水电机组推力轴承故障处理与可靠性研究

五凌电力挂治水力发电厂 刘小云 罗先洪

挂治电厂安装3台单机容量为50MW的立式水轮发电机组，推力轴承安装在下机架中心体上的组合油槽内，承受水轮发电机组所有转动部分的重量和水推力构成的组合载荷。轴承采用弹性圆盘支撑结构，由12块弹性金属塑料瓦组成。目前，国内外因为推力轴承运行故障带来运行机组事故停机较为普遍，约占水电机组机械设备总故障的1/2，根据有关国家对水电机组机械故障的统计资料，约有50%～60%的故障出自运行机组推力轴承[1]。

本文对多个电厂推力轴承运行故障进行了分析，通过对下机架、支撑、推力瓦、镜板等推力轴承系统内的部件进行了分析，以及从设计、制造、安装等过程对推力轴承的可靠性进行了分析。

1 推力轴承结构简述及故障分析

1.1 推力轴承结构简述

要对推力轴承进行分析，不能只局限于其本身，需要从系统的角度进行。电厂推力轴承结构如图1所示。

图1 推力轴承结构原理图

该推力轴承采用弹性圆盘支撑，其中上圆盘的底部采用球形结构，推力瓦设置偏心距。采用外置式冷却器，通过镜板泵效应提供油循环动力。镜板与推力头之间采用20个M36的内六角螺栓连接。推力轴承具体参数见表1。

表1 推力轴承参数

1.2 推力轴承常见故障分析

立式水轮发电机组的推力轴承在投入运行后发生的缺陷有以下几点：一是推力轴承瓦温升高。主要有产热、散热两个方面的原因。二是非镜板面有大面积的明显环状瘢痕。瘢痕呈黑色、圆周分布，靠外径侧部分区域有点状分布的蚀痕。三是镜板与推力头连接螺栓在运行一段时间后出现松动甚至断裂，机组振动超标。四是弹性金属塑料瓦出现分层、脱壳、开焊等问题，瓦面存在划痕。

2 问题分析处理

2.1 推力轴承瓦温异常升高

瓦温的变化取决于产生的热量与散发的热量之间的一个动态平衡。如图1中的蓝色箭头指示的是油循环的路径。

从散热方面分析：主要是通过油冷器中的水分将油中的热量带走。对于两种流体，在理想的热交换情况下，热平衡公式为：

式中：ρ、V、C、Δt分别为相应介质的密度、体积流量、比热容、温差。主要影响因素为比热容和体积流量。

一是影响比热容的因素主要是油质的变化。导致油质劣化的原因较多，常见的有破乳化度超标，油中颗粒度超标、油质碳化，可以通过定期的油质化验并采取针对性措施。

二是对于体积流量的影响因素。对于该电厂的推力轴承结构，由于镜板泵的效应，在镜板的外侧与下导轴承瓦托之间形成一个高压区，在内侧及瓦托下部之间形成低压区。高压区与低压区之间由设置在瓦托底部与镜板之间的密封条分隔。若在运行中密封条发生磨损，将导致高压与低压区域之间窜通，也就经过外置油冷器的油将变少，参与散热的油总量变少，散热总量减少，导致轴承温度升高。可以通过现场测量外置油冷器与油槽的温度变化值Δt，计算出相对流量比值，从而判断在冷却水流量不发生大变化的情况下，经过冷却器的循环油流量的变化情况。若发生流量减小的情况，考虑是否为管道堵塞或者密封条磨损，导致高压区与低压区窜通。通过检修时进行论证。

对于产热部分，主要由推力瓦与镜板之间的参数决定，在后面推力瓦问题处进行分析，在此不赘述。

2.2 非镜面黑色瘢痕及蚀痕

电厂推力轴承运行十多年后，A修中拆卸发现非镜板面有大面积的明显环状瘢痕。瘢痕呈黑色，圆周分布，靠外径侧部分区域有点状分布的蚀痕。如图2所示。

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图2 镜板非镜面缺陷图

2.2.1 原因分析

一是电厂发电机推力瓦材料为氟塑料，具有良好的绝缘性能，结构为全伞式，可有效避免轴电流回路的形成，原则上不会有轴电流对镜板电腐蚀的情况发生。另外，发电机推力头和镜板是直接接触的，层间没有设置调整绝缘板，可排除静电腐蚀因素。因此，可确定推力镜板的蚀痕不是电腐蚀造成。

