清蓄電站水導(dǎo)軸瓦間隙增大原因分析及處理

甄培江，周玉權(quán)，楊偉坡

（清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511853）

1 前言

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站（以下簡稱“清蓄”）機組為立軸單級混流可逆半傘式結(jié)構(gòu)，設(shè)有上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承，單機容量320MW，額定轉(zhuǎn)速428.6r/min。導(dǎo)軸瓦分為上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)，均采用支柱式抗重螺栓分塊軸承瓦，具有結(jié)構(gòu)簡單、平面布置緊湊，剛性、自調(diào)節(jié)功能均好的特點。

清蓄機組運行中多次出現(xiàn)導(dǎo)軸承擺度報警，其中有兩次導(dǎo)致機組跳機。機組檢修消缺中實測導(dǎo)軸承軸瓦間隙，上導(dǎo)與下導(dǎo)軸瓦間隙變化不大，而水導(dǎo)軸瓦間隙明顯增大。其中1號機組水導(dǎo)軸瓦間隙增幅最高達46.6%，實測數(shù)據(jù)見表1；2號機組水導(dǎo)軸瓦間隙增幅最高達34.5%，實測數(shù)據(jù)見表2；水導(dǎo)軸瓦間隙的增大導(dǎo)致機組振擺情況惡化，嚴(yán)重影響機組運行性能和指標(biāo)。因此有必要從理論分析、結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計安裝等方面進行深入剖析，確定主要原因并制定實施處理措施。鑒于4臺機組水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)與參數(shù)相同，為方便闡述，以1號機組水導(dǎo)軸承為例進行分析。

表1 1號機組水導(dǎo)軸承間隙實測表

表2 2號機組水導(dǎo)軸承間隙實測表

2 原因分析

2.1 原因綜述

眾所周知，機組運轉(zhuǎn)狀態(tài)時所反映動態(tài)軸線形狀與其靜態(tài)形狀是不可能一致的。按靜態(tài)軸線調(diào)正導(dǎo)軸瓦間隙時的軸承并不處于最佳狀態(tài)，一般都要求在試運行后，按需要根據(jù)動態(tài)軸線重新進行軸瓦間隙調(diào)整，從而更有效的保證軸承受力均勻、軸系運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。由于機組動平衡試驗已基本消除了機械不平衡，軸瓦間隙增大就成為軸系引發(fā)弓狀回旋形態(tài)的主要因素，其明顯的后果是軸系振擺加劇。軸瓦間隙經(jīng)過一段時間運行后非正常增大的現(xiàn)象是必須避免的，本文將從軸承結(jié)構(gòu)和安裝調(diào)整方法兩個方面分析并尋求解決方法。

2.2 結(jié)構(gòu)分析

水導(dǎo)軸承的主要作用是承受機組徑向力，如徑向水推力、機械不平衡力、電磁不平衡力等，進而限制、約束機組的徑向擺動，保證機組能夠穩(wěn)定運行。清蓄水導(dǎo)軸承主要有軸瓦、嵌入塊、軸瓦支撐板、調(diào)整螺栓、調(diào)整螺母、墊塊、止動墊片等組成，采用分塊扇形瓦結(jié)構(gòu)，均布12塊。軸瓦采用巴氏合金（錫基），瓦面材料ZChSnSb11-6。水導(dǎo)調(diào)整螺柱前端與嵌入塊接觸面為球面體，可形成輕微動轉(zhuǎn)的支點，使軸瓦在運行中與軸領(lǐng)之間形成楔形，從而效果性地產(chǎn)生油膜反力（見圖1）。

圖1 水導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)圖

圖2 水導(dǎo)調(diào)整螺栓

水導(dǎo)軸承M100×3-6g調(diào)整螺栓采用40Cr調(diào)質(zhì)硬度269～331HB，確保與M72螺母和套筒的硬度差30～50HB，而其SR300球面則經(jīng)過淬火處理（深度15～20mm）硬度為HRC50～54；設(shè)計要求嵌入塊采用40Cr，其Φ82區(qū)域表面淬火1.5～2.0mm深，硬度達到HRC48～52HB（見圖2）。調(diào)整螺柱的螺紋分為M100和M72節(jié)距不同的兩段，調(diào)整螺柱座面設(shè)有止動墊片，此結(jié)構(gòu)能夠起雙螺母效果，固定牢實且能同時止動。但實際上由于：①螺柱與螺母的絲牙是有間隙的。②螺孔與端面可能不完全垂直，致使螺牙間受力不均勻。這樣就存在機組運行時鎖緊螺母有松動的可能。因而鎖定螺母是否松動，調(diào)整螺柱球面是否磨損是檢修時的一個重要檢查項。

