立式水輪發電機組突發振動的分析及處理

陳曉明，張 華

(國電恩施水電開發有限公司，湖北 恩施 445000)

水輪發電機組經過一段長周期正常運行后，突發振動，是水電站經常會遇到的一種機組非正常運行現象。對機組突發振動的分析，一般要結合機組上次檢修以來，機組運行工況的變化，從水力、電氣、機械等多方面進行綜合分析[1]，從而確定處理方向，找準故障原因，針對性開展檢修，縮小檢修范圍，以便及時恢復。2021年8月，某水電站運行過程中，機組振動突然增大，經過分析處理，確定了故障原因，很快恢復正常運行。

1 問題提出

某水電站裝機2臺30 MW懸吊式水輪發電機組，主要參數如表1。

1號機組于2008年投運，2011年、2019年兩次A級檢修，2021年8月下旬，機組運行過程中振動突然增大，現場檢測上機架振動數據遠超規范值，后迅速停機。振動數據見表2。

2 檢查分析

2.1 現場檢查

現場外觀檢查，發現推力油槽油色相對2號機組變深，其余下導、水導外觀及油色未見異常，監控系統各部瓦溫無明顯升高。根據各部位振動數據分析，故障主要在推力軸承部位，推力軸承結構如圖1，推力瓦共8塊。確定拆除上端蓋、上導瓦架及推力油槽冷卻器等，檢查推力瓦、托盤及抗磨片等情況。

表1 水輪發電機組主要參數

表2 機組振動測量值 0.01 mm

圖1 推力軸承結構圖

經檢查，推力瓦、托盤及抗磨片均無異常，發現兩塊推力瓦內側限位塊焊縫開裂，取出后發現限位塊頂部有明顯磨損痕跡。初步分析，振動可能是由于內側限位塊頂托推力瓦，導致水平發生變化引起振動，但引起油色變深的原因還不明確。為進一步查找原因，繼續拆除推力頭與鏡板連接螺栓，檢查推力頭與鏡板之間絕緣墊片，發現絕緣墊片部分區域有明顯碳化腐蝕現象，其中6點方向已有局部蝕穿，5、7兩點方向也有較大面積碳化腐蝕(見圖2)。厚度測量，原絕緣墊厚度一般在2 mm左右，該絕緣墊片最厚區域約1.5 mm。拆除過程中，推力頭與鏡板8只M30連接螺栓，通過彈簧墊圈止動，檢查螺栓無異常，但發現拆除時對應的5、6、7點方向，螺栓緊度較其他5只略松。檢查推力頭底面、鏡板背面無明顯腐蝕。

圖2 絕緣墊片腐蝕示意圖

2.2 問題分析

中小型立式水輪發電機組，推力頭和鏡板之間絕緣墊片，主要作用為：一是避免在推力軸承座與轉動部件之間形成軸電流回路；二是在機組盤車過程中，通過研刮絕緣墊片厚度，調整機組軸線，控制機組各部擺度在規范內。

綜合分析，針對本次絕緣墊片形成的腐蝕現象，有兩種情況可能導致該現象發生。

1)電腐蝕引發。機組轉動部分對地軸電流，通過絕緣墊片絕緣薄弱處形成回路，從而發生電腐蝕。因該機組推力瓦采用氟塑瓦，瓦面本身就是絕緣材料，且從現場檢查，推力瓦完好無損，不能形成電流回路，該因素可以排除。

2)局部間隙引發。絕緣墊片與推力頭、鏡板之間可能存在局部間隙，該局部間隙分開時，潤滑油進入，局部間隙壓縮時，潤滑油被擠出。機組運行過程中，該局部間隙旋轉到推力瓦上方時，就可能受到擠壓，旋轉到兩塊推力瓦之間時，間隙就可能分開，也就是說，機組每轉動一圈，可能會形成8次擠壓、8次分開，該機組轉速為428.6 r/min，每分鐘該間隙分合次數會非常頻繁，因分合轉換非常快，油的進出轉換也會非常快，且流速很高，甚至會形成局部高壓高溫，導致絕緣墊片碳化，加之油在快速進出及機組內部油路循環中，還會產生氣泡，氣泡也會對絕緣墊片形成腐蝕，最終導致間隙區域絕緣墊片不斷碳化腐蝕，面積不斷擴大，油色逐步變深。該機組上次A修為2019年，經過2年時間運行，絕緣墊片腐蝕區域接觸點不斷被腐蝕減薄，最終從量變到質變，機組擺度突然異常增大，導致本次振動發生。

