燈泡貫流式機組槳葉銅套國產化研究

楊鎮瑋，尹貴恒，石 為

（1.五凌電力有限公司近尾洲水電廠，湖南 衡陽 421127；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

近尾洲電廠機組為奧地利安德里茨公司整套進口設備，水輪機為VAMCE公司生產，水輪機型號：VAMCE KR4/63，水輪機為卡普蘭結構，4片槳葉，轉輪無油重58.37 t，直徑為6.3 m。輪轂為整鑄球形，直徑為Φ2 394 mm，輪轂比為0.38, 材質為GS20Mn5。輪轂的作用主要用來安裝槳葉與槳葉操作機構。槳葉、樞軸及枴臂通過槳葉連接螺栓及定位銷連接在一起，槳葉接力器油缸通過雙聯板與枴臂相連接，槳葉接力器為缸動式，運行過程中通過缸動帶動枴臂動作，從而操作槳葉動作。

1 設備狀況簡介

1.1 槳葉銅套運行、檢修情況

近尾洲電廠機組自投運以來運行正常，各項運行參數無異常。2011年8月22日在1號機組檢修中檢查發現槳葉操作機構雙連板圓柱銷的8個定位螺栓M20×50 mm剪斷6個。2012年1號機組進行首次A級檢修，檢修中發現槳葉樞軸自潤滑軸承（銅套）及槳葉雙聯板自潤滑軸承（銅套）磨損均較嚴重，對自潤滑軸承（銅套）進行更換處理；測量槳葉樞軸L型銅套1132D，發現2號、3號、4號槳葉樞軸銅套有3點方向磨損稍偏大，總體間隙符合圖紙要求，局部超標。槳葉樞軸L型銅套1132D高度測量正常。廠家技術人員給出意見，無需更換，可再運行1個A修周期。電廠、工程公司、監理等現場結合廠家意見會商后，未對L型銅套1132D進行更換。

1.2 水輪機輪轂異響情況介紹

1號機組自2000年12月投產至2019年，運行已達19年，運行時間達到10萬h以上。2019年8月，專業人員在現場巡視過程中發現1號機組滑環處有輕微異響,在反復排查確認不是碳刷、滑環造成，后經分析初步判斷為轉輪處異響沿操作油管傳至受油器，后對1號機組盤車發現水輪機輪轂內有異常響聲。

1.3 輪轂異響情況分析

針對輪轂異響這一現狀，對其產生原因進行討論與分析，其原因主要有以下3點。

1.3.1 樞軸竄動較大引起異響

銅套磨損一般分為跑合磨損、穩定磨損及劇烈磨損等3個階段。2012年檢修時槳葉L型銅瓦磨損量較小，未進行更換。2012年土谷塘投產后使我廠上游水位降低，運行水頭較低，同負荷下導葉槳葉開度變大，水推力增大，導致樞軸局部受力，造成L型銅瓦徑向基推力面局部磨損，使得銅套磨損加劇，從穩定磨損步入劇烈磨損階段。

解體前對枴臂與止推面的局部（約1/4圓周）磨損測量在0.45～0.50 mm，并且根據數據分析樞軸與銅瓦間隙在0.16～0.34 mm，我廠槳葉竄動量廠家未給設計標準，參照與我廠設備類似，同廠家生產的飛來峽電廠設備設計竄動量為0.15～0.20 mm，樞軸與銅瓦設計間隙為0.17～0.24 mm，按此標準我廠的竄動量已超標，間隙值也有部分超標現象，由此分析1號機組轉輪異響可能由于樞軸偏磨導致偏擺及竄動引起。

1.3.2 輪轂供油管與操作油管中管不同心引起異響

咨詢各多個設備制造廠專家，對于投運時間久的機組，長期運行磨損積累導致輪轂供油管與操作油管中管不同心會引起輪轂供油管限位支撐與中管出現摩擦憋勁現象，也會導致運行過程中有異響沿操作油管傳至受油器處。

1.3.3 槳葉操作機構摩擦引起異響

現場檢查雙聯板中間限位套內壁有磨損，雙聯板兩端連接銷軸與銅瓦配合總間隙間隙存在局部超標（測量數值為0.12～0.27 mm，設計間隙0.036～0.16 mm），可能導致雙聯板徑向擺動，使限位套內壁與螺桿進行摩擦，造成限位套內壁磨損，并引起異響。

