彈性金屬塑料瓦的運行與檢修

陳和沖

（新安江水力發電廠，浙江 杭州 311608）

0 引言

水輪發電機組軸承瓦包括推力軸瓦與導瓦兩部分，傳統瓦體采用巴氏合金作為其材質，但由于摩擦損耗大，易發生燒瓦等現象，現逐漸使用氟塑料、彈性金屬塑料作為其材質[1]。彈性金屬塑料瓦現階段主要使用在水輪發電機組、水泵機組中，具體采用低碳鋼板為基體，改性聚四氟乙烯層為表面，并在改性聚四氟乙烯材料中加入彈性金屬層，經特殊工藝制作而成（如圖1所示）。彈性金屬塑料瓦由前蘇聯在70年代研制開發成功，自1991年開始，我國陸續從蘇聯進口塑料瓦，與此同時，哈爾濱電機廠大電機研究所與遼源科學技術研究所合作，研制、開發生產改性彈性金屬塑料瓦面產品，首臺1000 kN級國產塑料瓦于1990年8月在船場溪水電廠試驗成功；1992年4月6600 kN級國產塑料瓦在新安江水電廠試驗成功；1993年7月30000 kN級塑料推力瓦在廣西巖灘水電廠試驗成功，并且[3]作者對巖灘水電廠針對30000 kN級推力軸承彈性金屬塑料瓦是否滿足機組運行要求進行了實測驗證。自此，彈性金屬塑料瓦完全實現國產化，目前已在包括寶山水電站[4]、富春江水電站[5]等水電站中全面應用。

彈性金屬塑料瓦的開發使用，明顯地避免了一些大機組推力瓦燒損事故，解決了巴氏合金軸瓦燒瓦事故多、檢修（刮瓦）勞動強度大、檢修麻煩等缺點；改善了推力軸承的運行性能，提高了機組的運行可靠性。但是，國內外塑料瓦在長期使用中也時有燒瓦事故發生，如葛洲壩電廠于1995年12月至1996年底燒損六臺套[6]，根據分析，表面摩擦材料耐磨性能的優劣，對軸瓦使用的可靠性和安全性影響很大[2]。另外，彈性金屬塑料瓦的使用至今已有30年，根據標準規定，首批塑料瓦基本已到使用年限，在彈性金屬塑料瓦的使用過程中，盡管各彈性金屬塑料瓦的使用廠商均積累了豐富的產品的使用、運行經驗，但如何對彈性金屬塑料瓦進行檢修卻了解不多。因此，熟悉彈性金屬塑料瓦產品的性能特點及檢修方法方能在后續的生產活動中使用該產品更好地為安全生產服務。

1 彈性金屬塑料瓦的結構特點及優點

1.1 彈性金屬塑料瓦的結構、特點及其機械性能

如圖1所示，彈性金屬塑料瓦由改性聚四氟乙烯層（厚度2.5~3.5mm）、青銅絲纏繞的彈性層及鋼基層組成。改性聚四氟乙烯層與青銅絲層之間通過高溫高壓復合而成，青銅絲層與鋼基之間通過釬焊連接，三者之間結合牢固，各結合面之間結合質量符合國家標準要求；彈性金屬塑料瓦的青銅絲墊層，它不僅具有彈性，它還是釬焊層與塑料層的中間連接橋梁。

1.2 彈性金屬塑料瓦改性聚四氟乙烯層的性能

彈性金屬塑料瓦的性能參數見表1-3。

表1 彈性金屬塑料瓦塑料層應力與變形的關系

表2 彈性金屬塑料瓦塑料層應力熱傳感性能

表3 彈性金屬塑料瓦的摩擦性能

1.3 彈性金屬塑料瓦與巴氏合金瓦對比的幾大優點

眾所周知，彈性金屬塑料瓦除具有自潤滑性能好，摩擦系數小，承載能力大，可降低機組停機制動轉速并惰性停機，可去除軸瓦水內冷結構及高油壓頂起裝置，可免去巴氏合金瓦刮瓦、研瓦等繁瑣的檢修工序，安裝方便等優點之外，還有如下優點：

