彈性金屬塑料瓦的運行與運行

彈性金屬塑料瓦的運行與運行

一、風(fēng)力軸承故障原因分析推擠軸是垂直發(fā)輪裝置的重要結(jié)構(gòu)，受主缸變量和自身壓力的所有重量和壓力。當今世界上最大的水電機組是我國哈爾濱電機廠及東方電機廠正在與國外廠家合作生產(chǎn)并將于二十一世紀初發(fā)電的三峽工程700MW(840MVA)水輪發(fā)電機組,其推力軸承承載能力近55MN(5500t)。傳統(tǒng)的推力軸承瓦面材料都用鎢金(亦稱巴氏合金,主要成分為錫、鉛、銅、銻)。隨著推力軸承負載的提高,推力瓦的直徑、面積、單位壓力、周速也就不斷增大,從而增加了瓦的壓力變形和溫度變形,變形過大時,瓦面局部單位面積壓力過大,油膜被破壞,摩擦發(fā)熱而溫度過高,瓦面鎢金燒損,推力軸承發(fā)生故障,機組不能運行。前蘇聯(lián)1956～1975年的20年中發(fā)生300起推力軸承停機故障,美國大古力電站600MW水輪發(fā)電機推力軸承于1981年8月發(fā)生燒瓦故障,我國烏江渡、龍羊峽、大化、葛洲壩、白山、漁子溪等電廠的大型水輪發(fā)電機鎢金瓦推力軸承曾發(fā)生多次燒瓦故障。避免推力軸承運行故障的主要途徑有:1.改進推力軸承的支承結(jié)構(gòu)和冷卻結(jié)構(gòu)以減少瓦的壓力變形和溫度變形。西方國家的水輪發(fā)電機制造廠家主要依靠開發(fā)多點支承結(jié)構(gòu)(如小彈簧簇支承、橡膠板支承、多托盤支承、平衡梁支承及多點可調(diào)螺絲支承等),以減少瓦的壓力變形,利用計算機以提高設(shè)計準確性,并且用幾十年積累的試驗和實際運行數(shù)據(jù)優(yōu)化設(shè)計,從而提高大型推力軸承運行的可靠性,因而西方國家的制造廠家還在使用鎢金瓦推力軸承。我國和前蘇聯(lián)在大型推力軸承中采用的液壓彈性油箱支承結(jié)構(gòu),尤其是我國采用的無支柱螺絲彈性油箱支承結(jié)構(gòu)能比較有效地減少鎢金瓦壓力變形,但世界各國的上述措施都還不足以徹底解決推力瓦的變形問題,因而仍存在推力軸承溫度偏高甚至燒瓦故障。西方國家、前蘇聯(lián)和我國都曾采用過水冷瓦,水冷瓦能有效地降低瓦溫和減少瓦的溫度變形,但因需增設(shè)潔凈的冷卻水源,長期運行后瓦內(nèi)水路難免堵塞以及油槽范圍內(nèi)可能發(fā)生的漏水問題而不受用戶歡迎。2.采用瓦面新材料以減少瓦的綜合變形。我國和前蘇聯(lián)致力于采用塑料瓦,以盡可能減少瓦的綜合變形。塑料瓦的瓦面層是聚四氟乙烯,在聚四氟乙烯層與瓦體之間用銅絲網(wǎng)層聯(lián)成整體。銅絲網(wǎng)層上部與聚四氟乙烯層下部咬合,下面與瓦體焊接。塑料瓦的作用和機理如下:塑料瓦的瓦面層(包括聚四氟乙烯層和銅絲網(wǎng)層)是彈性體,推力瓦面在運行時承受的壓力分布是中間大四周小的偏心饅頭形,因而瓦面層在運行中要出現(xiàn)較大的凹形壓力變形,瓦體在運行時的壓力變形和溫度變形(針對大多數(shù)支承結(jié)構(gòu),并且宏觀地看)是凸形的,瓦面層的凹形變形一部分抵消瓦體的凸形變形,另一部分則由塑料瓦制造過程瓦面加工的凸形型線來補償,從而使推力瓦在運行中瓦面的綜合變形最小,以避免推力軸承發(fā)生故障的主要因素,使推力軸承能夠安全運行。二、塑料瓦和環(huán)保金瓦之間的主要性能比較通過試驗研究和電站實際應(yīng)用,驗證了塑料瓦與鎢金瓦相比具有明顯的優(yōu)點,其主要性能對比參見表1。