燈泡貫流式機組正推力瓦巴氏合金脫落原因分析及對策

韓笑偉

（廣西長洲水電開發有限責任公司，廣西 梧州 543002）

燈泡貫流式機組正推力瓦巴氏合金脫落原因分析及對策

韓笑偉

（廣西長洲水電開發有限責任公司，廣西 梧州 543002）

針對廣西長洲水電廠燈泡貫流式機組正向推力瓦巴氏合金脫落問題，通過相關試驗分析其原因后，采取了多種積極有效的對策，并更換推力瓦，經5年多運行，推力瓦溫度穩定，機組運行各項指標良好，安全穩定。

燈泡貫流式機組；正向推力瓦；巴氏合金；脫落；對策

1 概況

廣西長洲水電廠自2007年12月投運以來，燈泡貫流式機組除5#機外，均已出現正向推力瓦開裂的問題，經現場了解確認，反向推力瓦沒有發生過開裂脫落現象，個別損傷的是由于正向推力瓦脫落鎢金塊劃傷反推瓦面導致的。

2 原因分析

2.1 推力軸承部分剛度分析

正向水推力作用下推力部分強度及變形計算結果：鏡板最大綜合應力僅為39 MPa。不考慮轉子的質量，推力軸承支架的第一階軸向固有頻率為124.843 Hz。考慮轉子的質量，推力軸承支架的第一階軸向固有頻率為28.6 932 Hz。

其中，水輪機葉片數Z=4；額定轉速nN＝75 r/min；軸向振動應避開 ω1±20%ω1=4～6（Hz）；可以得出軸向振動滿足要求。

從表1可知：推力軸承各部件綜合應力均較低，滿足強度要求。推力支架軸向固有頻率振動避開了干擾頻率，滿足振動要求。

2.2 機組振動擺度分析

3#機組8 m試驗水頭下軸向振動測試結果見表2、3。

表1 水輪發電機推力軸承正向推力作用計算結果表

表2 3#機組振動、擺度測試數據 μm

從表2可以看出：在啟停機工況以及變負荷工況下，3#機組水導、發導的振動和擺度值均在正常范圍內，除了啟停機工況外，沒有出現明顯的變化。

從表3可以看出：機組在開機過程中，主軸串動量達到1.3 mm，空轉工況下，串動量由1.3 mm下降到0.85 mm，在空載工況下，主軸串動量為1.42 mm，由于渦流傳感器預留間隙偏小，導致在變負荷過程中主軸串動量沒有采集到。在停機過程中，主軸重新回到原位；同時，正推力瓦座的軸向變形趨勢與主軸串動量基本保持一致，在變負荷試驗過程中，最大變形量在0.35 mm左右。

表3 3#機組軸向振動測試數據 μm

在機組啟停機及變負荷過程中，從波形上沒有看到明顯的突變，說明不存在推力瓦受到撞擊的可能性。因此，峰峰值的大小與主軸的軸向串動量、正推力瓦座的軸向變形量無關。

2.3 推力瓦巴氏合金材料鎢金化學成分和金相組織分析

為驗證軸瓦所掛鎢金材料是否符合要求，現場收集了2#、3#機的軸瓦脫落的鎢金塊進行了化學成分析和金相組織的檢驗。結果：2#機鎢金成分完全滿足標準要求，3#機鎢金材料中銅元素含量低于標準值；2#機和3#機的鎢金金相組織正常，相組成均為錫銻銅三元合金Cu6Sn5+SnSb+α顯微組織。

通過對鎢金化學成分的分析和金相組織的分析，發現兩臺機組的鎢金化學成分正常（3#機組鎢金Cu元素含量略低，但不會對鎢金的性能指標產生較大影響），金相組織正常，鎢金層的脫落不是鎢金原材料的原因造成的。

