紫蘭壩電站控制環抗磨板磨損分析與處理

李紅軍

（寶珠寺水力發電廠，四川 廣元 628003）

1 概況

紫蘭壩電站位于四川省廣元市境內，是嘉陵江支流—白龍江干流梯級開發流域中的最后一級。電站采用燈泡貫流式機組，總裝機容量102 MW（3×34 MW），年平均發電量約4.4億kW·h。電站水輪機型號為GZ(836)-WP-535，由東方電機股份有限公司生產提供，機組額定轉速136.4 r/min，額定水頭15.4 m。機組控制環為分半結構，總重量約11 t，主要是傳遞接力器力矩給導葉，控制導葉開關。導水機構由導葉內外配水環、導葉、連桿機構、控制環、重錘和左右對稱接力器等部件組成，導葉和拐臂是通過脹套連接，采用固定連桿和彈簧式連桿交替的結構（見圖1所示）。控制環直接放在導葉外配水環上，通過限位塊固定，控制環內側有弧形抗磨板,起徑向支撐、抗磨損的作用；軸向上、下游限位塊側面裝有平面抗磨板,起軸向支撐定位、抗磨損作用。

圖1 控制環

2 現象分析

紫蘭壩電站3 F機組停機后出現蠕動現象，機組蠕動會嚴重損害機組導軸承及推力軸承，長時間蠕動會導致機組燒瓦，嚴重影響機組安全穩定運行。檢修人員對機組檢查時發現控制環下部有抗磨板磨損銅粉，進一步檢查發現控制環抗磨板存在嚴重磨損，測量控制環和導葉外配水環之間間隙大于設計圖紙要求。

紫蘭壩電站3 F機組檢修期間發現：①檢查機組導葉間隙在規程范圍內，但部分導葉存在上下不均的情況，說明導葉存在一定的扭力壓迫；②測量控制環和導葉外配水環之間間隙明顯大于設計圖紙要求；③拆卸3 F機組控制環后進一步檢查發現控制環、抗磨板以及導葉外配水環圓周面磨損情況嚴重,上部控制環抗磨板磨損嚴重，但還未磨損至限位塊本體；下部控制環不僅抗磨板磨損掉，限位塊本體均磨損超過3 mm（見圖2所示）。

3 原因分析

圖2 抗磨板

（1）對導水機構進行力矩分析得知控制環在控制導葉動作過程受到多個力矩作用，左右接力器形成一對平衡力矩，關閉側的重錘或接力器與控制環安裝存在不同心，可能破壞接力器平衡力矩，導致控制環動作時與導葉外配水環接觸面間隙異常；另外控制環本體重量本身較大，其全部11 t重量壓在導葉外配水環上，破壞平衡力矩，使上部抗磨板受力大，摩擦力的增加導致上部抗磨板磨損嚴重；同時控制環與導葉外配水環間隙不均使得控制環轉動中心與機組中心出現較大偏差，導致控制環嚴重受力不均勻，進一步加速了徑向抗磨板的磨損，同時還會造成套筒軸套產生單面受力的效果，導葉的軸向水推力經拐臂、連桿傳遞給控制環一個斜拉力,在導葉外配水環運行過程中形成反推力和摩擦力,多個力屬異面匯交力矩,故合力大小方向總隨負荷調節的不斷變化而發生變化。因控制環本身受力變化較大的原因,對抗磨板的材質要求比較高,同時要求抗磨板本體是具有一定潤滑性能的合金材質，但現場檢查抗磨板發現其潤滑性能確實無法滿足機組運行的實際需求。

（2）抗磨板設計厚度較薄,無法滿足現場運行要求，導水機構由固定連桿和彈簧連桿相間連接，而彈簧連桿容易使控制環在運行過程中產生扭矩,抗磨板設計厚度僅為3 mm，設計厚度明顯偏薄，在摩擦力較大或控制環受力不均勻情況下較容易被磨損掉，不能滿足現場安全穩定運行要求。

（3）抗磨板材料本身的機械性能不夠。機組應采用具有自潤滑功能的抗磨板，抗磨板雖然為自潤滑材料,但潤滑性能不良，效果不佳，運行中沒有考慮外加潤滑油,在實際運行中,可能出現硬摩擦現象，摩擦面硬摩擦現象加速抗磨板的磨損現象。

