白石水電站3號(hào)機(jī)組水導(dǎo)瓦嚴(yán)重磨損原因分析及技術(shù)改造

(遼寧省白石水庫(kù)管理局有限責(zé)任公司，遼寧 朝陽(yáng) 122000)

1 概 況

白石水電站位于遼寧省北票市上園鎮(zhèn)大凌河干流上，為壩后式電站，電站共有4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量為9800kW，其中3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。

白石水電站水導(dǎo)軸承采用兩瓣筒式、巴氏合金軸瓦浸油式稀油軸承，冷卻方式為水冷式。油循環(huán)方式采用自循環(huán)，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，安裝在主軸上的水導(dǎo)軸承旋轉(zhuǎn)油盆與主軸一起旋轉(zhuǎn)，油盆中的油也隨之旋轉(zhuǎn)，由于離心力作用，油盆中的油經(jīng)固定不動(dòng)的軸承體圓周外部的進(jìn)油孔進(jìn)入下環(huán)形油槽，使油沿水導(dǎo)瓦面上的斜向油槽上移，并在大軸轉(zhuǎn)動(dòng)下，流入整個(gè)瓦面接觸點(diǎn)，在瓦面形成壓力油膜，潤(rùn)滑良好，從而保護(hù)水導(dǎo)瓦不受磨損，同時(shí)帶走熱量，熱油經(jīng)上環(huán)形油槽，從水導(dǎo)軸承上部回油孔流至水冷卻器，經(jīng)過(guò)冷卻后回到旋轉(zhuǎn)油盆。潤(rùn)滑油如此往復(fù)循環(huán)，滿足水導(dǎo)軸承的運(yùn)行要求。

表1 3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

2 問(wèn)題出現(xiàn)

白石水電站3號(hào)機(jī)組在進(jìn)行擴(kuò)大性修理過(guò)程中，將水導(dǎo)軸承拆除后，觀察水導(dǎo)瓦面狀況，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)瓦上油槽全部被磨損的巴氏合金瓦封堵，全部瓦面接觸點(diǎn)均已磨平，瓦面損傷嚴(yán)重(見(jiàn)圖1)。

圖1 水導(dǎo)瓦磨損狀況

觀察發(fā)現(xiàn)，水導(dǎo)瓦磨損基本是由機(jī)械磨損造成的，而未見(jiàn)有因溫度過(guò)高而造成的燒損?？梢猿醪脚卸ㄋ畬?dǎo)瓦面在實(shí)際運(yùn)行中存在一定的干摩擦現(xiàn)象，在低溫狀況下已經(jīng)開始出現(xiàn)磨損，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，磨損量也逐漸加大，進(jìn)而堵塞瓦面油槽。檢查水輪機(jī)主軸，未見(jiàn)異常。

3 水導(dǎo)瓦嚴(yán)重磨損原因查找

水導(dǎo)瓦磨損影響因素較多，通過(guò)分析準(zhǔn)確判斷出白石水電站3號(hào)機(jī)組水導(dǎo)瓦嚴(yán)重磨損的主要原因，是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。結(jié)合3號(hào)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和水導(dǎo)瓦實(shí)際狀況，主要從以下幾個(gè)方面綜合分析判斷。

3.1 水導(dǎo)瓦和水輪機(jī)主軸本身存在質(zhì)量問(wèn)題

如果水導(dǎo)瓦瓦面鑄造工藝及材質(zhì)、水輪機(jī)主軸的車削及刨光存在質(zhì)量問(wèn)題，機(jī)組大修過(guò)程中瓦面的刮、研、磨不符合標(biāo)準(zhǔn)，將直接導(dǎo)致水導(dǎo)瓦瓦面損傷。經(jīng)查找水導(dǎo)瓦及主軸設(shè)備入廠質(zhì)量資料和3號(hào)機(jī)組歷次大修日志等資料，水導(dǎo)瓦和大軸質(zhì)量合格；瓦面光滑、密實(shí)，無(wú)缺陷、無(wú)空洞、無(wú)夾渣，巴氏合金與鑄鐵面結(jié)合密實(shí)，屬合格瓦；3號(hào)機(jī)組歷次大修對(duì)水導(dǎo)瓦的刮、研、磨工藝符合標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)檢驗(yàn)質(zhì)量均合格。因此，可以排除水導(dǎo)瓦和水輪機(jī)主軸本身存在質(zhì)量問(wèn)題。