（1）優良的摩擦性能。正常情況下，彈性金屬塑料瓦是在液體的條件下工作的，工作時形成的液體動壓潤滑油膜將瓦面與鏡板（或軸頸）完全分開，使軸瓦處于良好的工作狀態。但是，當機組在啟動、停止或其他意外情況下，液體潤滑油膜不能形成或受到破壞時，軸瓦將處于邊界摩擦狀態（或干摩擦狀態），這時傳統的巴氏合金材料軸瓦很可能會出現磨損、粘著，甚至發生燒瓦現象；而彈性金屬塑料瓦的表面摩擦層是改性聚四氟乙烯，對油的附著力特別強，從而使摩擦磨損條件得到改善，在上述情況下，不但可使機組處于正常的運行狀態，而且還有著相當長的使用壽命。

（2）導熱系數小。在機組運行時，由于機械變形和軸瓦的熱變形使油膜變薄，甚至破壞，造成燒瓦事故的發生。彈性金屬塑料瓦的表面摩擦幅是聚四氟乙烯（厚度一般為2.5~3mm），導熱系數很?。ò褪虾辖鹜叩?/130），起到一定的隔熱作用。鏡板與瓦之間摩擦產生的大量熱量都通過油膜潤滑油向外傳遞，減少了通過塑料層傳遞給塑料瓦鋼基支撐裝置的熱量，從而使軸瓦鋼基部分的溫度梯度遠小于巴氏合金瓦，由于溫度不一致而引起的軸瓦變形對運行油膜的不利影響更小，更有利于軸瓦的安全穩定運行。

（3）良好的絕緣性能。由于軸電流的存在，在軸頸（或鏡板）與軸瓦之間便產生了小電弧的侵蝕，巴氏合金軸瓦的合金會被逐漸粘吸到軸頸（或鏡板）上去，使軸頸（或鏡板）的良好工作面遭到破壞，引起軸瓦個別點（區域）過熱，甚至燒瓦。此外，由于軸電流的長期電解作用也會使潤滑油變質、發黑，降低潤滑油的性能，造成油溫升高。而彈性金屬塑料瓦的表面層是聚四氟乙烯，具有良好的絕緣性能，可避免在軸瓦與軸頸（或鏡板）之間軸電流的侵蝕。

（4）獨特的“自調”性能。從表1可以看出，彈性金屬塑料瓦是一個彈性體，因此它具有重要特性——自調性。這一獨特性能，可確保軸瓦受力均勻，使其運行更加可靠。而由于巴氏合金瓦彈性模量遠遠大于塑料瓦，受壓及溫度梯度變化而產生變形時自調查性能差，當出現干摩擦或半干摩擦狀態，或出現不利于軸瓦安全運行條件時，就會出現由于巴氏合金瓦局部溫升過快而造成巴氏合金面局部凸起，并由此帶動軸瓦沿圓周方向上的溫度過高并造成燒瓦事故的發生。

2 彈性金屬塑料瓦運行中過程中的一些問題

2.1 彈性金屬塑料瓦的燒損問題

彈性金屬塑料瓦的使用，解決了原巴氏全金瓦摩擦系數大、自潤滑性能差等性能瓶頸，在水輪發電行業，大中型水泵機組及球磨機、大型齒輪變速箱等得到了廣泛應用，但彈性金屬塑料瓦由于塑料面的熱傳導系數小，測溫元件無法真實反映軸瓦的實際運行溫度等問題也給彈性金屬塑料瓦的使用帶來不利影響。在彈性金屬塑料瓦的使用過程中雖然軸瓦燒損事故發生率極低，但其一旦發生事故，其影響比巴氏合金額瓦還大，葛洲壩電廠、富春江電廠、烏溪江電廠就曾發生過由于潤滑少油造成的燒瓦事故，并且造成了推力鏡板的局部損傷，如圖2所示。

