TBM主軸承外密封擋圈故障診斷及洞內修復技術

趙大鵬，張守偉，馬長復

（1.遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003；2.遼寧省葠窩水庫管理局遼寧遼陽111000）

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TBM主軸承外密封擋圈故障診斷及洞內修復技術

趙大鵬1，張守偉1，馬長復2

（1.遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003；2.遼寧省葠窩水庫管理局遼寧遼陽111000）

摘要：文章分析了敞開式TBM施工過程中主軸承外密封擋圈突然斷裂脫落的嚴重事故原因及其洞內修復技術。對故障的診斷方法、根據現場條件制定的修復技術及該部位的預防措施進行了分析與說明，希望能夠為類似TBM機型的使用管理提供可借鑒的經驗。

關鍵詞：擋圈；主軸承外密封；分段焊接

0 引言

遼寧某重點水利工程一段四標采用了兩臺羅賓斯公司敞開式TBM掘進，兩臺設備編號分別為TBM3、TBM4，開挖直徑8.53m，其中TBM3開挖總長15340m，第一掘進段8833m，第二掘進段6507m。2015年7月31日凌晨03：11，在第二掘進段掘進了370m時，發現機頭架處存在異響，隨即停機檢查。檢查發現機頭架左上部隔塵板損壞，主軸承外密封擋圈從中穿出。

1 事故排查與原因分析

1.1 事故排查

事故發生后，施工人員立即割除機頭架兩側隔塵板以拆除擋圈，技術人員進入刀盤后方分別檢查了主軸承外密封及其壓環、主軸承潤滑油脂質量并對主軸承腔內進行了打壓試驗。檢查結果認為主軸承外密封及其壓環無損壞痕跡，油樣分析未發現雜質，綜合判斷主軸承外密封及密封壓環無損傷。

在將擋圈分段切割運出洞外后施工人員對擋圈進行了詳細的檢查。擋圈斷口共3處，其中2處為擋圈吊裝孔位置、另一處為把合螺栓安裝孔位置。斷口截面顯示一處吊裝孔內外側均為脆性斷裂；另一處吊裝孔外側為脆性斷裂、內側母材因受外力強制拉伸導致斷裂；合螺栓孔處因內側薄弱，內側母材出現脆性斷裂，外側母材受外力強制拉伸導致斷裂。初步判斷第一處吊裝孔位置是由于脆性變形而最先發生斷裂，并導致其余2處先后發生斷裂。擋圈共計30個螺絲孔，其中18個螺栓孔螺紋完好，7個螺栓孔螺桿斷裂在螺栓孔內的，另有5個螺栓孔螺桿斷裂脫落。

1.2 事故原因分析

（1）由于本機型設計缺陷造成施工人員日常維護過程中受空間局限性因素影響無法對外密封擋圈和壓環螺栓進行檢查，只能每月定期從底支撐下側的“U形孔”進入機頭架前方觀察擋圈局部是否發生移位和螺栓松動、損壞，無法全面準確判斷該部位是否運轉正常。加之設備掘進過程中刀盤、機頭架部分振動較大，擋圈與轉接座連接螺栓松動或斷裂后脫落，擋圈局部松動、振動加大，最終導致自身薄弱位置出現疲勞斷裂。由于無法及時發現擋圈斷裂，在擋圈隨刀盤旋轉過程中擋圈斷裂缺口處一旦與某異物接觸、卡住即在主驅動強大的扭矩下變形、斷裂。

（2）在制造過程中擋圈為分段下料并焊接為一個正圓后進行車削、鉆孔等機加工工序，該擋圈吊耳孔處材質與周邊材質存在區別，可能由于吊耳孔正好處于兩段擋圈焊縫位置，且焊接過程中焊縫未熔透或后期熱處理未能較好的釋放焊接熱應力，隨著擋圈振動而應力釋放導致螺栓孔處突然斷裂。在擋圈隨刀盤旋轉過程中擋圈斷裂缺口處一旦與某異物接觸、卡住即在主驅動強大的扭矩下變形、斷裂。

1.3 現場情況

首先，由于掌子面后部約20m范圍內地質條件較差，均為Ⅳ類圍巖，支護方式為支設全環鋼拱架并配合鋼筋排支護，現場不具備安全固定刀盤條件，且刀盤固定后施工人員更換擋圈作業過程中安全風險極大。其次，羅賓斯備件庫刀盤連接螺栓儲備數量不足，刀盤拆卸后無足夠數量的新螺栓可供更換。而且，擋圈加工后整體運輸，需長距離開挖導洞，工期過長，嚴重影響整體的工程進度。轉接座設計共30個螺栓孔與擋圈裝配把合，此次事故導致12個螺孔損壞，新加工的擋圈不再適合采用螺栓連接的安裝方式。

2 事故處理方案

為徹底解決TBM3外密封擋圈斷裂問題，盡快恢復設備掘進并確保剩余約6km隧洞開挖的順利完成，必須根據現場情況制定切實可行的處理方案。處理方案主要有3種方法：拆卸刀盤法、切割刀盤分段焊接安裝法、切割防塵板分段焊接安裝法。

2.1 拆卸刀盤法

拆卸刀盤并將其固定于掌子面上，拆除刀盤雙頭螺柱，后退TBM以留出足夠作業空間。取出轉接座螺栓孔內已經斷掉的螺栓，并對已損壞螺栓孔絲扣進行處理。長距離開挖導洞以便將新擋圈運至機頭架處，然后安裝新的擋圈，再將設備復原。