3.2 運(yùn)行不當(dāng)原因

如果運(yùn)行監(jiān)控不當(dāng)，導(dǎo)致水導(dǎo)旋轉(zhuǎn)油盆油量不足，水導(dǎo)瓦面與主軸之間無(wú)法形成良好的壓力油膜，即可導(dǎo)致故障或事故，甚至是嚴(yán)重?fù)p壞水導(dǎo)瓦。通過(guò)查閱運(yùn)行日志，值班人員高度重視對(duì)機(jī)組的監(jiān)控，在機(jī)組開機(jī)前和運(yùn)行過(guò)程中，定期檢查機(jī)組軸承各部油位，均有加油記錄和油尺測(cè)量記錄，并且水導(dǎo)瓦油浸高度符合要求，因此，不存在運(yùn)行不當(dāng)引起瓦面磨損的問(wèn)題。

3.3 潤(rùn)滑油的問(wèn)題

水導(dǎo)瓦在運(yùn)行中，潤(rùn)滑油的主要作用是散熱和潤(rùn)滑。潤(rùn)滑油在機(jī)組旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)在軸瓦和主軸之間形成一定厚度的壓力油膜，使瓦面和主軸之間的固體摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w摩擦，以減少摩擦所產(chǎn)生的熱量，保護(hù)瓦面不受損傷，因此，使用的潤(rùn)滑油牌號(hào)是否符合要求、油質(zhì)是否達(dá)標(biāo)、是否定期更換和過(guò)濾都會(huì)影響水導(dǎo)瓦。白石水電站使用的潤(rùn)滑油是L-TSA-46汽輪機(jī)油，按照規(guī)范要求牌號(hào)使用，且產(chǎn)品質(zhì)量合格證書齊全。機(jī)組各部軸承潤(rùn)滑油按照規(guī)程要求，定期進(jìn)行更換并經(jīng)濾油機(jī)過(guò)濾后方才注入各部油盆中。為了準(zhǔn)確排除潤(rùn)滑油問(wèn)題因素，將檢修時(shí)水導(dǎo)油盆中的油進(jìn)行檢驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)油質(zhì)良好，符合要求。

3.4 機(jī)組安裝不精確的原因

3.4.1 水導(dǎo)瓦間隙

水導(dǎo)瓦間隙一般應(yīng)控制在0.15mm范圍內(nèi)，同時(shí)也不能過(guò)緊，安裝時(shí)要根據(jù)盤車情況合理確定。此次3號(hào)機(jī)組大修中，對(duì)機(jī)組進(jìn)行拆卸前盤車，以確定機(jī)組各部原始數(shù)據(jù)，經(jīng)盤車測(cè)量水導(dǎo)瓦最大間隙為0.15mm ，最小間隙0.08mm，說(shuō)明機(jī)組在檢修前水導(dǎo)瓦間隙在合理范圍內(nèi)，安裝精確?？梢源_定瓦間隙不存在問(wèn)題。

3.4.2 機(jī)組主軸擺度

機(jī)組主軸擺度較大時(shí)，將破壞瓦面與主軸之間所形成的潤(rùn)滑油壓力油膜，從而使水導(dǎo)瓦受到主軸旋轉(zhuǎn)的磨損。按照規(guī)范要求，機(jī)組轉(zhuǎn)速小于500r/min時(shí)，每米轉(zhuǎn)軸長(zhǎng)度擺度值應(yīng)不大于2.5/100mm。根據(jù)3號(hào)機(jī)組拆卸前盤車原始數(shù)據(jù)(見(jiàn)表2)，通過(guò)計(jì)算可以判斷主軸擺度在合理范圍內(nèi)。3號(hào)機(jī)組主軸擺度不是造成水導(dǎo)瓦嚴(yán)重磨損的原因。