2.6 推力瓦的支撐受力部件剛度分析

推力瓦的撐受力部件（如軸承支架、正向推力軸承殼）剛強度低，固有頻率未避開干擾頻率（與水輪機轉頻相關），導致共振，致使瓦受脈振力，使鎢金層出現疲勞斷裂。正向推力軸承的主要支撐部件是軸承支架及正向推力軸承殼，功能相當于立式機組的負重機架，640 t推力負荷最大允許變形 2 mm，目前計算最大軸向（受正推力時）組合變形產生的軸向位移為0.57 mm（軸承殼內圓處），正推支撐分布圓處軸向位移為0.51 mm，正向推力軸承殼相對變形計算值為（0.51-0.3）＝0.21 mm，與實測值0.35 mm基本吻合，考慮轉子的質量，推力軸承支撐的第一階軸向固有頻率為28.6 932 Hz，不會引起共振。通過現場測試數據來看基本與計算值相符。所以不存在正向推瓦受力支撐部件剛度不足及變形過大的問題，也不存在共振現象。

2.7 推力瓦脈振分析

通過實測，各種工況負荷下機組的振動、擺度均在允許范圍，實測推力軸承殼的振動輻值及振動頻率也在標準范圍內，所以此項原因也不成立。

2.8 鎢金材料密實度及承壓能力分析

前期投運的 1#、2#、3#機組瓦損壞比較嚴重，曾請第三方進行過檢驗，結論：鎢金密實度較差是損壞的主要原因，鎢金澆濤工藝控制不好，鎢金原材料不達標，均可造成澆鑄后鎢金材料的密實度較差，承壓能力低，不能滿足長期在水推力載荷的壓力，出現壓碎現象。

2.9 各推力瓦受力均勻情況分析

機組軸承結構正推瓦受力調整及12塊正推瓦形成的承載面與鏡板平行度的調整的安裝藝工求較高，各瓦受力的均勻性需嚴格控制。從2009年12月拆3#機的照片可以看出有受力不均的情況存在，有的瓦開裂，有的未裂。安裝時各瓦調整不均勻、安裝質量不高，使受力不均是造成瓦鎢金脫落原因之一。

2.10 鎢金與鋼制瓦坯表面的結合力分析

鋼制瓦坯原材料在冶煉過程中會夾有少量氫，特別是采用電爐工藝冶煉的鋼材含氫量會更高些，如果不采用熱處理去氫工藝，機組運行時瓦溫升高，瓦坯鋼板中的氫釋放，使鎢金與鋼制瓦坯表面的結合力不好，長期在水推力載荷的壓力下，致使鎢金在受力高的區域（靠近瓦邊緣處）容易開裂。

2.11 推力瓦潤滑參數設計合理性分析（見表4）

表4 哈電、東電、天阿正向推力瓦設計參數匯總比較表

通過表4統計分析：哈電機組的參數除周向偏心率外均在東電和阿爾斯通之間，合適的偏心值選取有利于提高出油邊的最小油膜厚度，降低出油邊的最大油膜壓力，可提高推力瓦的承載能力，經對周向偏心率7%時比10%時比較計算，7%時承載能力稍稍好一些，但參數基本相同，區別不大，對瓦的溫升影響較小，從現場瓦的運行實測溫度來看溫度并不高，在50℃左右。哈電公司生產的推力瓦的潤滑計算考慮瓦的機械變和熱變形，同時考慮鏡板的機械變形和熱變形，計算后的最小油膜厚度為30.2μm，滿足設計規范的要求。瓦局部開裂損壞后，機組仍可運行，瓦溫未出現明顯升高，從實際運行來看推力潤滑參數選取不高，且有一定的裕度。

推力軸承殼的銷釘孔是過盈配合，銷釘需按裝配圖中尺寸要求冷凍在推力軸承殼上，如果銷釘冷凍到軸承殼內過深，就會導致推力瓦擺動不靈活，瓦的活動受限，使瓦受力不均勻，使瓦的出油邊受力條件惡化，長期運行后導致正推瓦高受力區的邊緣鎢金開裂。

3 對策

（1）提高機組推力瓦的安裝質量，在正推瓦受力調整時，機組定子、轉子平均磁力中心線符合要求后，方能進行推力軸承受力調整。先在正推力瓦背的4個角與推力支撐之間臨時固定4個頂絲，用頂絲將正向推力瓦貼在正推鏡板上，調整、檢查各正向推力瓦與鏡板的接觸情況，確保其接觸良好；旋轉調整板，使支柱螺釘頂上正推力瓦；在使用頂絲時和調整支柱螺釘時要保證主軸不能產生軸向位移，鎖定板上位移偏差在1 mm以內為合格；