2.2 彈性金屬塑料瓦的瓦面碳化問題

在機組起、停機過程中，由于推力瓦表面油膜未能完全建立，彈性金屬塑料瓦表面與鏡板之間處于干摩擦或半干摩擦狀態，雖然塑料瓦的摩擦系數小，但在機組高速運行時推力瓦表面在摩擦力作用下溫度迅速提高，造成塑料表面發生碳化，如圖3所示。塑料瓦表面的碳化嚴重時會使軸瓦表面油膜無法建立并伴隨有軸瓦運行溫度的持續上升且無法穩定。如發生上述情況應及時停機檢查彈性金屬塑料瓦的情況，避免燒瓦事故的發生。

2.3 彈性金屬塑料瓦的脫空問題

由于彈性金屬塑料是通過錫鉛合金與鋼坯釬焊制成一體的，塑料瓦的釬焊質量參差不齊。彈性金屬塑料瓦在運行過程中由于負荷變化及熱油對彈性金屬塑料瓦表面的沖擊，以及塑料具有一定的熱縮性能，會使塑料瓦周邊發生局部脫空，翹起（抽瓦檢查可發現瓦周邊會有一些裂紋，用小木榔頭敲擊會有一定的發空聲音）等現象。在彈性金屬塑料瓦產品上，生產廠家都會在塑料瓦表面設計、制作一些有利于軸瓦潤滑油膜的建立和軸瓦安全運行的形線，該問題如發生在進油邊側且高出軸瓦基本面時會影響軸瓦的正常進油，影響塑料瓦的安全可靠運行，應在檢修時進行修復或更換新軸瓦。

2.4 彈性金屬塑料瓦面型線的磨損問題

在彈性金屬塑料瓦設計制造成過程中都會在彈性金屬塑料瓦表面設計制作一些徑向形線，該形線有利于彈性金屬塑料瓦運行過程中油膜的建立與油膜壓力的保持。而在彈性金屬塑料瓦使用過程中，由于彈性金屬塑料瓦面相對較軟，經過一段時間運行后，彈性金屬塑料瓦面與鏡板之間會有一個磨合過程，并且每次機組大修后，由于塑料瓦與鏡板之間相對位置的改變會有一個重新磨合的過程，造成塑料瓦表面的形線的磨損甚至消失，使軸瓦運行情況工況達不到原瓦設計要求，并造成軸瓦運行溫度的升高。廣東青溪電廠水輪發電機推力瓦就由于瓦的形線磨損造成瓦運行溫度升高問題，某廠也發現每次機組大修后，塑料瓦溫度均較檢修前升高2℃左右，后經重新返廠進行修復后，塑料瓦運行溫度達到設計要求。

2.5 彈性金屬塑料瓦的油混水運行問題

水輪發電機組及其他機組的軸承，承載著運行機組的徑向力與軸向推力，雖然機組運行時，軸承處于液動運行狀態，且軸與軸承支撐摩擦副之間有油膜存在，摩擦系數也很?。?.005），但同樣也會產生大量的熱量，所以一般都裝冷卻裝置以帶走機組運行產生大熱量，確保機組的安全可靠運行。然而冷卻裝置的滲漏等問題影響軸承的安全可靠運行。彈性金屬塑料瓦由于其特殊的自潤滑性決定了其可適應油水混合的運行工況；廣西拉浪電廠水導油軸承在采用巴氏合金瓦時由于下游水位上升以及軸承冷卻系統滲漏問題，油水混合運行工況時有發生且發生多次發生燒瓦事故。在更新為彈性金屬塑料瓦之后進行了油水混合試驗，試驗情況如表4所示。

表4 彈性塑料瓦油水混合試驗數據

從試驗數據來看，機組在使用彈性金屬塑料之后，在油水混合狀態下機組滿負荷運行時軸瓦溫度上升僅為2.2℃，油槽內油溫上升4.8℃，試驗表明彈性金屬塑料瓦在油混水情況下是可以滿負荷運行一定時間的，但油水混合畢竟是非正常運行工況，存在一定的安全隱患，在短時間內可以滿足機組運行要求，也給機組缺陷及事故處理贏得了寶貴的時間。

