水轮发电机组推力轴承支柱螺栓套损坏原因分析及处理

王亚龙，王 戬，刘多斌，王洪彬，李秉谦

(国网新源水电有限公司丰满培训中心，吉林 吉林 132100)

推力轴承工作状况的好坏直接影响机组能否正常运行，统计发现，电站机组设备故障中，约60%机械设备故障源于推力轴承[1]。查找、分析推力轴承事故的原因，解决设计、制造、安装及运行中发生的问题，已成为电站管理运行的一项重要工作。

1 推力系统概况

水轮发电机组推力轴承通常由推力头、镜板、推力瓦、支撑弹簧、油冷却器、高压油顶起装置、油槽等组成[2]。推力头与机组主轴采用过盈配合方式连接为一体；镜板一般采用45号锻钢制作，具有较高的精度和粗糙度，推力头与镜板通过绝缘杆和绝缘销钉固定，二者在机组运转过程中随转动部分转动，并与推力瓦面滑动摩擦[3]，进而将机组转动部分的重量传递到推力瓦上，为了降低摩擦损耗，与轴瓦相接触的表面加工粗糙度要求达到0.2 μm以上。推力瓦采用扇形分块式结构[4]。推力轴承按支撑形式为刚性支柱式。冷却系统采用体内自循环水冷方式，即推力油冷却器安装在推力油槽内部[5-6]，推力轴承示意图见图1。

图1 推力轴承示意图

某水电站1号机组A级检修过程中，发现上导透平油中黑色沉淀物较多；上导推力瓦有4个支柱螺栓套(全套8个)有不同程度开裂或损坏。为了解支柱螺栓套损坏的原因，对现场8个支柱螺栓套进行检测[7-8]。

2 支柱螺栓套损坏检测工艺

2.1 宏观检测

1号机组推力支撑结构如图2所示，8块推力瓦水平圆周分布，推力瓦背开有1圆孔，分别由8根支柱螺钉垂直支撑，支柱螺钉与推力瓦之间压紧有镀铬块。支柱螺钉旋于支柱螺套内实现上下调节功能，螺套尺寸如图3所示。支柱螺套镶嵌在轴承支座内，构成对推力瓦的支撑。

图2 推力支架

图3 支柱螺钉及支柱螺套

对拆卸下来的支柱螺套进行宏观检测，发现6号支柱螺套自肩部位置断裂成两部分，1、4、5、8号肩部存在明显裂纹。从多处螺套裂纹分布情况看，可以确定裂纹现由外圈退刀槽部位产生，逐渐向里扩展，然后导致断裂，应为疲劳断裂。6号支柱螺套断口形貌见图4，断面与最大正应力方向约成45°，为切断型；断面最外圈形貌为较细的沙滩状，为裂纹源区，中间部分呈平行的疲劳条纹，为裂纹扩展区，最内圈表面呈现撕裂状，为最后瞬时断裂区。

图4 6号螺套断口

8块镀铬垫片，1块断裂(6号)，1块表面存在疑似裂纹，还有1块推力瓦背支撑孔存在疑似裂纹。支柱螺栓上端面、镀铬垫片接触面存在明显摩擦痕迹，镀铬垫片、推力瓦支撑孔接触表面粗糙，存在明显车加工痕迹，存在接触不充分现象。

2.2 无损检测

对所有8个支柱螺套肩部退刀槽部位、8块镀铬垫片、8个支座螺套孔台阶处、推力瓦背支撑孔进行了磁粉检测。结果发现除2、3号支柱螺套以外，其余6个肩部退刀槽部位均存在裂纹(其中6号已断裂，1号裂纹已从退刀槽部位扩展至螺套本体上端面)，见图5—图9。2块镀铬垫片存在裂纹，其中1块(6号)已断裂，另1块(未能确认编号)中间存在裂纹，见图10。6号推力瓦背支撑孔存在裂纹，见图11—图12。

3 支柱螺栓套损坏原因分析

支柱螺栓套上台肩部与下部的直角外圈在车床加工时留有一圈退刀槽(如图13所示)，而此处恰为支柱螺栓承重的关键部位，应力最为集中。退刀槽的存在明显降低了部件的机械强度，在机组长期运行过程中，易造成金属疲劳，这就是支柱螺栓套的裂纹均出现在退刀槽根部的原因。

图5 1号支柱螺套

图6 4号支柱螺套

图7 5号支柱螺套

图8 7号支柱螺套

图9 8号支柱螺套

图10 镀铬垫片

图11 6号瓦背支撑孔裂纹

图12 6号镀铬垫片

图13 支柱螺栓套退刀槽

本次检测过程中还发现部分镀铬垫片出现裂纹甚至碎裂。从支柱螺栓与垫片接触的痕迹(如图14所示)来看，是由于支柱螺栓与垫片的接触面积过小，镀铬垫片局部承受的压强过大，加上机组长时间运行过程中产生的金属疲劳，最终导致镀铬垫片出现裂纹甚至碎裂(注：机组转子、主轴及水轮机总重约为40 t，每块垫片承重约为5 t，垫片与接触面积为1～2 cm不等，垫片局部承受的压强为250～500 MPa)。

图14 支柱螺栓与镀铬垫片接触痕迹

4 处理措施

对支柱螺栓套在退刀槽根部出现的裂纹，重新加工螺栓套时考虑在原有退刀槽处增加圆弧倒角，加强此处的机械强度，并对轴承座进行配套加工。针对镀铬垫片出现裂纹甚至碎裂的问题，对支柱螺栓与镀铬垫片、镀铬垫片与推力瓦背接触面进行研磨，增加接触面积(受力面积)，避免垫片局部压强过大。

通过以上处理后，机组经过一年的运行，推力轴承各部位未发现异常，对保证机组稳定运行具有一定的实践意义。