水轮发电机组弹性金属氟塑料推力瓦磨损分析.doc

水轮发电机组弹性金属氟塑料推力瓦磨损分析巩志生1 ,李成家2(1 . 青海电力试验研究所 ,青海 西宁 810008 ; 2 . 西北电力试验研究院 ,陕西 西安 710054)摘 要 :通过对水轮发电机组弹性金属氟塑料推力瓦的检测 、分析与研究 ,得出了弹性金属氟塑料瓦磨损的主 要原因 即镜板粗糙度 、硬度不符合规范要求 ,提出了相应的处理措施 ,可有效地保证机组的安全与稳定运行 。关键词 :水轮发电机组 ;中图分类号 : TM312弹性金属氟 ; 塑料推力瓦 ; 磨损文章编号 :1006 - 8198 (2004) 02 - 0020 - 04文献标识码 :ATurbo Generators Flexible Metal Fl uorine Pla st icThrust Segment WearingGON G Zhi - sheng ,L ICheng - jiaAbstract : Through detecting , analyzing and st udying t he flexible metal Fluorine plastic t hrust segment of t urbo gen2 erator , t he paper expounds t he main reaso n of t he t hrust segment wearing , t hat is t he roughness and hardness of mirror surface cant accord wit h t he standard requirement , also t he paper p roposes t he relevant solving met hod , andit can effectively ensure t he safe and stable operatio n of t he unit s.Analysis ofKey words : Turbo generator unit ; flexible metal fluorine ;Plastic t hrust segment ; Wearing的国家 ,第 1 台青铜丝弹性金属氟塑料瓦于 1974 年投入运行 ,经过 3 年多的试运后 ,发现弹性金属 氟塑料瓦与巴氏合金瓦相比具有一系列的优越性 能 ,可显著地提高推力轴承的可靠性 ,解除机组和 推力轴承在运行方式方面的限制 ,可取消强迫润 滑油系统 ,可减轻制动块的磨损和对发电机组的 污染 。由于以上优点 ,在全国很快推广应用 ,仅十 几年的时间 ,将 55 座水电站的 300 多台水轮发电 机组推力轴承的巴氏合金瓦都改换成弹性金属氟 塑料瓦 。据统计资料报告 , 自从换装为弹性金属 氟塑料瓦后 ,由其引起的事故降到了最低限度 ,如 前苏联 1969 年安装在伏尔加河电站 4 # 机组的弹 性金属氟塑料瓦至今仍在正常运行 ,而且从来没 有刮研 、维修过 。我国自 1987 年 开 始 研 制 塑 料 瓦 , 1989 年 研 制出青铜丝弹性金属塑料瓦 ,第 1 套 100t 级的塑 料瓦于 1990 年安装 于 福 建 省 船 场 溪 水 电 站 12 .5M W 水 电 机 组 上 获 得 成 功 。1992 年 又 为 新 安前言推力轴 承 是 水 轮 发 电 机 组 中 的 一 个 关 键 部 件 ,它的作用是用来承受整个水轮发电机组转动 部分的重量和轴向水推力 ,使整个机组保持平稳 与安全运行 。推力瓦是推力轴承中承受轴向荷载 的最主要的固定部件之一 ,一般做成扇形分块式 。 