機組消缺檢查中未發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)調(diào)整螺柱球面有明顯磨損痕跡，鎖定螺母無松動。

2.3 設(shè)計安裝分析

水導(dǎo)軸承軸瓦安裝調(diào)整嚴(yán)格按作業(yè)指導(dǎo)書進行，在完成機組軸線定位和水導(dǎo)軸承座定位后，檢查清洗水導(dǎo)瓦，瓦面設(shè)有海綿和白布保護，水導(dǎo)瓦就位后開始軸瓦調(diào)整。用千斤頂從+Y、+X、-Y、-X4個方向頂住軸瓦，使軸瓦緊貼大軸，作業(yè)過程中架設(shè)百分表監(jiān)視大軸位移。用塞尺測量軸瓦與軸面的間隙為0mm，調(diào)整軸瓦的調(diào)整螺栓，控制調(diào)整螺栓與嵌入塊間的間隙至設(shè)計值，間隙用塞尺檢查。緊固鎖定調(diào)整螺栓，復(fù)測調(diào)整螺栓與嵌入塊的間隙無變化，拆除楔子板，百分表讀數(shù)無變化。同樣的方法完成其余軸瓦的調(diào)整與固定。全部完成后復(fù)測軸瓦間隙，要求軸瓦間隙分配偏差為±0.02mm，最后按要求焊接螺母止動塊。

檢查機組水導(dǎo)軸承時發(fā)現(xiàn)墊塊的C5倒角有與調(diào)整螺桿螺牙擠壓的痕跡，而且在螺栓打緊過程中也發(fā)現(xiàn)調(diào)整螺栓跟隨鎖定螺母一起旋轉(zhuǎn)，這說明由于C5倒角偏小限制了調(diào)整螺栓的行程，使得M72鎖緊螺母未能起到鎖緊調(diào)整螺栓的作用。該結(jié)構(gòu)設(shè)計加工缺陷應(yīng)制定改進措施加以解決。

為進一步確定C5倒角偏小與調(diào)整螺栓鎖緊失效的關(guān)系，下面就其受力情況進行分析，見下頁圖3。正常情況下，鎖定螺母打緊后產(chǎn)生的巨大拉力F間接作用在調(diào)整螺栓上，F(xiàn)等于F1。但實際情況中由于C5倒角偏小，限制了調(diào)整螺栓的行程，墊塊與調(diào)整螺栓R8過渡段接觸，鎖定螺母產(chǎn)生的拉力F一部分作用在調(diào)整螺栓與墊塊間，使得F1＜F，由于F1＜F，調(diào)整螺栓的拉緊力未達到設(shè)計值，螺牙與螺紋仍存在間隙，沒有真正起到鎖定的作用，在機組運行過程中受到軸瓦傳遞過來的負(fù)荷時，調(diào)整螺栓出現(xiàn)外移或者輕微轉(zhuǎn)動使軸瓦間隙變大。

3 改進措施

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和設(shè)計安裝的分析結(jié)果，主要采取以下改進措施：

（1）調(diào)整改進水導(dǎo)墊塊C5倒角。

（2）嚴(yán)格控制軸瓦間隙調(diào)整的作業(yè)流程。

3.1 墊塊調(diào)整

調(diào)整改進水導(dǎo)墊塊C5倒角是為了避免墊塊與整螺栓接觸，現(xiàn)場根據(jù)調(diào)整螺栓與墊塊的實際裝配位置進行了測量，并以此改進墊塊結(jié)構(gòu)。在原墊塊的基礎(chǔ)上加工一個Φ90×5的凹臺，以滿足下頁調(diào)整螺栓的行程要求。墊塊結(jié)構(gòu)改進前后對比見下頁圖4和圖5。

圖3 調(diào)整螺栓與墊片受力分析圖

圖4 水導(dǎo)墊塊原加工圖

3.2 安裝控制

清蓄水導(dǎo)軸瓦為非同心瓦，其特點是線接觸式受力，安裝工藝相對于同心瓦而言要求更高、工序更復(fù)雜。如果在調(diào)整過程中存在中心不對正等因素，在運行過程中經(jīng)升速、甩負(fù)荷、瓦溫考驗等功能性試驗后，瓦間隙一般都會增大。因此嚴(yán)格控制軸瓦間隙調(diào)整的作業(yè)流程是十分必要的，該措施可有效避免導(dǎo)軸瓦兩側(cè)間隙誤差偏大或?qū)лS瓦單側(cè)接觸軸頸，保證軸瓦間隙調(diào)整的真實性。關(guān)鍵實施步驟如下：

