度數(shù)據(jù)判斷，由于推力瓦、軸瓦溫度偏差較大，可能已出現(xiàn)推力瓦帶病運行情況。文山里泵站的水泵揚程為11 m，受外江(閩江)漲落潮水位和上游水池運行水位影響，運行揚程時刻都在發(fā)生變化。特別時洪水過后，上游會漂浮灌木、雜物、編織袋等雜物，在機組運行時，受到水流影響，雜物會在泵站進水口被攔污柵遮攔，造成進水口受阻，加大水泵運行水位落差，特別是在低潮水位時，受到外江水位和攔污柵的雙重影響，水泵需要的流量更是少之又少，且會帶入大量空氣，揚程又不斷加大，機組產(chǎn)生強烈震動[7]，負荷也是不斷加大，機組瓦溫也將不斷升高，同時也會造成推力瓦銅墊微量變形，對機組安全運行產(chǎn)生不利影響。為避免類似情況發(fā)生，利用退潮時停機自動漂流和采用人工及時清理攔污柵前的垃圾雜物方式，特別是在汛期中和汛期后，防止因進水口堵塞而影響機組穩(wěn)定運行。

5.3 推力瓦抗重螺栓接觸面的影響

具有球面圓弧的抗重螺栓通過支撐銅墊承受推力瓦的載荷，且抗重螺栓球面弧形與推力瓦銅墊為剛性點接觸。由于銅墊接觸應力較大，銅墊片具有彈性形變和塑性形變，且抗重螺栓比推力瓦支撐凹孔直徑小，在運行過程中支撐銅墊片的中心附近將產(chǎn)生錐形凹痕(見圖5)。當推力瓦支撐凹孔平面上存在凹痕缺陷時，銅墊受力結(jié)構將變成面，推力瓦自由活動的空間將受到限制，不同瓦之間受力也不均勻，單塊推力瓦受力將越來越大，變形也就越來越大，接觸面積也越來越大，當運行小于最小油膜時，推力瓦溫度將急劇增加，形成干摩擦，造成燒瓦現(xiàn)象[8]。

圖5 支撐銅墊的變形示意

第1次檢修安裝后，雖然更換了已壞的銅墊片，但是由于安裝時未發(fā)現(xiàn)推力瓦背在原運行中已發(fā)生了微小的凹痕(見圖6)，不容易觀察發(fā)現(xiàn)。在靜態(tài)安裝調(diào)整時，由于受力載荷較小，在打受力和盤車中，無法及時發(fā)現(xiàn)微小變化。水泵試運行時，推力瓦的受力迅速增加，推力瓦被微小凹痕迅速體現(xiàn)傳遞給銅墊片，使銅墊片產(chǎn)生了形變，所以安裝后試運行又會出現(xiàn)推力瓦燒瓦現(xiàn)象，銅墊并有凹痕的出現(xiàn)。

圖6 推力瓦支撐位置變形示意

因為現(xiàn)場已無備用推力瓦，如果定制需要較長時間，根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗和現(xiàn)場實際情況，將推力瓦發(fā)回廠家進行推力瓦背車床加工，保證瓦背的平面度，同時銅墊片更換成剛度和強度更好的鉻鋼片進行安裝，保證了機組安裝質(zhì)量，提高了機組的穩(wěn)定運行。

5.4 不平衡磁拉力對推力瓦的影響

泵站安裝與驗收技術規(guī)范要求：分別檢查電機定子與轉(zhuǎn)子上下空氣間隙，各間隙與平均間隙之差不應超過±10%。當電機氣隙不均勻時，直接表現(xiàn)為低頻電磁聲、振動等質(zhì)量問題，嚴重時出現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子實擦的掃膛質(zhì)量問題。同時空氣間隙偏差會造成氣隙磁通密度不均勻，導致產(chǎn)生的磁拉力也不平衡(產(chǎn)生的磁通力以噸計量)，對機組運行產(chǎn)生極大的影響[9]。因文山里泵站電機型號為YLKS1250-16 10 kV的異步電機，名義氣隙僅為2.35 mm，所以必須對定轉(zhuǎn)子的空氣間隙安裝質(zhì)量嚴格把關。

檢修中，通過測量定子圓度、垂直度及水平發(fā)現(xiàn)上下空氣間隙存在不同方向的偏差，為改變此種不利狀態(tài)，對定子底座進行加墊，保證了定子檢修后空氣間隙的安裝質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