推力轴承瓦分为巴氏合金瓦和弹性金属氟塑料瓦 两种 ,早期的推力瓦大多采用巴氏合金瓦 ,由于巴 氏合金瓦具有以下缺点 :1) 检修时需刮研瓦面 ; 2) 承载能力低 ;3) 运行温度指示值高 ; 4) 需高压油顶 起装置 ;5) 投入制动的转速高 ( 35 %ne) 等 。近年 来出现的弹性金属氟塑料瓦克服了巴氏合金瓦的 上述缺点 ,从而大大提高了设备运行的安全可靠性 。0国内外现状前苏联是最早研制和应用弹性金属氟塑料瓦1作者简介 :巩志生 (1967 - ) ,男 ,青海乐都人 ,工程师 ,主要从事水轮机试验工作 。江 、石泉水电站生产了 700t 级塑料瓦 。石泉水电站换上 塑 料 瓦 后 , 当 机 组 出 力 由 45M W 提 高 到50M W 时 ,塑料 瓦 平 均 瓦 温 为 44 . 3 , 最 高 瓦 温 为 46 。当带负荷 48M W 时 ,推力轴承冷却器全 断水 2 h 后 ,平均瓦温为 56 , 最高为 63 , 顺利 地解决了该水电站机组提高出力运行的问题 。在 国 内 研 制 弹 性 金 属 氟 塑 料 瓦 的 同 时 , 从1991 年起 ,我国还从俄罗斯引进了一批弹性金属 塑料瓦 ,分别安装于龙羊峡 、丹江口 、葛洲坝 、李家 峡 、安康等水电站 ,这对推动国内弹性金属塑料瓦的研制及推广应用也起到了促进作用 。料层的融化 ,青铜丝层外露 ,旋转摩擦产生高温 ,造成恶性循环 。此外 ,塑料瓦烧损后 ,青铜丝层与 镜面直接摩擦 ,易严重损坏镜面 。4) 水头较高 、导叶漏水量较大的水轮发电机组 ,采用塑料瓦后 ,会造成停机困难 。水轮发电机组推力瓦存在问题弹性金属氟塑料瓦尽管具有诸多优点 ,但在 运行中也出现了许多问题 ,无论是俄罗斯还是国 内生产的塑料瓦都曾出现轴瓦面层开裂现象和烧 瓦事故 。例如 ,安康电厂水轮发电机组的推力瓦 。安 康电厂 200M W 水 轮 发 电 机 组 由 东 方 电 机 厂 制 造 ,推力轴承原采用双层瓦 、液压支柱式结构 。12 个弹性油箱间油路互相连通 ,以保证轴瓦受力均 匀 。轴承冷却采用外加泵外循环冷却方式 。推力 瓦内钻有 6 道径向通孔 ,以加强轴瓦的冷却和减 少热变形 。为了保证轴承在机组起动及停机过程 中安全运行 , 设有高压油顶起装置 。轴瓦原采用 巴氏合金瓦 ,1994 年改为从俄罗斯引进的弹性金 属塑料瓦 。弹性金属塑料瓦投入运行后 ,瓦面磨损速度 很快 (据电厂人员介绍 ,其中某台机组的推力瓦在 一个大修周期内其 0 . 20 mm 的测量圆已被磨平) , 大大超过标准要求 ,已威胁到机组的安全与稳定 运行 。调研表明 , 国内大多数采用弹性金属氟塑 料瓦的 电 站 均 普 遍 存 在 瓦 面 磨 损 速 度 过 快 的 问 题 ,许多电站发生过塑料推力瓦烧瓦事故 ,经济效 益损失巨大 。因此 , 通过对安康电厂水轮发电机 组弹性金属氟塑料瓦进行分析与研究 ,以找出普 遍原因 ,达到避免运行事故的发生 ,保证机组的长期安全稳定运行的目的 。3弹性金属塑料瓦的特点22 . 1弹性金属塑料瓦的主要优点1) 在运行时能迅速降低摩擦区内接触压力 ,特别是主轴发生倾斜时尤为明显 ;2) 轴瓦可预先设计成有规定弹性的轴承 ;3) 在液体摩擦状态下 ,对轴瓦弯曲补偿能力 比巴氏合金瓦相对要大 ;4) 能保证明显的接触液体动力效果 ,包括有 较大的油膜厚度 ;5) 耐磨性比巴氏合金瓦大 2 . 53 倍 ;6) 摩擦系数小 ,是巴氏合金瓦的 1213 ;7) 有高度的减振特性 ,可降低转动部分传到 固定部分的振动 ;8) 耐 高 温 , 据 俄 罗 斯 厂 家 资 料 , 最 高 可 达260 。弹性金属塑料瓦的运行情况表明 ,它比钨金 瓦有很大的优越性 ,它不仅运行安全可靠 ,而且维 护检修方便 。同时 , 它的成功还在于从根本上改 善了轴瓦的运行状态 ,使其自调节能力增大 ,可靠 性提高 。