三、塑料瓦運行故障塑料瓦在我國從1991年1月開始投入運行,到1999年末我國大約已有600臺立式電機采用了塑料瓦。塑料瓦的使用,雖然取得了很大成效,避免了鎢金瓦運行中的燒瓦、溫度升高、限負荷運行、出力提高受推力軸承限制、設(shè)高壓油頂起裝置、安裝檢修不便、運行工況不靈活等問題。但我國塑料瓦運行的故障比預(yù)期的要多,據(jù)不完全統(tǒng)計,已有十多起塑料瓦燒瓦或瓦面嚴重磨損故障,僅葛洲壩一個電廠就有8起。我國部分塑料瓦的設(shè)計與運行數(shù)據(jù)、使用效果及特殊運行情況見表2。現(xiàn)將幾個電廠塑料瓦的特殊運行及故障情況說明并分析如下。1.w、我國塑料瓦與俄羅斯進口瓦配合裝300MW水電機組5臺,第一臺1983年投入運行,推力軸承額定負載18MN,原來全用鎢金瓦,夏季瓦溫約60℃,投運初期曾出現(xiàn)多次故障,1992年12月起陸續(xù)換用塑料瓦,并將機組出力提高到330MW,迄今末曾發(fā)生過推力軸承故障。國產(chǎn)塑料瓦性能可與俄羅斯進口瓦媲美,性能甚至更好,唯有哈爾濱電機廠所屬哈爾濱華通特種電機廠制造的塑料瓦迄今沒有出現(xiàn)瓦面脫殼翹邊問題。白山1號機1993年甩負荷時因調(diào)速器故障,轉(zhuǎn)速異常上升,發(fā)電機轉(zhuǎn)子重心偏移,振動顯著增加(上機架振動達0.98mm),在此異常情況下運行近1年,停機檢修時抽瓦檢查,塑料瓦面磨損0.15～0.2mm,照?？梢赃\行,如果是鎢金瓦可能早已燒瓦停機。3號機塑料瓦1992年12月投入運行,至1995年上半年檢查瓦面磨損約0.15mm,該機曾在油冷卻器漏水情況下運行數(shù)月,油槽內(nèi)部件銹蝕嚴重,油被污染,可能是瓦面磨損的主要原因。2.料瓦運行溫度葛洲壩電廠1至2號機單臺容量170MW,推力軸承負載38MN,原用鎢金瓦,曾多次燒瓦,1991年4月開始換用俄羅斯進口塑料瓦,夏季瓦溫≤57℃,高于全國其它塑料瓦運行溫度,1997年燒瓦,原因不詳,其中一塊瓦面250×300mm大面積脫殼、露銅、鏡板磨壞,加工修復(fù),換瓦運行。葛洲壩電廠3至21號機單臺容量125MW,推力軸承負載33MN,原用鎢金瓦,曾有個別機組推力軸承燒瓦,已有11臺機組推力軸承換用塑料瓦,進口及國產(chǎn)瓦都有,其中3號機塑料瓦1995年3月因操作及監(jiān)控系統(tǒng)問題溫度過高而燒損,18塊塑料瓦中的兩塊瓦面可見局部銅絲露頭,其余16塊瓦面磨損0.6～0.7mm,靠內(nèi)側(cè)瓦面大片塑料條狀剝落,鏡板劃傷,加工修復(fù),換瓦運行。3.塑料瓦去發(fā)液安裝210MW機組3臺,1979至1982年相繼投入運行,推力軸承負載近14MN,原用鎢金瓦,曾多次發(fā)生燒瓦故障,經(jīng)改造后有時仍不得不限負荷運行。1993年1月至4月陸續(xù)換用塑料瓦,夏季滿載運行瓦溫43.1℃,油溫36.5℃,水溫22℃,從而能夠安全滿發(fā)。1993年5月28日1號機推力軸承外循環(huán)冷卻油泵故障停轉(zhuǎn),備用油泵未能啟動,且未發(fā)出油流中斷信號,直到瓦溫油溫上升到電廠自定的限制溫度(瓦溫65℃,油溫50℃)而事故停機,后經(jīng)抽瓦檢查,未發(fā)現(xiàn)瓦面損傷。1993年11月檢查瓦面有0.3mm深唱片紋,紋尾有硬粒壓入,瓦面有波浪起伏,出油邊磨損0.03～0.04mm,電廠認為瓦面缺陷是由于油內(nèi)雜質(zhì)引起。