表2 3號(hào)機(jī)組拆卸前盤車原始數(shù)據(jù) 單位：1/100mm

3.5 水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)問(wèn)題

拆卸水導(dǎo)軸承后，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析：一是分析瓦面油槽，3號(hào)機(jī)組水導(dǎo)瓦面油槽為斜型，共四道，瓦面斜型油槽應(yīng)有足夠的斷面尺寸，深度一般為3～4mm,寬度為6mm左右，如果斷面過(guò)小，就會(huì)導(dǎo)致過(guò)油量不足，進(jìn)而導(dǎo)致瓦面接觸點(diǎn)油量不足，無(wú)法形成良好的壓力油膜，既影響瓦面潤(rùn)滑，又影響瓦面摩擦產(chǎn)生的熱量散失。另外，斜型油槽的上升角一般應(yīng)控制在60°左右，且要保持一致。否則，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，將導(dǎo)致上油量不足或是油從油盆甩出，造成瓦面磨損或是瓦溫升高。二是分析水導(dǎo)軸承體原設(shè)計(jì)的徑向進(jìn)油孔，如果進(jìn)油孔尺寸較小，勢(shì)必要導(dǎo)致進(jìn)油量不足。通過(guò)對(duì)水導(dǎo)瓦進(jìn)行實(shí)際檢查和測(cè)量，瓦面斜型油槽深度為4mm，寬度為5mm，上升角為60°，徑向進(jìn)油孔尺寸為4-φ12。因此初步判斷因水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)不合理而導(dǎo)致進(jìn)油量不足是水導(dǎo)瓦嚴(yán)重磨損的主要原因。

3.6 油潤(rùn)滑系統(tǒng)故障

水導(dǎo)軸承拆卸后，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)瓦上部潤(rùn)滑油回油孔處焊有擋油板，兩瓣筒瓦上部的40個(gè)回油孔皆被兩塊擋油板蓋住(見(jiàn)圖1)，使上部油盆的潤(rùn)滑油不能及時(shí)通過(guò)回油孔流回旋轉(zhuǎn)油盆，油潤(rùn)滑系統(tǒng)出現(xiàn)回油不暢的故障，而運(yùn)行顯示上油盆始終有油，實(shí)際下面的旋轉(zhuǎn)油盆油量已經(jīng)很少。因此造成瓦面油量不足，水導(dǎo)瓦嚴(yán)重磨損。

4 水導(dǎo)瓦嚴(yán)重磨損分析結(jié)論

通過(guò)以上分析可以判斷出：導(dǎo)致水導(dǎo)瓦嚴(yán)重磨損的主要原因是水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理、油潤(rùn)滑系統(tǒng)故障。經(jīng)觀察及分析并得出以下結(jié)論：因擋油板覆蓋水導(dǎo)軸承上油盆回油孔，上油盆的油回流速度太慢導(dǎo)致上油盆始終有油，下面的旋轉(zhuǎn)油盆油量嚴(yán)重不足。同時(shí)徑向進(jìn)油孔太小，且嗆油孔外邊緣又是圓形，下油盆旋轉(zhuǎn)的油沿嗆油孔的切線方向運(yùn)動(dòng)，造成嗆油孔進(jìn)油量很少，致使水導(dǎo)瓦上油量較少，導(dǎo)致水導(dǎo)瓦損傷。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加，水導(dǎo)瓦被逐漸磨損，磨損量逐漸累積，導(dǎo)致油道被烏金材質(zhì)基本堵塞，最終導(dǎo)致瓦面與主軸之間無(wú)法形成有效的壓力油膜，而運(yùn)行觀察上油盆油量卻充足，因此不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)瓦嚴(yán)重磨損的問(wèn)題。