3 彈性金屬塑料瓦的檢查與檢修

彈性金屬塑料瓦檢修時應在所有安全措施、技術措施到位，推力瓦的固定裝置、限位裝置等均已撤除，確保軸瓦拆裝過程無卡頓的情況下方可進行。

3.1 檢查塑料瓦表面的平面度的及檢查塑料瓦的進出油邊的磨損情況

檢查塑料瓦兩側進出油邊的磨損情況，可根據周向軸瓦研磨情況檢查進出油邊的磨損情況。

3.2 抽瓦檢查塑料瓦的整體磨損情況并做好記錄

瓦面磨損情況檢查時應參照塑料瓦生產廠家出廠前在塑料瓦表面做的磨損標記。每套瓦出廠前塑料瓦生產廠家一般都會在加工成型的彈性金屬塑料瓦表面加工磨損標記（面積小于200cm2的瓦一般不做標記），該標記由四個同心圓組成（如圖4所示），可根據軸瓦表面磨損標記的情況判斷軸瓦的磨損情況；另外用相應的外徑千分尺測量軸瓦各測點的厚度情況并做好測量記錄（根據瓦面的大小可適當增加測點的數量）。由于塑料瓦在運行后會形成一個進油邊高于出油邊的一個斜面，所以測量前應在塑料瓦表面用圓規等工具做好測點標記，以確保每一次測量數值在一個可比性。

3.3 檢查塑料瓦表面及鏡板表面的粗糙度和平面度

檢查塑料瓦的平面度鏡板的粗糙度、波浪度是影響塑料瓦使用壽命的重要因素。按設計規范要求鏡板的粗糙度達到Ra≤0.64、波浪度≤0.05時，鏡板才不會引起塑料瓦的磨損。當波浪度大于0.1 mm時，必然發生瓦面的磨損（有可能將0.1mm深的觀察圓磨掉）；當鏡板的波浪度大于0.15 mm，不僅瓦表面磨損明顯，而且嚴重地影響使用壽命。所以塑料瓦安裝前，必須對鏡板粗糙度、波浪度進行檢查，尤其是燒過軸瓦的機組，不僅要對鏡板進行檢查，而且要進行研磨拋光處理。

3.4 根據軸瓦各檢查數據確定軸瓦的檢修方案

（1）很多資料顯示“彈性金屬塑料瓦表面嚴禁進行修刮與研磨”的說法有失偏頗。檢修方案的制定應根據彈性金屬塑料瓦的磨損確定；一般而言，彈性金屬塑料瓦新瓦制作完成后，都會在塑料瓦表面加工一些方便軸瓦潤滑及建立油膜用的形線（進出油邊），隨著塑料瓦的運行時間的延長及軸瓦磨損的加劇，塑料瓦表面原設計、加工的形線會逐步磨損消失，并且每一次檢修后瓦的運行溫度都會較前有所上升，所以當軸瓦表面型線磨損量達到50%~70%時，就應當向軸瓦生產廠家申請重新進行修磨處理，以確保軸瓦在最佳設計狀態下運行。另外軸瓦檢修時，為確保軸瓦油膜更好地建立，減少軸瓦因長時間停機軸瓦表面油膜消失等不利軸瓦安全運行問題，可在軸瓦表面進行刮花處理。新安江電廠在軸瓦表面刮花處理上做了較深刻的研究并取得了顯著成效，軸瓦經刮花處理后，實踐證明，比檢修前軸瓦溫度降低了4℃，加上軸瓦每次檢修軸瓦可能的溫度升高情況，經刮花處理的軸瓦實際降低溫度應為6℃左右，從軸瓦運行瓦溫變化情況看，軸瓦的刮花處理，有效地改增加了油膜的運行厚度，改善了軸瓦表面的運行工況。不過塑料瓦進行刮花處理時，花形深度以0.02 mm為宜，花形不宜過大過密，以確保瓦表面有足夠的靜壓承載面積。經修刮處理后的塑料瓦表面回裝前應用鍍金相砂紙輕砂并用平尺他細檢查修刮點，確保無凸起后，再用軟棉布、酒精等清洗后方可進行塑料瓦的回裝。