4.機組空轉(zhuǎn)過程瓦溫上升和磨損裝302.5MW機組4臺,推力軸承負載為27.5MN,全部采用塑料瓦,兩臺國產(chǎn),兩臺進口。1993年7月1號機投入運行,2、3號機相繼投入,塑料瓦運行情況正常。4號機于1995年6月11日開始啟動,機組空轉(zhuǎn)過程瓦溫由27℃上升到平均瓦溫68℃,最高瓦溫75℃,停機抽瓦檢查,發(fā)現(xiàn)瓦面明顯磨損,個別瓦面進油邊局部露出銅絲,瓦面有深0.2mm左右的周向磨痕和0.02mm的硬粒,16塊瓦中4塊為淺灰色,其余為深灰色,塑料層與銅絲層有脫殼現(xiàn)象,瓦面沒刮進油邊,油槽底有塑料碎粒、銅絲和漆皮,油冷卻器上粘有糊狀塑料泡沫物,鏡板未見損傷。作者認為4號機塑料瓦面磨損的主要原因在于瓦面型線設(shè)計不當,導(dǎo)致運行中不能建立正常的楔形油膜,因而瓦溫升高異常,瓦面磨損嚴重。5.塑料瓦磨損檢查裝240MW水電機組5臺,推力軸承負載27MN,全部采用塑料瓦。1號機于1994年12月投入運行,試運行時瓦溫28～33℃,油溫22.3℃,后來瓦溫、油溫升高,到1995年5月29日停機,共運行5個月,1995年6月下旬拆出塑料瓦檢查,瓦面有磨損,13號瓦中部有寬10mm深0.15～0.05mm磨損槽,寬100mm帶狀粗糙坑洼,兩塊瓦面局部出現(xiàn)短裂紋,其余瓦面也有不同程度的損傷,瓦面顏色有不同深度的灰色和暗紅色,油槽內(nèi)有灰白色絮狀沉淀物及少量銅鐵末。作者認為1號機塑料瓦面磨損的主要原因可能與巖灘4號機相近,系瓦面型線設(shè)計制造不良,其程度不如巖灘4號機嚴重,處于邊緣狀態(tài),運行幾個月后由于瓦面塑性變形影響,運行中壓力變形過大,導(dǎo)致楔形油膜不能維持而瓦溫升高、瓦面磨損。6.鏡板泵外部油循環(huán)裝40MW水電機組4臺,轉(zhuǎn)速500r/min,原用鎢金瓦,多次燒瓦,1994年陸續(xù)換用塑料瓦,夏季瓦溫40～47℃,油溫33～36℃,水溫15℃,油路為鏡板泵外部油循環(huán)。1996年3月2號機推力軸承因油路濾網(wǎng)堵塞,瓦溫迅速上升,緊急停機檢查瓦面,瓦面磨損約0.5mm,油路濾網(wǎng)處清理出相當數(shù)量的棉紗、銅片、鐵屑,經(jīng)清理油路及再加工瓦面型線后正常運行。7.機組投運之前的檢查裝137.5MW水電機組4臺,推力軸承負載15MN,塑料瓦全部由哈爾濱華通特種電機廠供貨,但第一臺瓦面型線由某單位設(shè)計,由于型線設(shè)計不當,1996年12月19日機組第一次啟動過程空載運行時,瓦溫迅速上升到94℃以上,停機檢查,16塊瓦面全部燒壞,半數(shù)以上大面積露銅,鏡板靠外園處磨出唱片紋。手工修磨鏡板,換用華通特種電機廠設(shè)計瓦面型線的新瓦后,于12月29日通過各項試運行的試驗,投入電網(wǎng)安全運行,性能優(yōu)良穩(wěn)定,冬季瓦溫20℃,油溫15℃,水溫4℃,夏季瓦溫32.1℃,油溫26.7℃,水溫19.5℃。四、瓦損傷的防治我國塑料瓦運行初期仍有不少故障,但與已經(jīng)投入運行的塑料瓦約600臺的數(shù)字相比,故障率還不算高,但必須從中吸取教訓(xùn),并采取有效措施,以大幅度減少塑料瓦故障。綜合分析我國塑料瓦燒瓦和嚴重磨損故障原因,應(yīng)從以下幾方面采取措施:1.