水電機組推力軸承故障處理與可靠性研究

五凌電力掛治水力發(fā)電廠 劉小云 羅先洪

掛治電廠安裝3臺單機容量為50MW的立式水輪發(fā)電機組，推力軸承安裝在下機架中心體上的組合油槽內，承受水輪發(fā)電機組所有轉動部分的重量和水推力構成的組合載荷。軸承采用彈性圓盤支撐結構，由12塊彈性金屬塑料瓦組成。目前，國內外因為推力軸承運行故障帶來運行機組事故停機較為普遍，約占水電機組機械設備總故障的1/2，根據(jù)有關國家對水電機組機械故障的統(tǒng)計資料，約有50%～60%的故障出自運行機組推力軸承[1]。

本文對多個電廠推力軸承運行故障進行了分析，通過對下機架、支撐、推力瓦、鏡板等推力軸承系統(tǒng)內的部件進行了分析，以及從設計、制造、安裝等過程對推力軸承的可靠性進行了分析。

1 推力軸承結構簡述及故障分析

1.1 推力軸承結構簡述

要對推力軸承進行分析，不能只局限于其本身，需要從系統(tǒng)的角度進行。電廠推力軸承結構如圖1所示。

圖1 推力軸承結構原理圖

該推力軸承采用彈性圓盤支撐，其中上圓盤的底部采用球形結構，推力瓦設置偏心距。采用外置式冷卻器，通過鏡板泵效應提供油循環(huán)動力。鏡板與推力頭之間采用20個M36的內六角螺栓連接。推力軸承具體參數(shù)見表1。

表1 推力軸承參數(shù)

1.2 推力軸承常見故障分析

立式水輪發(fā)電機組的推力軸承在投入運行后發(fā)生的缺陷有以下幾點：一是推力軸承瓦溫升高。主要有產(chǎn)熱、散熱兩個方面的原因。二是非鏡板面有大面積的明顯環(huán)狀瘢痕。瘢痕呈黑色、圓周分布，靠外徑側部分區(qū)域有點狀分布的蝕痕。三是鏡板與推力頭連接螺栓在運行一段時間后出現(xiàn)松動甚至斷裂，機組振動超標。四是彈性金屬塑料瓦出現(xiàn)分層、脫殼、開焊等問題，瓦面存在劃痕。

2 問題分析處理

2.1 推力軸承瓦溫異常升高

瓦溫的變化取決于產(chǎn)生的熱量與散發(fā)的熱量之間的一個動態(tài)平衡。如圖1中的藍色箭頭指示的是油循環(huán)的路徑。

從散熱方面分析：主要是通過油冷器中的水分將油中的熱量帶走。對于兩種流體，在理想的熱交換情況下，熱平衡公式為：

式中：ρ、V、C、Δt分別為相應介質的密度、體積流量、比熱容、溫差。主要影響因素為比熱容和體積流量。

一是影響比熱容的因素主要是油質的變化。導致油質劣化的原因較多，常見的有破乳化度超標，油中顆粒度超標、油質碳化，可以通過定期的油質化驗并采取針對性措施。

二是對于體積流量的影響因素。對于該電廠的推力軸承結構，由于鏡板泵的效應，在鏡板的外側與下導軸承瓦托之間形成一個高壓區(qū)，在內側及瓦托下部之間形成低壓區(qū)。高壓區(qū)與低壓區(qū)之間由設置在瓦托底部與鏡板之間的密封條分隔。若在運行中密封條發(fā)生磨損，將導致高壓與低壓區(qū)域之間竄通，也就經(jīng)過外置油冷器的油將變少，參與散熱的油總量變少，散熱總量減少，導致軸承溫度升高?？梢酝ㄟ^現(xiàn)場測量外置油冷器與油槽的溫度變化值Δt，計算出相對流量比值，從而判斷在冷卻水流量不發(fā)生大變化的情況下，經(jīng)過冷卻器的循環(huán)油流量的變化情況。若發(fā)生流量減小的情況，考慮是否為管道堵塞或者密封條磨損，導致高壓區(qū)與低壓區(qū)竄通。通過檢修時進行論證。

對于產(chǎn)熱部分，主要由推力瓦與鏡板之間的參數(shù)決定，在后面推力瓦問題處進行分析，在此不贅述。

2.2 非鏡面黑色瘢痕及蝕痕

電廠推力軸承運行十多年后，A修中拆卸發(fā)現(xiàn)非鏡板面有大面積的明顯環(huán)狀瘢痕。瘢痕呈黑色，圓周分布，靠外徑側部分區(qū)域有點狀分布的蝕痕。如圖2所示。