5 水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)技術(shù)改造

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試運(yùn)行以及對(duì)水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)研究和分析，對(duì)水導(dǎo)軸承實(shí)施以下幾方面技術(shù)改造。

5.1 拆除擋油板，使?jié)櫥拖到y(tǒng)通暢

取消原來(lái)回油孔處的擋油板，讓油很順利地回到下面的旋轉(zhuǎn)油盆，下面的旋轉(zhuǎn)油盆油量增大，致使嗆油量增大，整個(gè)潤(rùn)滑油系統(tǒng)油循環(huán)速度加快而順暢。熱量散失較快，瓦面與主軸之間形成充分而有效的壓力油膜。

5.2 改造水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)，增加上油量

一是將徑向進(jìn)油孔(嗆油孔)4-φ12外側(cè)4cm處孔徑加大至4-φ16，在其他參數(shù)不變的情況下，進(jìn)油斷面積增加了1.78倍；二是在水輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向削去一個(gè)直角三角面，這樣旋轉(zhuǎn)的油在嗆油孔處被擋住一部分而不能延切線方向跑掉，只能向嗆油口方向運(yùn)動(dòng)，從而加大了進(jìn)入嗆油孔的流速；三是將瓦面斜型油槽寬度增加至6mm。以上三種改造措施使水導(dǎo)瓦的上油量大大增加，由于瓦的上油量大且循環(huán)速度加快，潤(rùn)滑效果好，就會(huì)避免水導(dǎo)瓦面損傷的問(wèn)題。

5.3 采用打瓦新工藝，增加瓦面接觸點(diǎn)含油量

機(jī)組大修采用新的打瓦工具，嚴(yán)格打、研、刮瓦工藝流程，打瓦的三角尖部水平迎著機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向，當(dāng)油進(jìn)入瓦面斜型油槽內(nèi)，隨著主軸旋轉(zhuǎn)，油通過(guò)三角尖進(jìn)入瓦坑后，被三角垂直邊擋在瓦坑內(nèi)，使得瓦內(nèi)的存油量增加。并嚴(yán)格控制接觸點(diǎn)的個(gè)數(shù)，全部瓦面點(diǎn)接觸均勻，保證1cm2內(nèi)有1～3個(gè)接觸點(diǎn)。打完瓦后在水輪機(jī)主軸上進(jìn)行研磨，并把瓦面凸起的高點(diǎn)刮去，如此反復(fù)，直至瓦面符合規(guī)范要求。通過(guò)以上措施，極大增加了瓦面接觸點(diǎn)的含油量，起到了很好的保護(hù)水導(dǎo)瓦不受磨損的作用。技術(shù)改造后的水導(dǎo)軸承見(jiàn)圖2。

圖2 技術(shù)改造后的水導(dǎo)軸承

采取以上技術(shù)改造措施后，嚴(yán)格按照規(guī)范回裝了機(jī)組，進(jìn)行開機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)觀察水導(dǎo)軸承運(yùn)行監(jiān)控孔和水導(dǎo)瓦溫，上油量明顯加大且均勻，回油速度加快且流暢，進(jìn)行72h試運(yùn)行，水導(dǎo)瓦溫緩慢上升至34℃左右后趨于穩(wěn)定。至此，水導(dǎo)瓦磨損的問(wèn)題得到了解決。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文根據(jù)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，查找了白石水電站3號(hào)機(jī)組水導(dǎo)瓦嚴(yán)重磨損的主要原因，對(duì)水導(dǎo)軸承不合理結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析和論證，采取了切實(shí)可行的新工藝和技術(shù)改造措施，增加了軸瓦上油量，通暢了油潤(rùn)滑系統(tǒng)，嚴(yán)格打瓦、研瓦和刮瓦流程，徹底解決了水導(dǎo)瓦嚴(yán)重磨損的問(wèn)題，技術(shù)改造后結(jié)果顯示，白石水電站3號(hào)機(jī)組運(yùn)行安全、穩(wěn)定。