結合目前設備解體與檢測數據來看，槳葉L型銅套磨損造成樞軸竄動較大引起異響的可能性大，對受油器及其操作油管立即開展測量與排查。雙聯板兩端連接銷軸與銅瓦配合總間隙間隙雖然局部稍超標，造成異響可能性小。

2 水輪機槳葉銅套問題解決方法

2.1 槳葉銅套情況介紹

近尾洲機組的槳葉轉臂與輪轂間的轉動摩擦副中,設計布置有銅合金制成的L銅套；槳葉軸與輪轂間的滑動摩擦副中, 設計布置具有銅合金制成滑動墊板；雙聯板與銷軸間的滑動摩擦副中，布置有德國DEVA公司的BM系列雙金屬復合銅套，該銅套厚度為3 mm，基材為2 mm厚的不銹鋼，在不銹鋼基材上通過特殊工藝上燒結有1 mm的含有石墨等固體潤滑劑的銅合金粉；在槳葉樞軸與輪轂的滑動摩擦副中，同樣布置有德國DEVA公司的BM系列雙金屬復合銅套，該銅套厚度為5 mm，基材為3 mm厚的不銹鋼，在不銹鋼基材上通過特殊工藝上燒結有2 mm的含有石墨等固體潤滑劑的銅合金粉。每片槳葉的導向環（即槳葉密封）采用2道U型橡膠密封背靠背安裝保證對外防水、對內防油滲漏的目的。

2.2 水輪機槳葉銅套改造分析

按照原廠家維護手冊中運行6～8萬 h需要對機組槳葉軸瓦進行檢查測量，并對磨損超標的軸瓦進行更換，因電廠無相關軸瓦備件，一旦槳葉軸瓦出現故障無備件更換，將嚴重影響機組安全穩定運行。經咨詢設備廠家，槳葉軸瓦進口備品價格較高，目前國內與ENLIN公司合作制作加工相關備品備件的廠家技術質量滿足相關要求，在保證質量要求的前提下，綜合考慮成本因素，有必要對機組槳葉軸瓦進行國產化改造。

考慮成本造價、生產周期和設備國產化需要，國內燈泡式機組水輪機等主設備大多參考歐洲先進設計標準和圖紙參數，缺少水輪機模型設計、試驗核心數據，在重要部件結構強度、材料力學參數、安全系數選取等方面距離國外同行仍有較大差距。加之我國各級電網調度規定、要求不盡相同，需要水電技術人員不斷摸索、總結經驗，結合當地調度、運行特點進一步優化機組結構設計。

2.3 槳葉銅套加工驗收及技術要求

通過對進口槳葉銅套進行成分分析，在國內通過招投標，選擇最能實現與原廠槳葉銅套成分接近的投標單位，進行生產國產化的槳葉銅套，在鑄造過程中，對槳葉L型銅套、槳葉接力器缸體銅套等錫青銅鑄件，材料使用CuPb5Sn，按原錫青銅配方比例進行加工生產，鑄造工藝宜選用離心鑄等先進工藝，來確保產品質量。

2.3.1 主要驗收要求

（1）槳葉L型軸套更換后公差值符合圖紙要求（或電廠提供公差值），如果槳葉L型軸套不需要更換，新加工槳葉L型銅套（安裝前）的內徑須單邊預留2 mm的加工余量（即新加工銅套的實際內徑比設計值小4 mm），或者根據實際情況協商確定。

（2）銅套加工完后，應進行銅套UT探傷，并提供檢測報告。

2.3.2 主要技術要求

（1）新加工槳葉接力器缸體銅套單邊預留一定的加工預留，待機組A修時，根據缸體軸承孔及短軸測量尺寸在加工工廠進行精加工，在電廠現地進行安裝，安裝采用冷裝方式（液氮或干冰），加工時必須由熟練的車工進行操作，加工后去除表面毛刺，表面粗糙度不超過1.6 μm。

（2）銅套嚴格按圖紙加工（或電廠現存備品的外形尺寸）生產，公差、材料均需符合圖紙及標準要求；銅套到廠需提供理化試驗報告（包含材料成分、硬度、屈服強度、抗拉強度、伸長量）、精加工后表面UT檢測報告，及尺寸檢驗報告；材料成分檢測需在毛胚中取樣，每個鑄件均需取樣；提供3個銅樣，由具有資質的第三方機構進行理化試驗復測。