（4） 因上部軸向抗磨板均出現嚴重磨損，控制環與抗磨板局部本身間隙超過0.1 mm，貫流式電站水頭變化較大，運行過程的水力不平衡，造成控制環振動增大，同時控制環轉動中心與機組中心本身就存在較大偏差，兩種因數疊加嚴重影響機組的運行狀態；同時導葉進水量不平衡導致機組水力不平衡，控制環受力不均，也造成機組振動增加，套筒軸套單邊受力，可能導致套筒漏水量增加，控制環各部件磨損也隨之增加。

（5）接力器垂直度不一致，經過測量兩個接力器垂直度相差達0.2 mm/m,在控制環轉動中心與機組中心不一致情況下，控制環與抗磨板局部間隙大于0.1 mm，同時接力器球軸承出現卡死現象，使軸向摩擦局部受力大，控制環抗磨板出現硬摩擦，加劇抗磨板的磨損。

4 問題處理

結合原因分析,根據現場實際情況,主要采取了以下措施：

（1） 控制環在原來的基礎上增加14對徑向限位塊,均勻布置在控制環上，增大控制環徑向受力面積,減小對導葉軸套、控制環抗磨板磨損。同時所有徑向和軸向抗磨板進行更換,調整控制環中心，保證控制環轉動中心與機組中心達到一致，減小控制環運轉的阻力，對新抗磨板螺孔逐一沖出與限位塊螺栓孔對應貼合的凹槽，用銅螺絲將抗磨板把合在限位塊上。并在兩端焊接兩個限位塊，保證限位塊不得高于抗磨墊。檢查新抗磨板無刮傷（擦劃）和焊渣燒燙坑，磨板緊固、無脫落。回裝已檢修好的限位塊，按設計要求調整復測限位塊之間的間隙均為64.13~64.27 mm，保證各抗磨板受力均勻。

（2）針對接力器腔可能存在串油現象，更換接力器更換活塞環及各部密封件，保證接力器運行可靠性。按照安裝說明書要求，在接力器開啟與關閉腔分別做8.8 MPa耐壓試驗，保壓30 min，檢查接力器缸蓋與活塞端蓋處應無滲漏現象，無機械變形；檢查接力器外觀無異常，動作靈活、到位，檢查各管路及閥門無滲漏現象。

（3）接力器壓緊行程調整，減少機組停機時漏水量。測量原接力器壓緊行程測量為左0.75 mm,右1.25 mm,壓緊行程不滿足設計要求。在未連重錘的情況下將導葉立面間隙調整合格后，將左右接力器與控制環進行連接。連接前通過調整接力器叉頭螺栓至合適長度，使得連接后不帶重錘測量左接力器活塞處于缸頂位置，右接力器活塞處于缸底位置。接力器與控制環連接完畢后，將重錘與控制環連接，通過旋轉接力器叉頭螺紋，調整接力器伸出長度。將右接力器活塞缸向上提10 mm，將左接力器向下放10 mm，調整完畢后將接力器螺帽鎖緊。重新調整接力器壓緊行程后測量：不帶重錘測量左接力器9.5 mm,右接力器10.3 mm，符合安裝說明書接力器壓緊行程7~11 mm要求。

（4）對控制環球軸承和拐臂球軸承進行檢修處理，及時更換磨損嚴重或不靈活球軸承，保證球軸承轉動靈活，提高控制環對導葉有效控制，降低套筒軸套磨損，更換因套筒軸套磨損而出現漏水軸套，減少套筒軸套單邊受力現象。

（5）對接力器球軸承進行檢查更換，保證即使兩個接力器垂直度不一致情況下，也能保證控制環抗磨板不與導水機構出現硬摩擦。

5 結語

紫蘭壩3 F機組檢修后效果良好，通過對紫蘭壩電站3 F機組控制環抗磨板磨損及接力器密封、壓緊行程等部件處理,解決了機組蠕動、控制環抗磨板磨損問題，達到預期效果，對處理同類型機組蠕動、控制環抗磨板磨損具有一定借鑒意義。