二是电厂发电机推力头和镜板把合面内外径侧各设置有一道O形密封圈，有效防止润滑油进入层间空隙。推测长期运行后外径侧密封圈密封效果变差，导致油液渗入或少量油液从推力镜板固定螺栓孔处渗入，并在镜板固定螺栓环带中积聚。

三是电厂发电机推力轴承由12块推力瓦组成，瓦与瓦之间有一定间距，推力头和镜板把合面存在一定空隙，在机组运行过程中，当镜板空隙运行到推力瓦上时，受到轴向载荷的作用，挤压空隙。当镜板运行到瓦间空隙时，挤压力消失，空隙恢复。空隙被压合时，推力头与镜板结合面就会产生冲击破坏，产生麻点。空穴的产生、压缩、突然破裂的作用次数，在一个大修间隔内，可达数兆次以上。这种气蚀作用，使镜板把合面和推力头底面变的粗糙，使空穴更易形成，加剧了气蚀的破坏作用。在高温的作用下油液发生汽化，与空气及少量水分的混合物进入缝隙，并长期聚集。空穴伴随着气蚀发生，空穴中的油气水的混合物中的氧元素也会腐蚀把合面，加剧空穴现象而造成的腐蚀。

图3 镜板变形结构示意图

四是由黑色环带起始自镜板内径侧到镜板固定螺栓环带的距离约一半位置，向外至镜板凸缘为止的大致范围，可以判断是由于密封结构的不合理导致油液进入结合面。

五是推力轴承的热弹性流有限元分析结果显示，在推力瓦的出油边附近有一个高温、高压区域，该区域温度可到80℃以上。

图4 推力瓦压力云图及温度分布图

六是推力镜板黑色环带区域与有限元分析结果中，推力瓦的高面压区和高温区高度重合。推力镜板具有较高的传热能力，将摩擦产生的热量快速传导给推力头，使两者空隙中的油液温度升高、汽化，推力头和镜板高速旋转过程，对缝隙中的油气混合物产生高频挤压，使其温度再次升高，高温导致油液及杂质发生碳化。机组长期运行后，推力头和镜板中的碳元素也会被氧化，碳化物与油混合在金属表面沉积，发生渗碳现象，从而导致镜板表面局部发黑。

七是镜板螺纹孔所处环带表面呈金属正常颜色，未被气蚀和变黑，是因为该区域间隙相对较大，虽然有油液积聚，但温度相对较低，且未产生空穴和挤压。因此，未产生麻点状凹坑和碳化，表面完好。

2.2.2 处理措施

一是推力头和镜板把合面的两道密封起主要密封作用，可以在紧固螺栓的内侧增加一道密封。从目前的两道密封结构变为三道密封结构，有效阻止油流进入贴合面。

二是大修后机组回装时，需清理干净接触面的油渍，同时更换新的O形密封圈，并确保密封圈正确安装，防止润滑油从密封圈处进入层间。尽可能清理干净固定螺栓、推力头螺栓孔中的残留油液。镜板固定螺栓把紧后，在螺栓头周边涂抹适量耐油密封胶（如乐泰587)，防止润滑油在螺栓沉孔中积聚后，从此处渗入到推力头和镜板的结合面。

通过分析可知，镜板非镜板面的麻点、凹坑是因长期气蚀造成的。油液进入结合面后，在高温环境下汽化，与空气混合后的油气混合物进入缝隙中空穴，在交变挤压力作用下，加剧对非镜板面的破坏，造成凹坑。同时，凹坑中的油气混合物中的氧元素腐蚀金属表面，腐蚀现象使凹坑加深。长期处于高压、高温环境下油液及杂质发生碳化，油液与碳化杂质的混合物在镜板表面长期积聚和渗透，导致镜板表面呈黑色。唯有有效避免油液进入推力头和镜板的结合面，才能有效避免或减少推力头和镜板把合面的气蚀破坏。