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圖2 鏡板非鏡面缺陷圖

2.2.1 原因分析

一是電廠發(fā)電機推力瓦材料為氟塑料，具有良好的絕緣性能，結構為全傘式，可有效避免軸電流回路的形成，原則上不會有軸電流對鏡板電腐蝕的情況發(fā)生。另外，發(fā)電機推力頭和鏡板是直接接觸的，層間沒有設置調整絕緣板，可排除靜電腐蝕因素。因此，可確定推力鏡板的蝕痕不是電腐蝕造成。

二是電廠發(fā)電機推力頭和鏡板把合面內外徑側各設置有一道O形密封圈，有效防止?jié)櫥瓦M入層間空隙。推測長期運行后外徑側密封圈密封效果變差，導致油液滲入或少量油液從推力鏡板固定螺栓孔處滲入，并在鏡板固定螺栓環(huán)帶中積聚。

三是電廠發(fā)電機推力軸承由12塊推力瓦組成，瓦與瓦之間有一定間距，推力頭和鏡板把合面存在一定空隙，在機組運行過程中，當鏡板空隙運行到推力瓦上時，受到軸向載荷的作用，擠壓空隙。當鏡板運行到瓦間空隙時，擠壓力消失，空隙恢復?？障侗粔汉蠒r，推力頭與鏡板結合面就會產(chǎn)生沖擊破壞，產(chǎn)生麻點。空穴的產(chǎn)生、壓縮、突然破裂的作用次數(shù)，在一個大修間隔內，可達數(shù)兆次以上。這種氣蝕作用，使鏡板把合面和推力頭底面變的粗糙，使空穴更易形成，加劇了氣蝕的破壞作用。在高溫的作用下油液發(fā)生汽化，與空氣及少量水分的混合物進入縫隙，并長期聚集?？昭ò殡S著氣蝕發(fā)生，空穴中的油氣水的混合物中的氧元素也會腐蝕把合面，加劇空穴現(xiàn)象而造成的腐蝕。

圖3 鏡板變形結構示意圖

四是由黑色環(huán)帶起始自鏡板內徑側到鏡板固定螺栓環(huán)帶的距離約一半位置，向外至鏡板凸緣為止的大致范圍，可以判斷是由于密封結構的不合理導致油液進入結合面。

五是推力軸承的熱彈性流有限元分析結果顯示，在推力瓦的出油邊附近有一個高溫、高壓區(qū)域，該區(qū)域溫度可到80℃以上。

圖4 推力瓦壓力云圖及溫度分布圖

六是推力鏡板黑色環(huán)帶區(qū)域與有限元分析結果中，推力瓦的高面壓區(qū)和高溫區(qū)高度重合。推力鏡板具有較高的傳熱能力，將摩擦產(chǎn)生的熱量快速傳導給推力頭，使兩者空隙中的油液溫度升高、汽化，推力頭和鏡板高速旋轉過程，對縫隙中的油氣混合物產(chǎn)生高頻擠壓，使其溫度再次升高，高溫導致油液及雜質發(fā)生碳化。機組長期運行后，推力頭和鏡板中的碳元素也會被氧化，碳化物與油混合在金屬表面沉積，發(fā)生滲碳現(xiàn)象，從而導致鏡板表面局部發(fā)黑。

七是鏡板螺紋孔所處環(huán)帶表面呈金屬正常顏色，未被氣蝕和變黑，是因為該區(qū)域間隙相對較大，雖然有油液積聚，但溫度相對較低，且未產(chǎn)生空穴和擠壓。因此，未產(chǎn)生麻點狀凹坑和碳化，表面完好。

2.2.2 處理措施

一是推力頭和鏡板把合面的兩道密封起主要密封作用，可以在緊固螺栓的內側增加一道密封。從目前的兩道密封結構變?yōu)槿烂芊饨Y構，有效阻止油流進入貼合面。

二是大修后機組回裝時，需清理干凈接觸面的油漬，同時更換新的O形密封圈，并確保密封圈正確安裝，防止?jié)櫥蛷拿芊馊μ庍M入層間。盡可能清理干凈固定螺栓、推力頭螺栓孔中的殘留油液。鏡板固定螺栓把緊后，在螺栓頭周邊涂抹適量耐油密封膠（如樂泰587)，防止?jié)櫥驮诼菟ǔ量字蟹e聚后，從此處滲入到推力頭和鏡板的結合面。