塑料瓦面型線設(shè)計程序塑料瓦面的型線設(shè)計這項高新技術(shù)是塑料瓦設(shè)計制造的關(guān)鍵。塑料瓦能否發(fā)揮它的優(yōu)勢、實現(xiàn)塑料瓦面加工型線與運行時各項變形相互補償、使推力瓦綜合變形最小,其關(guān)鍵就在于塑料瓦面的型線設(shè)計是否正確。蓮花電廠第一臺塑料瓦燒瓦,以及巖灘、五強溪電廠的塑料瓦磨損問題,關(guān)鍵在于瓦面型線設(shè)計不當,雖有理論分析和計算程序,但如果選取的瓦面復(fù)合層彈性模量和變形系數(shù)不切實際,也會導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。在塑料瓦機理的基礎(chǔ)上,塑料瓦面型線與瓦的各項變形示意如圖1。作者在理論分析、試驗研究、設(shè)計制造、運行驗證的基礎(chǔ)上編制了一套《塑料瓦面型線設(shè)計程序》。已用于哈爾濱華通特種電機廠制造的白山、映秀灣、漁子溪、鹽鍋峽、云峰、紅石、蓮花、豐滿、太平哨、巖灘、天生橋等三十多個水電站的近100臺塑料瓦的瓦面型線設(shè)計與復(fù)核,1997年已經(jīng)優(yōu)化為雙斜面型線,經(jīng)實踐驗證,按此程序設(shè)計制造的塑料瓦,運行安全可靠,性能優(yōu)良穩(wěn)定。塑料瓦面運行時長期受壓后有部分永久變形,因而投入運行一段時間后瓦面型線會有變化,且不能按瓦厚測定瓦面磨損。按單斜面型線設(shè)計制造的塑料瓦,在使用一年以后的例行檢修時,應(yīng)對瓦面型線進行測量,并按雙斜面型線修整。2.報警及停機信號整定值塑料瓦發(fā)生燒瓦或嚴重磨損故障時,油膜溫度迅速升高,由于瓦面塑料層導(dǎo)熱不良,瓦體內(nèi)測溫元件溫度的升高比油槽內(nèi)油的測溫元件溫度升高慢,因此,監(jiān)控塑料瓦推力軸承溫度,用熱油溫度比瓦溫更有效。建議熱油溫度和瓦溫的監(jiān)控可按高于滿載正常運行溫度約10℃報警,高于滿載正常運行溫度約15℃停機,同時油溫最高不應(yīng)高于60℃,瓦溫最高不應(yīng)高于65℃。建議電廠熱油和瓦溫的報警及停機信號整定值如表3。一般常年可按夏季滿載正常運行熱油溫度和瓦溫整定報警及停機信號溫度,也可在冬季按冬季滿載正常運行溫度增加一次整定。滿載正常運行熱油溫度在53℃以上、瓦溫在58℃以上的情況尚未曾出現(xiàn),如果出現(xiàn)這種情況,塑料瓦可能存在問題而處于非正常狀態(tài),或者在溫度測量方面存在特殊情況。如遇此情況,應(yīng)找出問題,適當處理,或?qū)缶瘻囟日ǖ礁哂谡＿\行溫度3℃,停機溫度整定到高于正常運行溫度6℃。安裝試驗過程如做油冷卻器斷水運行試驗,以確定容許斷水運行時間,可按用戶意愿,取表3中報警溫度或停機溫度作為試驗截止的溫度。報警或停機信號以熱油溫度或瓦溫先到達者為準。以上熱油溫度和瓦溫的測量元件為管狀電阻溫度計或溫度信號計,熱油的測溫元件垂直裝在油槽油面之下,瓦溫的測溫元件向心地裝在瓦體內(nèi)預(yù)計瓦溫較高的部位,測溫元件中心線離瓦面近30mm。3.瓦面被壓入瓦面推力軸承油槽內(nèi)或外部油管內(nèi)油的潔凈度,無論對鎢金瓦或塑料瓦都是重要的,但對塑料瓦就更加重要,因為油內(nèi)如有硬粒雜質(zhì),塑料瓦面比鎢金瓦面更容易受到損害。例如漁子溪電廠就曾因為外部油管路內(nèi)有安裝時遺留的棉紗、銅片、鐵屑等雜物,堵塞了油路過濾網(wǎng),外部冷卻后的油不能進入瓦面和油槽,因而瓦溫快速升高,瓦面嚴重磨損。