（3）銅套鑄造需嚴格控制元素，金屬成分比例及機械性能需符合相應的德國DIN標準；鑄造過程中防止成分偏析、鑄造缺陷，應無超標缺陷。

（4）我廠槳葉竄動量廠家未給設計標準，參照與我廠設備類似，同廠家生產的飛來峽電廠設備設計竄動量為0.15～0.20 mm，樞軸與銅瓦設計間隙為0.17～0.24 mm。

2.4 槳葉銅套的更換

2.4.1 槳葉銅套更換的重點難點

由于銅套外徑與輪轂孔為過盈配合，一般采用冷卻的方式進行安裝。當銅套冷卻后恢復過程中，內徑因輪轂孔對銅套的壓縮會變小，因而如在工地進行安裝，需對輪轂孔、槳葉軸等尺寸進行詳細測量，根據圖紙定出合適的銅套外徑尺寸，并根據銅套內徑安裝后的壓縮量來確定內徑尺寸。由于銅套為軟金屬、制造過程無法保證完全的圓度，因而在冷卻復原的過程中有快有慢，導致銅套內孔會出現不圓度，此不圓度與銅套的壁厚、過盈量存在很大關系。壁越厚，復原的過程中反作用力能均勻傳遞，其圓度越好；過盈量越小、反作用力越小，其圓度越好。

咨詢原ENLIN公司北京水輪機設計部專業人員，由于銅套壁太薄，廠家設計時沒有考慮在電廠進行安裝的方式，其要求不得在工地進行安裝，應送工廠進行安裝。一旦在電廠安裝后，圓度無法得到保證，銅套的磨損會較快，同時水輪機組振動會較大。咨詢相關的改造廠家,廠家提出因壁薄和過盈量較大圓度無法保證，其以往改造經驗，對于薄壁銅套安裝后需進行刮瓦工序，且刮瓦的工作量將較大，現地雖可開展相關的安裝工作，但是一般不推薦采用現地安裝方式，安裝后銅套的前期磨損較快，銅套的壽命相對較短，壽命一般在5年以內。

由于槳葉L型銅套外形尺寸較大、壁薄，現場安裝難度大，需要有一定安裝經驗的專業技術人員和專用工具才能實施，因而討論決定將輪轂返廠進行安裝。

2.4.2 槳葉銅套更換過程

槳葉銅套更換項目主要涉及輪轂、槳葉接力器缸體等解體、更換槳葉銅套以及裝復等重大項目。槳葉銅套更換主要工藝流程包括：泄水錐拆除——槳葉接力器缸體拆除——槳葉樞軸拆除——槳葉拐臂拆除——槳葉樞軸銅套更換——活塞缸與連桿機構、拐臂裝配——連桿、樞軸與轉輪體組裝——組裝槳葉接力器缸體——接力器耐壓試驗——組裝泄水錐——整體試驗和驗收。

2.4.3 槳葉銅套更換后設備狀態

更換新的槳葉銅瓦，并在精加工階段，嚴格按照竄動量設計標準0.15～0.20 mm控制，檢修后槳葉竄動量實測在0.15 mm左右，機組檢修完畢運行過程中異常聲響消失。

如今對槳葉銅套技術的革新成果及流程的專業化、規范化有了長足的進步，這對于解放生產力，提高生產效率，減少事故發生有著重要的作用，對我國槳葉銅套的發展有著重要的意義。

3 總結

防止設備缺陷的發生，最重要是從設備制造、采購、安裝著手，各個技術環節上層層把關，將因制造、 設計而產生的缺陷逐步消除。應建立完善設備技術管理機制，通過技術監督、設備檢修，設備巡視等各種有效技術手段，及時了解設備健康狀況，分析設備劣化趨勢，做到設備事故提前預防。

隨著時代的進步以及生產力的大幅提升，槳葉銅套的制作工藝也有了翻天覆地的變化。為了進一步提高我國槳葉銅套的發展，文中對槳葉銅套發展過程中產生的磨損、更換、鑄造過程中的細節操作等問題進行了分析，并提出相應的合理化建議。在槳葉銅套技術革新方面，也提出了一些技術上改進和成果。

隨著時代的進步和生產力的大幅度提高，槳葉銅套的制造工藝也煥然一新。 為進一步完善我國槳葉銅套技術的發展，分析了槳葉銅套在運行過程中出現的磨損、更換、材料選擇等細節作業步驟中的問題，并提出了相應的合理化建議。 在槳葉銅套的技術改造中，提出了一些技術改進和成果。