TBM主轴承外密封挡圈故障诊断及洞内修复技术

赵大鹏，张守伟，马长复

（1.辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003；2.辽宁省葠窝水库管理局辽宁辽阳111000）



TBM主轴承外密封挡圈故障诊断及洞内修复技术

赵大鹏1，张守伟1，马长复2

（1.辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003；2.辽宁省葠窝水库管理局辽宁辽阳111000）

摘要：文章分析了敞开式TBM施工过程中主轴承外密封挡圈突然断裂脱落的严重事故原因及其洞内修复技术。对故障的诊断方法、根据现场条件制定的修复技术及该部位的预防措施进行了分析与说明，希望能够为类似TBM机型的使用管理提供可借鉴的经验。

关键词：挡圈；主轴承外密封；分段焊接

0 引言

辽宁某重点水利工程一段四标采用了两台罗宾斯公司敞开式TBM掘进，两台设备编号分别为TBM3、TBM4，开挖直径8.53m，其中TBM3开挖总长15340m，第一掘进段8833m，第二掘进段6507m。2015年7月31日凌晨03：11，在第二掘进段掘进了370m时，发现机头架处存在异响，随即停机检查。检查发现机头架左上部隔尘板损坏，主轴承外密封挡圈从中穿出。

1 事故排查与原因分析

1.1 事故排查

事故发生后，施工人员立即割除机头架两侧隔尘板以拆除挡圈，技术人员进入刀盘后方分别检查了主轴承外密封及其压环、主轴承润滑油脂质量并对主轴承腔内进行了打压试验。检查结果认为主轴承外密封及其压环无损坏痕迹，油样分析未发现杂质，综合判断主轴承外密封及密封压环无损伤。

在将挡圈分段切割运出洞外后施工人员对挡圈进行了详细的检查。挡圈断口共3处，其中2处为挡圈吊装孔位置、另一处为把合螺栓安装孔位置。断口截面显示一处吊装孔内外侧均为脆性断裂；另一处吊装孔外侧为脆性断裂、内侧母材因受外力强制拉伸导致断裂；合螺栓孔处因内侧薄弱，内侧母材出现脆性断裂，外侧母材受外力强制拉伸导致断裂。初步判断第一处吊装孔位置是由于脆性变形而最先发生断裂，并导致其余2处先后发生断裂。挡圈共计30个螺丝孔，其中18个螺栓孔螺纹完好，7个螺栓孔螺杆断裂在螺栓孔内的，另有5个螺栓孔螺杆断裂脱落。

1.2 事故原因分析

（1）由于本机型设计缺陷造成施工人员日常维护过程中受空间局限性因素影响无法对外密封挡圈和压环螺栓进行检查，只能每月定期从底支撑下侧的“U形孔”进入机头架前方观察挡圈局部是否发生移位和螺栓松动、损坏，无法全面准确判断该部位是否运转正常。加之设备掘进过程中刀盘、机头架部分振动较大，挡圈与转接座连接螺栓松动或断裂后脱落，挡圈局部松动、振动加大，最终导致自身薄弱位置出现疲劳断裂。由于无法及时发现挡圈断裂，在挡圈随刀盘旋转过程中挡圈断裂缺口处一旦与某异物接触、卡住即在主驱动强大的扭矩下变形、断裂。

（2）在制造过程中挡圈为分段下料并焊接为一个正圆后进行车削、钻孔等机加工工序，该挡圈吊耳孔处材质与周边材质存在区别，可能由于吊耳孔正好处于两段挡圈焊缝位置，且焊接过程中焊缝未熔透或后期热处理未能较好的释放焊接热应力，随着挡圈振动而应力释放导致螺栓孔处突然断裂。在挡圈随刀盘旋转过程中挡圈断裂缺口处一旦与某异物接触、卡住即在主驱动强大的扭矩下变形、断裂。

1.3 现场情况

首先，由于掌子面后部约20m范围内地质条件较差，均为Ⅳ类围岩，支护方式为支设全环钢拱架并配合钢筋排支护，现场不具备安全固定刀盘条件，且刀盘固定后施工人员更换挡圈作业过程中安全风险极大。其次，罗宾斯备件库刀盘连接螺栓储备数量不足，刀盘拆卸后无足够数量的新螺栓可供更换。而且，挡圈加工后整体运输，需长距离开挖导洞，工期过长，严重影响整体的工程进度。转接座设计共30个螺栓孔与挡圈装配把合，此次事故导致12个螺孔损坏，新加工的挡圈不再适合采用螺栓连接的安装方式。

2 事故处理方案

为彻底解决TBM3外密封挡圈断裂问题，尽快恢复设备掘进并确保剩余约6km隧洞开挖的顺利完成，必须根据现场情况制定切实可行的处理方案。处理方案主要有3种方法：拆卸刀盘法、切割刀盘分段焊接安装法、切割防尘板分段焊接安装法。

2.1 拆卸刀盘法

拆卸刀盘并将其固定于掌子面上，拆除刀盘双头螺柱，后退TBM以留出足够作业空间。取出转接座螺栓孔内已经断掉的螺栓，并对已损坏螺栓孔丝扣进行处理。长距离开挖导洞以便将新挡圈运至机头架处，然后安装新的挡圈，再将设备复原。