通過分析可知，鏡板非鏡板面的麻點、凹坑是因長期氣蝕造成的。油液進入結合面后，在高溫環(huán)境下汽化，與空氣混合后的油氣混合物進入縫隙中空穴，在交變擠壓力作用下，加劇對非鏡板面的破壞，造成凹坑。同時，凹坑中的油氣混合物中的氧元素腐蝕金屬表面，腐蝕現(xiàn)象使凹坑加深。長期處于高壓、高溫環(huán)境下油液及雜質發(fā)生碳化，油液與碳化雜質的混合物在鏡板表面長期積聚和滲透，導致鏡板表面呈黑色。唯有有效避免油液進入推力頭和鏡板的結合面，才能有效避免或減少推力頭和鏡板把合面的氣蝕破壞。

2.3 鏡板與推力頭連接螺栓斷裂

螺栓斷裂的原因在行業(yè)內研究較多，主要有：一是材質結構方面?；瘜W成分不達標導致物理性能不滿足要求；或者選用材質不合適，如選用40Cr材質代替35CrMo，導致材料較脆，不能適應頻繁交變應力的作用；對于受交變載荷的螺紋連接，可采用剛度較低的柔性螺栓結構，如把螺栓的無螺紋部分做的細一些，增大被連接件的剛性。

二是安裝工藝方面。未按照規(guī)定力矩進行緊固，運行中發(fā)生松動；或者安裝后未采取有效的防松動措施。

三是維護檢查方面。未按照金屬技術監(jiān)督規(guī)定，每次B級及以上檢修均應對不小于M32的螺栓進行外觀檢測和超聲檢測，超聲檢測比例為100%。日常外觀檢測時只看外表，未考慮到螺栓因為應力松弛導致斷裂的問題，即螺栓在未顯示松動的情況下發(fā)生斷裂，可以通過鐵路行業(yè)常用的小錘敲擊通過聲音來判斷。

四是鏡板的尺寸精度方面。鏡板上下平面的不平行度、推力頭上下平面的不平行度、外圓表面的同心度等尺寸偏差會引起異常振動，也是導致螺栓斷裂的原因。目前，部分電廠在機組A修時重點關注鏡板表面粗糙度，忽視了同心度、不平行度等技術要求。同時，適當?shù)貙︾R面進行硬化處理，可以減小運行中產(chǎn)生有害的波浪變形。

2.4 彈性金屬塑料瓦分層、脫殼、開焊

在立式水輪發(fā)電機中，彈性金屬塑料推力瓦是承載轉子、轉輪等轉動部件重量、軸向水推力等載荷的重要設備。分為瓦體層、彈性層以及表層，瓦體層由普通鋼材加工而成，在外徑側設置有溫度探頭埋設孔。彈性層由青銅絲繞制而成，釬焊在金屬瓦基上，彈性層具有一定的彈性模量，起到均衡瓦面各負荷的作用。表層由聚四氟乙烯塑料板熱壓在彈性層上，瓦面設有預置磨損檢測環(huán)，每組環(huán)設4個同心環(huán)槽，各環(huán)槽深度差為0.05mm。

圖5 推力瓦缺陷圖

彈性金屬塑料推力瓦之前主要是引進俄羅斯的產(chǎn)品，隨著國內制造加工工藝的成熟，也出現(xiàn)了國產(chǎn)化改造的趨勢。對于推力瓦國產(chǎn)化改造的效果，以及對國產(chǎn)化改造需求的電廠，改造的原則建議如下：

一是改造方式為更換整臺套新推力軸承瓦。在機組A修期間實施。根據(jù)標準要求：同套瓦的力學性能應基本相同，彈性模量、硬度值相差不應大于兩倍，或瓦面柔度值相差不超過兩倍。瓦間負荷不均勻偏差不得大于3%，從而保證瓦溫均勻。部分更換推力瓦，所有瓦面磨合情況不一致，可能會導致部分瓦磨損嚴重。因此，建議進行整臺套更換[2]。

二是新推力瓦采用高性能、應用廣泛、環(huán)保型、成熟可靠的彈性金屬塑料推力瓦。

三是新推力軸承瓦應滿足DL/T 622《立式水輪發(fā)電機彈性金屬塑料推力軸瓦技術》及JB/T 10180《水輪發(fā)電機推力軸承彈性金屬塑料瓦技術條件》的相關要求[3]。

四是應對原推力軸承相關尺寸進行測量、復核，新推力軸承瓦結構、重要尺寸應與原推力軸承瓦保持一致。

五是新推力軸承瓦應進行熱彈性流體動壓潤滑計算復核[4]。

3 結語

提高推力軸承的可靠性需要系統(tǒng)性的思考，同時全過程進行監(jiān)督。從設計上保證產(chǎn)品品質安全，并且對加工、制造、運輸、安裝、運行、檢修、維護檢查等全過程進行精細化管理。及時發(fā)現(xiàn)隱患，防范其發(fā)展為事故[5]。