（1）在大軸軸領(lǐng)圓周4個方向 +Y、+X、-Y、-X設(shè)置有調(diào)中心專用的M36調(diào)整螺栓，如圖6所示（在主軸側(cè)均采用銅板保護防止擦傷主軸表面）。

圖6 水導(dǎo)軸瓦調(diào)整布設(shè)及專用工具

（2）逐一就位軸瓦,調(diào)整螺柱頭部對準(zhǔn)嵌入塊凹槽。

（3）使用一對專用小調(diào)整螺栓頂緊軸瓦兩側(cè)，使瓦面中心單線貼緊軸面，用塞尺檢測C1≈C2≈0.04mm。

（4）將0.29±0.02mm厚的塞尺置于調(diào)整螺柱和嵌入塊之間，頂緊M100×3螺柱并緊固M72×3鎖緊螺母（參見圖3），鎖緊螺母打緊力應(yīng)滿足設(shè)計要求。

（5）為消除內(nèi)、外螺紋間隙的影響，鎖緊螺母固定調(diào)整螺栓后，應(yīng)再次測量確認(rèn)軸承間隙設(shè)定值并進行反復(fù)調(diào)整，直至軸瓦間隙最終符合設(shè)計要求再鎖定鎖定螺母的墊片并點焊止動塊。

4 改進效果

清蓄1號機組嚴(yán)格控制軸瓦間隙調(diào)整的作業(yè)流程并改進水導(dǎo)墊塊C5倒角，基本解決了水導(dǎo)軸瓦間隙增大的問題，運行至今，機組振擺得到改善，機組空載運行水導(dǎo)擺度≤200μm、100%負(fù)荷均≤60μm，達到比較理想的穩(wěn)定運行狀態(tài)。在2017年1號機組C修時對水導(dǎo)軸瓦間隙進行實測，軸瓦間隙變化不大（見圖7），該問題的解決提高了機組的運行可靠性和運行性能。

圖7 1號機組水導(dǎo)軸瓦間隙處理前后對比

5 結(jié)論

通過對清蓄電站水導(dǎo)軸瓦間隙增大的問題分析，從改進墊塊倒角和嚴(yán)控間隙調(diào)整工藝兩個方面制定處理措施。目前已完成1號機組和2號機組的改造，后續(xù)將根據(jù)具體情況改造3號機組和4號機組。改造后機組運行穩(wěn)定，指標(biāo)良好，達到了預(yù)期效果。

6 建議與思考

抽水蓄能機組轉(zhuǎn)速高，工況轉(zhuǎn)換多，啟動頻繁，具有正反旋轉(zhuǎn)兩個方向，相對于常規(guī)水電站而言，蓄能機組導(dǎo)軸承需要經(jīng)受更嚴(yán)峻的考驗。在安裝調(diào)試期間，應(yīng)嚴(yán)格管控安裝工藝和流程；在投運后的監(jiān)盤巡檢中，密切關(guān)注導(dǎo)軸承油位、油溫、瓦溫、振擺變化情況；在檢修消缺期間，檢查確認(rèn)導(dǎo)軸承有關(guān)部件位移磨損情況。建立完整的運維數(shù)據(jù)資料，定期進行專項匯總分析，及時發(fā)現(xiàn)問題并制定應(yīng)對措施。對此，提出以下建議;

（1）導(dǎo)軸承軸瓦間隙異常往往伴隨機組振擺異常，此時應(yīng)及時調(diào)整運維策略或者檢查消缺。

（2）軸瓦間隙是按靜態(tài)軸線調(diào)整，當(dāng)機組運行一段時間后，應(yīng)將軸瓦間隙實測列入檢修項目，確認(rèn)軸瓦間隙是否需要調(diào)整。

（3）軸瓦調(diào)整用鎖緊螺母固定調(diào)整螺栓過程中應(yīng)反復(fù)操作、測量。確保軸瓦間隙和鎖緊螺母打緊力均滿足設(shè)計要求。

（4）蓄能機組在過速試驗、甩負(fù)荷試驗后應(yīng)根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)適時檢查調(diào)整軸瓦間隙。

（5）軸瓦間隙調(diào)整后如擺度情況改善不明顯，還可以考慮再次配重，這樣能同時抑制軸承振動和大軸擺度。

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