（2）塑料瓦脫空情況的處理。塑料瓦脫空現象比較常見，多發生于塑料瓦天面的四周，塑料瓦表面四周發生脫空現象的，應仔細檢查脫空面的長度與深度（向塑料瓦內部延伸的情況），如四周脫面積不大，向內延伸不多時，可對瓦脫空部位用細銼進行修磨并用金相砂進行修光，確保脫空表面低于塑料瓦面，如發生大面積脫空的應請塑料與廠家對軸瓦脫空情況進行會診，必要時更換新塑料瓦。

（3）軸瓦表面刮痕與凹坑的處理。在檢修過程中常會發生塑料瓦表面與其他硬物相碰等情況，造成塑料瓦表面出現刮痕、凹陷及硬物嵌入等情況。發現塑料瓦表面在刮痕或凹陷情況或有硬物嵌于表面的，應取出嵌入物并檢查刮痕深度，未對塑料層形成穿透傷害的，應仔細修磨凹陷周邊，并用平尺檢查不得有隆起，可繼續使用，如凹陷面較大且有貫穿傷的應聯系生產廠家制定相應的處理措施。

（4）表面有碳化情況的處理。塑料瓦表面有碳化現象時，碳化部位處理應用細砂紙輕砂碳化表面，待碳化表面全部清理后用金相砂對處理表面進行拋光處理，檢查表面應無隆起情況；并檢查處理后表面的平面度。如碳化面積大于瓦面面積的20%（如設計比壓大于4 MP時應不大于10%）及碳化深度大于0.10 mm時應報廢或請生產廠家進行相應處理。

（5）瓦面形線磨損的處理。瓦面形線的磨損會使彈性金屬塑料瓦的設計偏心距發生改變，根據研究表明通過對瓦面形線設計可有效調查整瓦面的支撐偏心距，從而起到降低軸瓦運行溫度，提高機組運行的安全可靠性。在實際檢修過程中如發現瓦面磨損嚴重，兩側進出油邊基本消失的情況，有條件的可申請制造廠家對瓦面及進出油邊形線進行重新修磨；無條件的可根據塑料瓦的設計圖紙用細砂紙包在平板銼上進行修磨，修磨時應盡可能確保修磨角度一致以確保所有運行各瓦塊有一致的偏心度與進油楔角。

（6）瓦面有下列缺陷的，處理后可繼續運行。①瓦面有個別點銅絲裸露的，檢查該點的接地情況，如接地電阻良好，可用劃針輕輕挑出，然后用圓頭工具輕敲，使該點稍有凹陷，修磨該位置使其周邊無凸起，②如該點絕緣電阻不合格的，可用平頭或圓頭工具將其輕輕敲入，且低于工作面1 mm以上。

4 結語

彈性金屬塑料瓦在水輪發電機組及其他產品上是傳遞軸向力與徑向力的極其重要部件，由于彈性金屬塑料瓦具有比巴氏合金瓦無可比擬的優越性，越來越被廣大用戶所接受，在彈性金屬塑料瓦推廣應用的同時，應對彈性金屬塑料瓦的性能及其特點進行深入的研究，使其更好地服務于安全生產活動。

本文主要介紹了彈性金屬塑料瓦的結構特性，并以實例說明了彈性金屬塑料瓦在運行過程中可能會出現的5種問題，包括燒損、瓦面碳化、脫空、瓦面型線磨損、油混水運行等。

基于上述問題，本文第三部分中依據新安江電廠彈性金屬塑料瓦的運行和檢修經驗，參考多個水電廠的運行情況，具體說明了檢修方法和檢修流程，基本能夠涵蓋上述運行中可能發生的問題，旨在為今后的彈性金屬塑料瓦的檢修提供技術和流程支持。在使用、檢修和檢查的過程中，彈性金屬塑料瓦都應按照國家標準進行，檢修、處理后的各項技術指標應滿足國家標準要求以確保機組的安全穩定運行。