淺談水輪發(fā)電機(jī)軸承支柱螺栓磨損問(wèn)題處理

劉加將，郎梼，李兵

（四川華能康定水電有限責(zé)任公司，四川 甘孜 626000）

拉拉山水電站地處四川省甘孜藏族自治州巴塘縣境內(nèi)的金沙江一級(jí)支流，機(jī)組單機(jī)容量48MW,額定水頭212m，為立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組。2014年12月，2臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電，投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)機(jī)組均存在不同程度的支柱螺栓磨損問(wèn)題，每年磨損量達(dá)到0.2mm，給機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了較大風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)這一問(wèn)題，電站專(zhuān)業(yè)人員對(duì)支柱螺栓材質(zhì)進(jìn)行了金相分析，并采取一系列技術(shù)措施，成功解決了支柱螺栓磨損這一難題。本文對(duì)支柱螺栓磨損問(wèn)題原因進(jìn)行了分析，研究并介紹了拉拉山水電站對(duì)于這一問(wèn)題的處理方法，取得了良好的效果。

1 原因分析

造成支柱螺栓磨損的原因有多方面，本文從支柱螺栓本體材質(zhì)及結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，通過(guò)金相分析、力學(xué)性能試驗(yàn)等手段，從材質(zhì)本身找原因，并通過(guò)熱處理的方式進(jìn)行調(diào)質(zhì)，改變材料自身的力學(xué)性能。

1.1 尺寸檢查

為分析具體原因，首先，需要對(duì)上導(dǎo)軸瓦和下導(dǎo)軸瓦實(shí)際間隙值進(jìn)行實(shí)測(cè)，測(cè)量發(fā)現(xiàn)軸瓦間隙均存在不同程度的增加，每年平均增加約0.2mm，而支柱螺栓鎖固螺帽并未見(jiàn)松動(dòng)。其次，對(duì)支柱螺栓長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)量發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)度均出現(xiàn)不同程度縮短，每年平均減少量約0.19mm，通過(guò)上述檢查，可以確認(rèn)支柱螺栓確實(shí)存在磨損問(wèn)題。

1.2 金相分析

拉拉山電站支柱螺栓材質(zhì)為35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼,具有很高的靜力強(qiáng)度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，高溫下有高的蠕變強(qiáng)度與持久強(qiáng)度，長(zhǎng)期工作溫度可達(dá)500℃；冷變形時(shí)塑性中等，焊接性差。主要用于在高負(fù)荷下工作的重要結(jié)構(gòu)件，如車(chē)輛和發(fā)動(dòng)機(jī)的傳動(dòng)件；發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子、主軸、 重載荷的傳動(dòng)軸，大斷面零件，軸瓦支柱螺栓等，其主要化學(xué)成分如表1。

表1 35CrMo標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù) 單位：%

將上導(dǎo)軸承支柱螺栓及下導(dǎo)軸承支柱螺栓，各取2份試驗(yàn)做金相分析，結(jié)果如表2。

表2 式樣化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù) 單位：%

通過(guò)金相分析發(fā)現(xiàn)，支柱螺栓母材碳與鉻含量偏低，其它元素含量正常。碳是決定鋼的力學(xué)性能的最主要因素，當(dāng)含碳量＜0.77%時(shí)，隨含碳量的降低，鋼材強(qiáng)度降低，硬度減小，塑性、韌性增加。鉻是一種重要合金元素，隨著鉻含量降低，鋼材強(qiáng)度、硬度和耐磨性均降低，塑性和韌性增加。鉻還能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，是防銹和耐熱鋼的重要合金元素。

1.3 力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)

