淺談水輪發電機軸承支柱螺栓磨損問題處理

劉加將，郎梼，李兵

（四川華能康定水電有限責任公司，四川 甘孜 626000）

拉拉山水電站地處四川省甘孜藏族自治州巴塘縣境內的金沙江一級支流，機組單機容量48MW,額定水頭212m，為立式混流式水輪發電機組。2014年12月，2臺機組全部投產發電，投產后發現機組均存在不同程度的支柱螺栓磨損問題，每年磨損量達到0.2mm，給機組安全穩定運行帶來了較大風險。針對這一問題，電站專業人員對支柱螺栓材質進行了金相分析，并采取一系列技術措施，成功解決了支柱螺栓磨損這一難題。本文對支柱螺栓磨損問題原因進行了分析，研究并介紹了拉拉山水電站對于這一問題的處理方法，取得了良好的效果。

1 原因分析

造成支柱螺栓磨損的原因有多方面，本文從支柱螺栓本體材質及結構的角度出發，通過金相分析、力學性能試驗等手段，從材質本身找原因，并通過熱處理的方式進行調質，改變材料自身的力學性能。

1.1 尺寸檢查

為分析具體原因，首先，需要對上導軸瓦和下導軸瓦實際間隙值進行實測，測量發現軸瓦間隙均存在不同程度的增加，每年平均增加約0.2mm，而支柱螺栓鎖固螺帽并未見松動。其次，對支柱螺栓長度進行測量發現，長度均出現不同程度縮短，每年平均減少量約0.19mm，通過上述檢查，可以確認支柱螺栓確實存在磨損問題。

1.2 金相分析

拉拉山電站支柱螺栓材質為35CrMo合金結構鋼,具有很高的靜力強度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，高溫下有高的蠕變強度與持久強度，長期工作溫度可達500℃；冷變形時塑性中等，焊接性差。主要用于在高負荷下工作的重要結構件，如車輛和發動機的傳動件；發電機的轉子、主軸、 重載荷的傳動軸，大斷面零件，軸瓦支柱螺栓等，其主要化學成分如表1。

表1 35CrMo標準化學成分數據 單位：%

將上導軸承支柱螺栓及下導軸承支柱螺栓，各取2份試驗做金相分析，結果如表2。

表2 式樣化學成分數據 單位：%

通過金相分析發現，支柱螺栓母材碳與鉻含量偏低，其它元素含量正常。碳是決定鋼的力學性能的最主要因素，當含碳量＜0.77%時，隨含碳量的降低，鋼材強度降低，硬度減小，塑性、韌性增加。鉻是一種重要合金元素，隨著鉻含量降低，鋼材強度、硬度和耐磨性均降低，塑性和韌性增加。鉻還能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，是防銹和耐熱鋼的重要合金元素。

1.3 力學性能實驗

35CrMo鋼材的標準抗拉強度σb≥985MPa，屈服強度σs≥835MPa，莫氏硬度HM≤229HB。在上導軸承支柱螺栓和下導軸承支柱螺栓分別取2份式樣，式樣毛坯尺寸為25mm（支柱螺栓加工形成），測得式樣抗拉強度σb=1020MPa，屈服強度σs=846MPa，莫氏硬度HM=301HB（洛氏硬度32.1HRC）。從力學性能試驗結果可以看出，該材料抗拉強度和屈服強度均在合格范圍內，硬度較標準值高。通過力性能試驗分析，支柱螺栓應該是經過了調質熱處理，但熱處理效果并不理想，可能是冷卻介質或回火溫度選擇不正確造成的。

綜合上述試驗結果可以發現，拉拉山電站支柱螺栓采用的35CrMo材質存在一定問題，且支柱螺栓采用的熱處理方式不正確，導致螺栓強度、硬度偏低，進而導致支柱螺栓球頭與支撐塊磨損，造成瓦隙增大，機組擺度增大。

2 處理方案

選取合格的35CrMo鋼材，首先，對母材材質進行金相分析，其參數如表3所示：

表3 新母材化學成分數據 單位：%

新選取的35CrMo鋼材化學成分符合標準要求，與舊材料相比，其含碳量及鉻含量明顯增加，材料強度及硬度在理論上應該有明顯提升。

選擇合格的母材后，再按照支柱螺栓設計圖紙進行加工，加工完成后，為提高支柱螺栓強度及硬度，需要對其進行熱處理。因為此次熱處理的主要目的是提高支柱螺栓的強度和硬度，故采用調質處理。淬火后工件內還存在內應力，故還需要進行回火處理。調質時，淬火溫度選擇為850℃，回火溫度選擇為500℃（溫度過高容易導致硬度大幅下降），冷卻介質選用油。

對熱處理后的工件進行力學性能試驗，測得試驗抗拉強度σb=1190MPa，屈服強度σs=895MPa，莫氏硬度HM=353HB（洛氏硬度38.1HRC）。對比支柱螺栓更換前后力學性能試驗數據可以發現，更換后的支柱螺栓經過調質后強度、硬度有明顯提升，耐磨性在理論上應該有明顯提升。

3 使用效果

拉拉山電站更換新支柱螺栓后，通過近3年觀察，新支柱螺栓球頭磨損量已較舊支柱螺栓明顯變小，通過實測磨損量約每年0.04mm。水輪發電機組的大修周期為4～8年，支柱螺栓能保證在一個大修周期內磨損量不會超標，已滿足電站設備使用需求。軸瓦支柱螺栓磨損問題在其他電站也有類似的情況發生，同樣面臨較大風險。支柱螺栓安裝時應提前考慮磨損問題，在機組瓦隙調整階段應按照瓦隙下限值進行調整，以保證支柱螺栓磨損后總瓦隙不超標。

4 結語

支柱螺栓更換后，還應加強運行參數檢測，做好數據統計分析，當然，除本文中所述措施外，還有很多切實可行的措施(如更換支柱螺栓鋼材材質，將支柱螺栓結構改為楔子板結構等)，電站的管理者要根據實際情況因地制宜地選擇，采取簡單、經濟、可靠的措施，確保電站安全穩定運行。