2 . 2 弹性金属塑料瓦的缺点1) 寿命较短 。按有关文献介绍 ,弹性金属塑 料瓦的运行寿命为 4050 年 ,目前的运行情况表 明 ,瓦面磨损较快 ,很难达到预期寿命 。2) 制造质量难以保证 。弹性金属塑料瓦对其 材质 、瓦面形状 (包括进口边型线) 、粘贴工艺等都 有严格要求 ,而目前国内生产研制塑料瓦的厂家 比较多 ,质量 、技术水平也相差很大 。3) 严重烧瓦难以修复 ,且祸及镜板镜面 。塑料瓦万一发生烧损事故 , 速度极快 。原因在于塑分析与研究44 . 1 氟塑料的性能弹性金属氟塑料瓦是七十年代发明的高分子 复合材料在机械工程中的成功应用 ,其表面的氟 塑料一般 有 两 种 : 一 种 是 纯 聚 四 氟 乙 烯 , 呈 白 色 (如安康电厂推力瓦) ;另一种是改性聚四氟乙烯 , 呈灰色 (如石泉水电厂推力瓦) 。弹性金属氟塑料 瓦具有以 下 性 能 : a) 良 好 的 稳 定 性 ; b) 小 摩 擦 系数 ,且具有自润滑性 ;c) 承压能力强 ,无需刮研 ; d)t 磨损时间 ( s) 。实验证明 ,磨损系数 k 在有润滑条件下的数 值远远小于干摩擦情况下的值 。另外 , 当油膜厚 度小于推力瓦面与镜板工作面的合成粗糙度时 , k 值也增大 ,磨损加大 。磨损一般分为三个阶段 :跑合磨损阶段 、稳定 磨损阶段和剧烈磨损阶段 。在跑合磨损阶段 , 聚 四氟乙烯磨损较快 ,产生片状聚四氟乙烯磨屑 ,并 通过分子转移 ,表面形成比较稳定的固定润滑膜 ; 随后 ,磨损速度明显下降 ,并稳定到一个最小值 , 即达到稳定磨损阶段 ,开始正常磨损 ;随着工作时 间的增加 ,弹性塑料层不断减薄 ,当达到或接近金 属丝层时 ,磨损增大 ,达到剧烈磨损阶段 ,表明其 寿命已经达到终点 。现场检测结果表明 , 安康电 厂推力瓦目前基本处于稳定磨损阶段 。4 . 5 推力轴承润滑油的影响分析推力轴承的承载能力系数见下列公式 :对镜板工作面要求高 。4 . 2 镜板检测通过实际检测发现 ,安康电厂 2 # 机组镜板表 现粗糙度不满足 Ra0 . 4 的规范要求 ; 镜板工作 面硬度与其平均硬度之差虽然满足 200 的规范要求 。以上原因都将造成 镜板与推力瓦之间的摩擦系数增大 ,加快其磨损 速度 。4 . 3 瓦面检测安康电厂弹性塑料瓦中的 18 块瓦的表面出 油边上分别刻有 0 . 05 mm 、0 . 10 mm 、0 . 20 mm 深的 检测瓦面磨损情况的同心圆环刻度 3 处 ,从 1994 年新瓦投运至今运行 8 年 ,电厂在前几年的大修 检查中发现瓦面磨损量过大 ,所刻的圆形刻度已 基本磨 完 , 现 场 技 术 人 员 认 为 最 小 磨 损 量 为 0 .30 mm ,最 大 达 到 0 . 50 mm ( 国 标 规 定 : 初 期 运 行3000 h 的塑料瓦磨损量不超过 0 . 10 mm ,以后每 5 年不超过 0 . 10 mm) 。对安康电厂 1 # 水轮发电机 组推力轴承氟塑料瓦的检测表明 ,其推力瓦磨损 程度不均 :其中 1 # 、7 # 推力瓦的磨损量较大 ,测量 刻度环已磨完 ,说明其磨损量在 0 . 2 mm 以上 ,尤 其是 1 # 推 力 瓦 进 油 边 的 铜 丝 已 露 出 , 应 及 时 更 换 ,以防烧瓦及损伤镜板 ; 11 # 、4 # 推力瓦磨损量 相对较小 ,中测量刻度环仍有 2 3 环存在 ,表明 此处的磨损量不超过 0 . 05 0 . 1 mm 。磨损不均 匀有两个方面的原因 :1) 推力轴承受力调整不良 , 均匀度较差 ,使得每块瓦的承重不同 ; 2) 各推力瓦 的型线不完全相同 ,磨损慢的型线好 ,磨损快的型 线差 。4 . 