5.5 冷卻能力不足對推力瓦的影響

推力軸承摩擦產(chǎn)生的熱量是通過潤滑油再由冷卻器內(nèi)的冷卻水帶走。軸瓦溫度tz可以用下列公式求得：

(1)

式中：

Az、kz——推力軸承傳熱面積和傳熱系數(shù)；

An、kn——冷卻器傳熱面積和傳熱系數(shù)；

ρ、C、Qn——冷卻水密度、比熱、流量；

Wf——摩擦損耗功率；

tsj——冷卻水進水溫度[10]。

在摩擦損壞功率一定的情況時，冷卻器傳熱面積、傳熱系數(shù)和冷卻水的流量過小，或冷卻水進水溫度過高會造成推力瓦溫度過高而燒瓦。

在原設計中，考慮閩江水常年較為清澈，使用閩江水抽到上游高位水池作為冷卻水的水源，并考慮存在樹葉雜物等，在進水口設置網(wǎng)格式的攔污柵，并且設置全自動濾水器，在濾水器的進出口設置壓差傳感器，當進出口壓力差較大時，打開排污口，濾水器進行反沖洗，可實現(xiàn)濾水器自動清洗，保證技術供水的水質(zhì)，理論上都可以滿足機組冷卻效果。

在檢修過程中，發(fā)現(xiàn)循環(huán)冷卻器內(nèi)長滿很多的海瓜子，阻礙了冷卻器的過流斷面，技術供水水平冷卻總管、冷卻器內(nèi)沉積著大量的淤泥，增加了水流的阻力，阻礙了冷卻水的流量，同時附著在軸承冷卻銅管內(nèi)壁的淤泥，阻礙熱量的傳遞效率，降低了軸承冷卻效果，也會使瓦溫升高。因閩江是地處于淡水和海水交界位置，受到漲落潮的影響，水質(zhì)在不斷交替混合，為海瓜子的生長提供了良好的生存環(huán)境，且福州位于歐亞大陸東南邊緣，東臨太平洋，是典型的亞熱帶季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和濕潤，年降水量在900～2 000 mm之間，位于東南沿海夏季易受臺風影響，多臺風雨。在臺風暴雨來臨時，上游的水質(zhì)非常渾濁，含有大量的泥沙，這些不利于冷卻器的過濾，常年累月，將沉積在管內(nèi)，影響冷卻效果，導致運行瓦溫過高。

為了解決供水技術問題，對供水系統(tǒng)進行了全面改造。采用循環(huán)冷卻水的供水方式進行改造(如圖7)。新建1座循環(huán)冷卻水池，清澈自來水放入水池作為循環(huán)冷卻水池的水源，使用循環(huán)冷卻水泵進行技術供水加壓，在上水池加裝循環(huán)冷卻器，保證在運行時能夠?qū)в袩崃康墓┧鋮s后流回循環(huán)冷卻水池內(nèi)，達到供水重復利用冷卻的效果[11]。考慮冷卻水在使用時的損耗(如蒸發(fā)、檢修、漏水等影響)，對循環(huán)冷卻水池加裝自動補水的液位浮球閥，保證使用時損耗的水及時自動補充，滿足循環(huán)冷卻水泵機組運行要求的水位。

圖7 循環(huán)冷卻水供水流程示意

5.6 其他情況對推力瓦的影響

推力瓦燒瓦主要是因為不能滿足液體潤滑條件，造成潤滑油模被破壞，從而使推力瓦和鏡板產(chǎn)生半干摩擦或干摩擦，還存在以下情況：① 軸電流影響。由于存在軸電壓推力軸承的絕緣損壞，引起油膜油膜間產(chǎn)生電流而損壞推力瓦面鏡板[12]，推力瓦和鏡板有損壞缺陷后對油膜的形成也造成阻礙；② 其他原因，如盤車數(shù)據(jù)不符合規(guī)范，將引起機組震動，也會造成燒瓦；原材料或工藝的缺陷、潤滑油的油質(zhì)情況或油量情況[13]，也同樣會造成推力瓦燒瓦。

6 結(jié)語

在大型泵站運行和日常維護中，必須及時發(fā)現(xiàn)異常運行情況，及時解決出現(xiàn)的問題，保證設備安全運行，防止事故的擴大。嚴控推力瓦研刮工藝和質(zhì)量，避免不利的運行工況，保證定轉(zhuǎn)子空氣間隙均勻，改善冷卻系統(tǒng)，同時設備絕緣、盤車質(zhì)量也要嚴格把關，也可采用新材料、新工藝，更好解決推力瓦燒瓦問題。