2.3 局部間隙產生的原因

分析本次事件，屬絕緣墊片與推力頭、鏡板之間存在局部間隙導致，該間隙如何產生，可從設備制造和安裝兩方面分析。

1)設備制造原因。從圖1推力軸承結構圖可以看出，要保證推力頭、絕緣墊片、鏡板之間接觸良好，制造階段必須嚴格控制推力頭底面、鏡板背面平面度[2]。該機組投運于2008年，至2019年第二次A修之前，機組運行均正常，若屬加工制造方面問題，機組投運后2～3年就可能暴露出來，且2019年A修以及本次檢修，鏡板背面、推力頭底面均未發現異常腐蝕現象，本次振動可以排除設備制造方面原因。

2)設備安裝原因。中小型水輪發電機組檢修過程中，絕緣墊片用于機組軸線調整。通過機組盤車，測量出下導、水導等處擺度值，通過擺度計算，找出軸線最大偏差方向，計算出絕緣墊片最大刮削厚度，在絕緣墊片上均勻劃分刮削區域，通過人工刮削調整，要求從最大刮削區域至最小刮削區域，應均勻刮削出楔形，且要求每個區域均勻分布接觸點[3]。該項工序要求較高，且需要有較為豐富經驗的人員來完成。同時，中小水電站一般未配置工業平板，刮削后的絕緣墊片，難以現場檢測絕緣墊片接觸點情況，導致某個區域可能存在的無接觸點現象，從而導致安裝后可能存在局部間隙。

3 現場處理

因正值汛期，為減少電站棄水，確定不拔推力頭，排除推力頭及鏡板加工質量影響因素，縮小檢修范圍，適當降低兩只已脫落內側限位塊高度并焊接牢固，更換絕緣墊片，詳細檢查上導、下導、水導三部軸承及支承結構，重新盤車調整軸線。通過半個月檢修，機組恢復運行，經不同工況及甩負荷試驗，機組各項數據正常[4]。

4 結 語

盤車是水輪發電機組安裝檢修過程中的一項重要工序，中小型水輪發電機組軸線調整，大多都是通過刮削絕緣墊片完成，因很多中小水電站未配備工業平板，如何檢驗刮削后的絕緣墊片接觸點是否滿足要求，是需要面對的問題。正常檢修程序為，機組盤車完畢、軸線處理合格后，在做好鏡板水平及水導擺度監視前提下，調整推力瓦受力，使每塊推力瓦受力基本一致，在推力瓦受力調整合格后，將機組轉動部分調整至中心，固定好轉動部分后，進行機組整體回裝[5]。

結合本次突發振動的原因分析，在本次檢修中，為檢查新絕緣墊片是否存在過大局部間隙，在推力瓦受力調整合格后、機組轉動部分調整至中心前，再次復核機組水平數據，并和推力瓦調整受力之前水平數據進行比對，若存在水平數據偏差過大情況，即可確定某個方向可能存在局部間隙。因為推力頭、絕緣墊、鏡板之間若存在局部間隙，推力瓦在逐步受力過程中，雖然監視的水平數據以及水導擺度無變化，但局部間隙對應下面的推力瓦支柱螺栓升高值會與其他支柱螺栓不一致，最終可能導致推力瓦受力后機組水平發生偏差。因此，在推力瓦受力調整合格、機組轉動部分調整至中心前，再次復核機組水平很有必要，且通過和推力瓦受力之前機組水平數據仔細比對分析，可找出存在局部間隙的方位，及時進行處理。