2.2 切割刀盤分段焊接安裝法

在不拆卸刀盤的情況下，根據擋圈半徑選擇在刀盤背板半徑5.3m處每隔45°人工切割邊長為500mm的方孔，將加工好的新擋圈切割成4段由機頭架防塵板處運至安裝位置后使用千斤頂使其與轉接座緊密結合，在刀盤與擋圈之間每隔30°～45°焊接安裝1根鋼支撐，然后在擋圈內圈與轉接座通過角焊縫焊接，最后將分段擋圈焊接成整圓。焊接過程中焊接人員可通過刀盤背部割開的方孔進行焊接施工。

2.3 切割防塵板分段焊接安裝法

將加工好的新擋圈切割成4段，由機頭架防塵板處運至安裝位置，將設計螺栓切掉尾部后，擰緊在原螺栓孔上，將其焊接于轉接座上進行栽絲固定。分段安裝擋圈，使用千斤頂使其與轉接座緊密結合，將螺栓與擋圈上螺栓孔封焊固定，然后在擋圈內圈與轉接座通過角焊縫焊接，在刀盤與擋圈之間每隔30°～45°焊接安裝1根鋼支撐，然后在擋圈內圈與轉接座通過角焊縫焊接，18個螺紋完好的螺栓孔仍使用螺栓固定；7個螺桿斷裂在螺栓孔內的，根據斷裂螺桿長度安裝長度適合的螺栓，并在螺帽處焊接固定；5個螺桿斷裂在螺栓孔外的，將螺桿打磨平，采用塞焊的方式固定。最后將分段擋圈焊接成整圓。焊接過程中焊接人員可通過防塵板處割開方孔進行施工。

2.4 優缺點的對比分析

2.4.1 優點

（1）方案一：整體安裝方案

外密封擋圈整體性好，易保證設計間隙。作業空間大，便于安拆外密封擋圈及第一道密封，質量易保證。容易取出所有斷裂的螺栓并與設計一致。

（2）方案二：防塵板開孔后分段安裝方案

采用分段安裝方案，無需固定刀盤及開挖導洞，施工工程量小、周期短、造價低。

（3）方案三：刀盤開孔后分段安裝方案

采用分段安裝方案，不需要固定刀盤，不需要開挖導洞，工程量小、周期短、造價低。刀盤背部開孔后作業空間增加，擋圈定位及焊接質量均可控制。

2.4.2 缺點

（1）方案一：整體安裝方案

需要將刀盤與機頭架脫離，對掌子面巖石穩定性要求較高。需要85套刀盤雙頭螺柱，供貨周期3個月。為了擋圈整體運輸，需要長距離開挖導洞，工程量大。方案所需修復工期長，影響工程進度。方案造價高，雙頭螺栓需約100萬元，開挖導洞需約150萬元。

（2）方案二：防塵板開孔后分段安裝方案

由于安裝空間狹小，安裝質量難以控制。采用分段安裝，在機頭震動大的環境下可靠性有待檢驗。

（3）方案三：刀盤開孔后分段安裝方案

由于刀盤背部鋼板被割開，施工后重新焊接，改變了刀盤應力分布，對后期掘進過程中刀盤壽命造成一定影響。采用分段安裝，在機頭震動大的環境下可靠性有待檢驗。

綜合現場情況，根據該工程特點，選擇采用方案二，即防塵板開孔后分段安裝方案。

3 處理方案的實施

3.1 重點難點

由于該方案在未拆卸刀盤情況下既進行了擋圈的焊接更換，施工過程中存在諸多不便，其重點難點如下：

（1）嚴格控制焊接變形，防止外密封壓環和擋圈間的出水、出油縫隙消失；

（2）嚴格控制焊接溫度，防止焊接時的高溫損傷外密封；

（3）焊接電流有燒傷主軸承接合面的可能；（4）無法徹底的檢查外密封情況。

3.2 應對措施

（1）將擋圈外圈加工為錐面補償焊接變形，焊接完成后再用塞尺檢查縫隙大小；

（2）采取小電流焊接，先段焊既每段長3～5cm、間隔3～5cm，最后逐一填補間隔的方法控制焊接時間。經試驗證明，焊接處周圍溫度不超過45℃；

（3）采取就近搭接地線，防止電流經過主軸承；

（4）在現有條件下已通過油樣化驗、主軸承打壓試驗、目測觀察等方法對密封進行了全面的檢查，結論為外密封密封并未污染及破損；

（5）焊接前及焊接過程中施工人員需多次測量擋圈與壓環之間的間隙，確認符合設計間隙要求后方可繼續實施焊接；

（6）在完成擋圈全部焊接、安裝工作后，需在機頭架上方防塵板10點～11點方向制作了一個可開閉的觀察孔，以便在后續掘進后可定期對擋圈進行檢查。

4 結語

上述外密封擋圈修復方案相比其他方案而言為項目節省了上百萬元的費用支出，極大的縮短了設備修復周期。設備修復完成后目前已掘進1475m，目前外密封及其擋圈工作狀態良好。

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中圖分類號：U455.3+1

文獻標識碼：B

文章編號：1008-1305（2016）02-0105-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-1305.2016.02.042

收稿日期：2016-02-18

作者簡介：趙大鵬（1988年—），男，助理工程師。