35CrMo鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度σb≥985MPa，屈服強(qiáng)度σs≥835MPa，莫氏硬度HM≤229HB。在上導(dǎo)軸承支柱螺栓和下導(dǎo)軸承支柱螺栓分別取2份式樣，式樣毛坯尺寸為25mm（支柱螺栓加工形成），測(cè)得式樣抗拉強(qiáng)度σb=1020MPa，屈服強(qiáng)度σs=846MPa，莫氏硬度HM=301HB（洛氏硬度32.1HRC）。從力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可以看出，該材料抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均在合格范圍內(nèi)，硬度較標(biāo)準(zhǔn)值高。通過(guò)力性能試驗(yàn)分析，支柱螺栓應(yīng)該是經(jīng)過(guò)了調(diào)質(zhì)熱處理，但熱處理效果并不理想，可能是冷卻介質(zhì)或回火溫度選擇不正確造成的。

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，拉拉山電站支柱螺栓采用的35CrMo材質(zhì)存在一定問(wèn)題，且支柱螺栓采用的熱處理方式不正確，導(dǎo)致螺栓強(qiáng)度、硬度偏低，進(jìn)而導(dǎo)致支柱螺栓球頭與支撐塊磨損，造成瓦隙增大，機(jī)組擺度增大。

2 處理方案

選取合格的35CrMo鋼材，首先，對(duì)母材材質(zhì)進(jìn)行金相分析，其參數(shù)如表3所示：

表3 新母材化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù) 單位：%

新選取的35CrMo鋼材化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，與舊材料相比，其含碳量及鉻含量明顯增加，材料強(qiáng)度及硬度在理論上應(yīng)該有明顯提升。

選擇合格的母材后，再按照支柱螺栓設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行加工，加工完成后，為提高支柱螺栓強(qiáng)度及硬度，需要對(duì)其進(jìn)行熱處理。因?yàn)榇舜螣崽幚淼闹饕康氖翘岣咧е菟ǖ膹?qiáng)度和硬度，故采用調(diào)質(zhì)處理。淬火后工件內(nèi)還存在內(nèi)應(yīng)力，故還需要進(jìn)行回火處理。調(diào)質(zhì)時(shí)，淬火溫度選擇為850℃，回火溫度選擇為500℃（溫度過(guò)高容易導(dǎo)致硬度大幅下降），冷卻介質(zhì)選用油。

對(duì)熱處理后的工件進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)得試驗(yàn)抗拉強(qiáng)度σb=1190MPa，屈服強(qiáng)度σs=895MPa，莫氏硬度HM=353HB（洛氏硬度38.1HRC）。對(duì)比支柱螺栓更換前后力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，更換后的支柱螺栓經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度、硬度有明顯提升，耐磨性在理論上應(yīng)該有明顯提升。

3 使用效果

拉拉山電站更換新支柱螺栓后，通過(guò)近3年觀(guān)察，新支柱螺栓球頭磨損量已較舊支柱螺栓明顯變小，通過(guò)實(shí)測(cè)磨損量約每年0.04mm。水輪發(fā)電機(jī)組的大修周期為4～8年，支柱螺栓能保證在一個(gè)大修周期內(nèi)磨損量不會(huì)超標(biāo)，已滿(mǎn)足電站設(shè)備使用需求。軸瓦支柱螺栓磨損問(wèn)題在其他電站也有類(lèi)似的情況發(fā)生，同樣面臨較大風(fēng)險(xiǎn)。支柱螺栓安裝時(shí)應(yīng)提前考慮磨損問(wèn)題，在機(jī)組瓦隙調(diào)整階段應(yīng)按照瓦隙下限值進(jìn)行調(diào)整，以保證支柱螺栓磨損后總瓦隙不超標(biāo)。

4 結(jié)語(yǔ)

支柱螺栓更換后，還應(yīng)加強(qiáng)運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)，做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)然，除本文中所述措施外，還有很多切實(shí)可行的措施(如更換支柱螺栓鋼材材質(zhì)，將支柱螺栓結(jié)構(gòu)改為楔子板結(jié)構(gòu)等)，電站的管理者要根據(jù)實(shí)際情況因地制宜地選擇，采取簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠的措施，確保電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。