2.2 切割刀盘分段焊接安装法

在不拆卸刀盘的情况下，根据挡圈半径选择在刀盘背板半径5.3m处每隔45°人工切割边长为500mm的方孔，将加工好的新挡圈切割成4段由机头架防尘板处运至安装位置后使用千斤顶使其与转接座紧密结合，在刀盘与挡圈之间每隔30°～45°焊接安装1根钢支撑，然后在挡圈内圈与转接座通过角焊缝焊接，最后将分段挡圈焊接成整圆。焊接过程中焊接人员可通过刀盘背部割开的方孔进行焊接施工。

2.3 切割防尘板分段焊接安装法

将加工好的新挡圈切割成4段，由机头架防尘板处运至安装位置，将设计螺栓切掉尾部后，拧紧在原螺栓孔上，将其焊接于转接座上进行栽丝固定。分段安装挡圈，使用千斤顶使其与转接座紧密结合，将螺栓与挡圈上螺栓孔封焊固定，然后在挡圈内圈与转接座通过角焊缝焊接，在刀盘与挡圈之间每隔30°～45°焊接安装1根钢支撑，然后在挡圈内圈与转接座通过角焊缝焊接，18个螺纹完好的螺栓孔仍使用螺栓固定；7个螺杆断裂在螺栓孔内的，根据断裂螺杆长度安装长度适合的螺栓，并在螺帽处焊接固定；5个螺杆断裂在螺栓孔外的，将螺杆打磨平，采用塞焊的方式固定。最后将分段挡圈焊接成整圆。焊接过程中焊接人员可通过防尘板处割开方孔进行施工。

2.4 优缺点的对比分析

2.4.1 优点

（1）方案一：整体安装方案

外密封挡圈整体性好，易保证设计间隙。作业空间大，便于安拆外密封挡圈及第一道密封，质量易保证。容易取出所有断裂的螺栓并与设计一致。

（2）方案二：防尘板开孔后分段安装方案

采用分段安装方案，无需固定刀盘及开挖导洞，施工工程量小、周期短、造价低。

（3）方案三：刀盘开孔后分段安装方案

采用分段安装方案，不需要固定刀盘，不需要开挖导洞，工程量小、周期短、造价低。刀盘背部开孔后作业空间增加，挡圈定位及焊接质量均可控制。

2.4.2 缺点

（1）方案一：整体安装方案

需要将刀盘与机头架脱离，对掌子面岩石稳定性要求较高。需要85套刀盘双头螺柱，供货周期3个月。为了挡圈整体运输，需要长距离开挖导洞，工程量大。方案所需修复工期长，影响工程进度。方案造价高，双头螺栓需约100万元，开挖导洞需约150万元。

（2）方案二：防尘板开孔后分段安装方案

由于安装空间狭小，安装质量难以控制。采用分段安装，在机头震动大的环境下可靠性有待检验。

（3）方案三：刀盘开孔后分段安装方案

由于刀盘背部钢板被割开，施工后重新焊接，改变了刀盘应力分布，对后期掘进过程中刀盘寿命造成一定影响。采用分段安装，在机头震动大的环境下可靠性有待检验。

综合现场情况，根据该工程特点，选择采用方案二，即防尘板开孔后分段安装方案。

3 处理方案的实施

3.1 重点难点

由于该方案在未拆卸刀盘情况下既进行了挡圈的焊接更换，施工过程中存在诸多不便，其重点难点如下：

（1）严格控制焊接变形，防止外密封压环和挡圈间的出水、出油缝隙消失；

（2）严格控制焊接温度，防止焊接时的高温损伤外密封；

（3）焊接电流有烧伤主轴承接合面的可能；（4）无法彻底的检查外密封情况。

3.2 应对措施

（1）将挡圈外圈加工为锥面补偿焊接变形，焊接完成后再用塞尺检查缝隙大小；

（2）采取小电流焊接，先段焊既每段长3～5cm、间隔3～5cm，最后逐一填补间隔的方法控制焊接时间。经试验证明，焊接处周围温度不超过45℃；

（3）采取就近搭接地线，防止电流经过主轴承；

（4）在现有条件下已通过油样化验、主轴承打压试验、目测观察等方法对密封进行了全面的检查，结论为外密封密封并未污染及破损；

（5）焊接前及焊接过程中施工人员需多次测量挡圈与压环之间的间隙，确认符合设计间隙要求后方可继续实施焊接；

（6）在完成挡圈全部焊接、安装工作后，需在机头架上方防尘板10点～11点方向制作了一个可开闭的观察孔，以便在后续掘进后可定期对挡圈进行检查。

4 结语

上述外密封挡圈修复方案相比其他方案而言为项目节省了上百万元的费用支出，极大的缩短了设备修复周期。设备修复完成后目前已掘进1475m，目前外密封及其挡圈工作状态良好。

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中图分类号：U455.3+1

文献标识码：B

文章编号：1008-1305（2016）02-0105-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.042

收稿日期：2016-02-18

作者简介：赵大鹏（1988年—），男，助理工程师。