4 磨损的过程分析 推力瓦的磨损一般分两种情况 : 1) 推力轴承在正常工况下处于液体动压润滑 ,摩擦副之间完 全由油膜隔开 ,轴承损耗由油膜层间摩擦产生 ; 2) 机组启动的最初和停机的最后一段时间 ,油膜接 近于零 ,轴承处于边界润滑状态 ,损耗由于摩擦产 生 。公式为 :W = k d pv t (1)式中 : W 磨损重量 ( N) ;k 磨损系数 ;d 磨损材料密度 ( kgm3 ) ;p 试验负荷 ( N) ;v 滑动线速度 ( ms) ;2W = Phmin(VL ) (2)式中 : P 推力瓦比压 (单位压强) ; hmin 最小油膜厚度 ; 润滑油的动力粘度 ;V 平均直径处的圆周线速度 ;L 推力瓦平均长度 (弧长) 。上式表明承载能力和油的关系很大 。当温度 过高时 , 下降较大 , 轴瓦热变形也将加大 , 因而 最小油磨厚度 hmin 将较 大 幅 度 地 下 降 , 引 起 承 载 能力的急剧下降 , 因此必须要控制进油温度 。因 此 ,安康电厂弹性金属氟塑料推力轴瓦的引进供 货技术协议中明 确 规 定 : 油 槽 油 温 不 超 过 40 。 电厂日常运行符合此规定 。润滑油长期使用后 ,会逐渐氧化变质而老化 , 并产生有害的酸性物质 ,其氧化物析出的沉淀物 将在油槽底部形成一层灰黑色泥状物质 。已变质 老化的油应当立即彻底更换 ,若仅替换部分新鲜 油 ,则混合油的性能不会改善反而会加剧其氧化 变质的速度 。对机组推力油槽底部的沉淀物取样分析 , 外 观为灰白色 、粘稠状 ,放在坩埚中烧结后成颗粒状 及块状 ,烧结过程中有塑料异味 ,可以排除沉淀物 为油质老化等原因 ( 老化后的沉淀物烧结后不会 凝结成形) ,基本确定沉淀物主要为磨损的氟塑料物 。同时 ,观察 1 # 机组的氟塑料推力瓦表面 , 有明显的唱片纹 。从公式 (2) 可看出 ,( 润滑油的动力粘度) 越 大 ,承载能力越低 ,而沉淀物和油槽中其它杂质增 加了油的动力粘度 ,从而引起承载能力的降低 ,甚 至进入镜板与推力瓦之间 ,嵌入瓦表面 ,增大了磨 损系数 ,加速了磨损程度 。因此 ,必须彻底清扫推力油槽及供油系统管道 ,及时更换合格的推力油 。4) 机组误启动造成低速运转等 。5 . 2 处理措施1) 处理镜板 ,使其达到标准要求 ;2) 大修中使推力轴承受力调整均匀 ,减少各 推力瓦的受力差别 ;3) 彻底清扫油槽及供油系统管道 ,更换合格 油 ;4) 避 免 误 启 动 等 低 速 运 转 工 况 的 时 间 和 次 数 ;5) 做好推力瓦的日常监测 。每次检修时对推 力瓦进行详细检查 ,当瓦上的刻度线磨平后 ,及时 补刻一组新的刻度线作为检查线 ,或用厚度测试 仪进行磨损厚度测试 ; 当有效厚度接近金属丝层 时 ,及时更换整个弹性金属氟塑料瓦 ,以防止烧瓦 事故的发生及损伤镜板 ,保证机组的安全与稳定运行 。结论55 . 1 非正常磨损原因1) 镜板未达到标准要求 ,造成其与推力瓦表 面摩擦系数增大 ;2) 推力轴承受力调整均匀度的差别造成同台 机组每块推力瓦的磨损不同 ;3) 推 力 油 槽 及 供 油 系 统 管 道 可 能 清 扫 不 彻底 ,造成油中杂质嵌入推力瓦表面 ;(上接第 19 页)料介绍 ,实测鸟粪电导率为 8000Scm , 此次试验 时模拟鸟粪电导率为 6400Scm 。2) 试验证明造成 330 瓷瓶串闪络的鸟粪粪量 要大于资料介绍的 110 kV 试验时导致闪络的鸟粪 量 17 ml 。而且瓷瓶串在干 、湿状态下由于鸟粪造 成闪络的粪便通道长度分别约 135cm 和 90cm 。3) 不加伞瓷瓶串绝缘子中心线与鸟粪水平闪 络距离在干 、湿状态下分别 14cm 和 33cm ,加伞 瓷瓶串干 、湿状态下均 27cm 。大于资料 介 绍 的110 kV 绝缘子串干状态下的 13cm 。4) 通过导电体模拟鸟粪形成长串