（2）推力瓦受力調整時，應注意使各塊推力瓦受力均衡，防止個別推力瓦受力過大，反推瓦處理時，也要保證瓦面與鏡板的垂直度，安裝中注意調整各塊瓦的檢測、處理，使反推瓦與鏡板的間隙均勻。鏡板返廠處理，恢復鏡板工作面表面光潔度；

（3）當推力瓦進油邊及中部大面積磨損時，說明推力瓦啟動性能不良或承載能力較低，不能很快形成油膜或沒有足夠的油膜厚度。在校核推力瓦周向偏心率設計值及實際值后，根據計算與經驗可酌情提高推力瓦偏心率；

（4）除了在設計、制造上針對推力瓦熱變形及機械變形采取雙層瓦及水冷瓦結構等措施外，采取在推力瓦“中間帶”特殊刮低0.02-0.03 mm可以有效抵消推力瓦部分機械變形，提高推力瓦使用壽命；

（5）清洗、除銹和去除毛刺，在刮瓦前要對軸承進行除銹和除去毛刺并進行清洗。特別注意要對推力軸瓦組合面和軸承的支承結合面進行小心處理；

（6）瓦面有2個環油室，其中心距大小選擇合理與否，對推力軸承影響較大。油室中心距、油室深度適合，可增加油室中部進油量；

（7）提高油冷卻器的冷卻效果。在可能條件下，提高冷卻水壓力、增大水流量、改進冷卻器結構、增強冷卻效果、改變油的循環；

（8）在雙層瓦結構中，學習日立公司將薄瓦制成梯形斷面，將進油邊的瓦背倒角，托瓦設計冷卻油溝，使邊界層油引向托瓦周向冷卻油溝，冷卻托瓦的上表面，減少托瓦的熱變形，增加承載能力，減少變形摩擦；

（9）對軸線調整，調整導軸承瓦隙，消除水力不平衡、磁拉力不平衡、機械受力不平衡力及壓力脈動等引起的機組受迫振動及共振；

（10）解決推力軸承甩油問題，在旋轉件內壁加裝擋油環，在旋轉件與蓋板間設迷宮槽加多層密封圈加強密封性能。并將轉子高壓區的氣流引向擋油管下部，使上下壓力均衡，外甩油可在推力油槽蓋板通過呼吸孔使內外壓力趨于平衡；

（11）增加通風降溫設備，在天氣炎熱時，環境對機組影響很大，為了保證機組正常運行，想方設法保持機組運行環境在適宜溫度；

（12）更換潤滑油并檢測油器質量，用符合標準的油進行更換。并對潤滑油管路重新清洗，去除焊渣、雜質，同時對潤滑油過濾器和冷卻水冷卻器進行清洗，提高冷卻效果。

4 結語

通過以上試驗和原因分析后，采取了多種積極有效的對策，并經更換推力瓦后。機組運行5年多，推力瓦溫度穩定，機組運行各項指標正常，滿足電站各種運行工況。證明采取的措施正確有效，其經驗可供類似工程參考。

（責任編輯：周 群）

Analysis of causes and countermeasures for Babbit peeling from thrust segment of bulb turbine generator units

HAN Xiao-wei
(Guangxi Changzhou Hydropower Development Co.,Ltd.,Wuzhou 543002,China)

The bulb turbine generator units of Guangxi Changzhou Hydropower Project had seen peeling of Babbit from thrust segments.Countermeasures were put forward after test and analysis of the causes.The units have operated safely and stably for more than 5 years after the thrust segments were replaced,with stable segment temperature and favorable operating indexes.

Bulb turbine generator unit;thrust segment;Babbit;peeling;countermeasure

TK730.32

B

1003-1510（2016）06-0048-03

2016-09-28

韓笑偉（1982-），男（壯族），廣西都安人，廣西長洲水電開發有限責任公司助理工程師，主要從事水電廠維護運行管理工作。