2.3 镜板与推力头连接螺栓断裂

螺栓断裂的原因在行业内研究较多，主要有：一是材质结构方面。化学成分不达标导致物理性能不满足要求；或者选用材质不合适，如选用40Cr材质代替35CrMo，导致材料较脆，不能适应频繁交变应力的作用；对于受交变载荷的螺纹连接，可采用刚度较低的柔性螺栓结构，如把螺栓的无螺纹部分做的细一些，增大被连接件的刚性。

二是安装工艺方面。未按照规定力矩进行紧固，运行中发生松动；或者安装后未采取有效的防松动措施。

三是维护检查方面。未按照金属技术监督规定，每次B级及以上检修均应对不小于M32的螺栓进行外观检测和超声检测，超声检测比例为100%。日常外观检测时只看外表，未考虑到螺栓因为应力松弛导致断裂的问题，即螺栓在未显示松动的情况下发生断裂，可以通过铁路行业常用的小锤敲击通过声音来判断。

四是镜板的尺寸精度方面。镜板上下平面的不平行度、推力头上下平面的不平行度、外圆表面的同心度等尺寸偏差会引起异常振动，也是导致螺栓断裂的原因。目前，部分电厂在机组A修时重点关注镜板表面粗糙度，忽视了同心度、不平行度等技术要求。同时，适当地对镜面进行硬化处理，可以减小运行中产生有害的波浪变形。

2.4 弹性金属塑料瓦分层、脱壳、开焊

在立式水轮发电机中，弹性金属塑料推力瓦是承载转子、转轮等转动部件重量、轴向水推力等载荷的重要设备。分为瓦体层、弹性层以及表层，瓦体层由普通钢材加工而成，在外径侧设置有温度探头埋设孔。弹性层由青铜丝绕制而成，钎焊在金属瓦基上，弹性层具有一定的弹性模量，起到均衡瓦面各负荷的作用。表层由聚四氟乙烯塑料板热压在弹性层上，瓦面设有预置磨损检测环，每组环设4个同心环槽，各环槽深度差为0.05mm。

图5 推力瓦缺陷图

弹性金属塑料推力瓦之前主要是引进俄罗斯的产品，随着国内制造加工工艺的成熟，也出现了国产化改造的趋势。对于推力瓦国产化改造的效果，以及对国产化改造需求的电厂，改造的原则建议如下：

一是改造方式为更换整台套新推力轴承瓦。在机组A修期间实施。根据标准要求：同套瓦的力学性能应基本相同，弹性模量、硬度值相差不应大于两倍，或瓦面柔度值相差不超过两倍。瓦间负荷不均匀偏差不得大于3%，从而保证瓦温均匀。部分更换推力瓦，所有瓦面磨合情况不一致，可能会导致部分瓦磨损严重。因此，建议进行整台套更换[2]。

二是新推力瓦采用高性能、应用广泛、环保型、成熟可靠的弹性金属塑料推力瓦。

三是新推力轴承瓦应满足DL/T 622《立式水轮发电机弹性金属塑料推力轴瓦技术》及JB/T 10180《水轮发电机推力轴承弹性金属塑料瓦技术条件》的相关要求[3]。

四是应对原推力轴承相关尺寸进行测量、复核，新推力轴承瓦结构、重要尺寸应与原推力轴承瓦保持一致。

五是新推力轴承瓦应进行热弹性流体动压润滑计算复核[4]。

3 结语

提高推力轴承的可靠性需要系统性的思考，同时全过程进行监督。从设计上保证产品品质安全，并且对加工、制造、运输、安装、运行、检修、维护检查等全过程进行精细化管理。及时发现隐患，防范其发展为事故[5]。