南椏河電廠也有類似堵塞情況。烏江渡和蓮花電廠則有鐵末硬粒劃傷并壓入瓦面。這些情況說明必須認真采取措施,保證油的潔凈和油路的暢通,以利安全運行。4.生過誤啟動的情況機組使用塑料瓦以后,由于啟動力矩較小,在水輪機導(dǎo)葉漏水的情況下易于產(chǎn)生誤啟動,危及操作人員安全。我國已有一些電廠使用塑料瓦的機組發(fā)生過誤啟動的情況。例如烏江渡電廠,由于機組曾發(fā)生誤啟動,停機后只得將制動器長期投入,但在機組開機前排除制動器內(nèi)壓縮空氣時,由于個別制動器不能自行復(fù)位,延誤了開機時間,有時還造成制動塊的過多磨損,為此,烏江渡電廠在16個制動器中換用了兩個氣壓復(fù)位制動器,這兩個制動器在機組停機過程繼續(xù)使用,以防機組誤啟動,開機前用氣壓使其可靠復(fù)位,并有位置開關(guān)發(fā)出復(fù)位信號,以保證停機的安全和開機的迅速靈活。五、關(guān)于塑料瓦的一些觀點需要澄清1.剪干時瓦面及鏡板間的干摩擦系數(shù)w塑料瓦的瓦面材料聚四氟乙烯與鋼的干摩擦系數(shù)只有0.04～0.09,且隨壓力的增加而減少,而鎢金與鋼的干摩擦系數(shù)則為0.15～0.2,因此,人們往往以為塑料瓦推力軸承在運行時的摩擦系數(shù)比鎢金瓦推力軸承低2～3倍,其實不然。無論鎢金瓦或塑料瓦,在運行過程中,瓦面和鏡板之間都不容許相互接觸而形成干摩擦或半干摩擦,如果相互接觸就會燒瓦,必須由潤滑油的流體動壓形成的楔形油膜將瓦面和鏡板隔開并產(chǎn)生承載能力,最小油膜厚度約為0.03mm,以保證推力軸承安全運行。正常運行時,瓦面與鏡板的摩擦系數(shù)決定于油膜在剪切作用下產(chǎn)生的內(nèi)摩擦損耗,油膜的內(nèi)摩擦損耗決定于潤滑油的粘度、推力瓦的面積、幾何形狀、承受的壓力、瓦與鏡板的相對運動周速以及瓦的支承位置等條件,而與瓦面及鏡板間的干摩擦系數(shù)無關(guān)。一般推力軸承,無論用鎢金瓦或塑料瓦,運行時的摩擦系數(shù)都遠小于0.01。只有在機組開機啟動、停機制動和安裝盤車過程,瓦面與鏡板間才可能存在半干摩擦的狀況,此時因鏡板與塑料的摩擦系數(shù)小于與鎢金的摩擦系數(shù),因而用塑料瓦推力軸承的機組啟動力矩較小、盤車力矩較小、不制動的惰性停機時間較長。2.推力軸承用瓦面材料如前所述,在正常運行時,推力瓦面與鏡板間的摩擦系數(shù)決定于油膜在剪切作用下產(chǎn)生的內(nèi)摩擦損耗,而與瓦面及鏡板間的干摩擦系數(shù)無關(guān)。決定油膜內(nèi)摩擦損耗的條件也與瓦面及鏡板間的干摩擦系數(shù)無關(guān),也就是說推力軸承摩擦損耗與瓦面材料是塑料或鎢金無關(guān)。因而,塑料瓦推力軸承摩擦損耗與鎢金瓦推力軸承摩擦損耗應(yīng)基本相同。兩者摩擦損耗也可以從油溫反映出來,白山電廠3號機推力軸承在用塑料瓦替換鎢金瓦前后相同工況運行的溫度記錄如表4。表4中瓦溫相差27℃,而熱油溫度只差2℃,甚至鎢金瓦的油溫還低一些。再如大化電廠3臺100MW的機組,相同工況運行的溫度記錄如表5。表5中瓦溫相差20℃左右,而油溫基本相同,說明損耗基本相同。3.比底加瓦油膜溫度比的確定塑料瓦與鎢金瓦的損耗和油溫基本相同,但由于瓦面塑料層的導(dǎo)熱性能差(僅為鎢金的1/176),塑料瓦油膜溫度傳到瓦體內(nèi)的溫度降很大,因而塑料瓦測出的溫度明顯低于鎢金瓦。表4、5中塑料瓦溫度比鎢