鄒南城，李勝鑫，沈滿林

(1.華電福新能源華安水力發(fā)電廠，福建 華安 363800；2.杭州匯安電力工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000)

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水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承瓦支柱失效分析

鄒南城1，李勝鑫1，沈滿林2

(1.華電福新能源華安水力發(fā)電廠，福建 華安 363800；2.杭州匯安電力工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000)

對(duì)推力軸承瓦支柱失效的原因進(jìn)行分析，復(fù)核了推力軸承瓦支柱材料、金相組織和推力軸承瓦支柱整體各結(jié)構(gòu)單元的受力狀況，得出了初步結(jié)論。圖3幅，表2個(gè)。

水輪發(fā)電機(jī)組；推力軸承；軸承瓦支柱；失效；原因分析

1 概 述

某水電站位于福建省某縣城境內(nèi)的九龍江北溪干流的河段上，距著名僑鄉(xiāng)閩南“金三角”經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)——漳州市約55 km，距縣城約10 km。工程于1971年動(dòng)工興建，1979年10月1日第1臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，1980年4月5日全部建成投產(chǎn)。電站裝機(jī)容量為4×15 MW，安裝有4臺(tái)混流立式水輪發(fā)電機(jī)組。2014年7月底，4號(hào)機(jī)組在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)異常，經(jīng)停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)4號(hào)機(jī)組6、7號(hào)推力軸承瓦支柱開裂成4塊失效，后對(duì)8個(gè)推力軸承瓦支柱全部進(jìn)行了更換，4號(hào)機(jī)組繼續(xù)投入運(yùn)行。

2 失效原因分析

推力軸承瓦支柱失效的原因可能是多種因素合成作用造成，不僅有推力軸承瓦支柱本身的原因，也有可能是水輪發(fā)電機(jī)組整體的原因，還有可能是水力學(xué)和電磁力學(xué)方面共同作用的結(jié)果。

水輪機(jī)型號(hào):HL211—LJ—255,發(fā)電機(jī)型號(hào)：SL550—79/28，水推力：842.8 kN(86 t)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重：140.3 kN(14.3 t)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重：784.8 kN(80 t)，合力：176.8 kN(180.3 t)，推力軸承瓦支柱數(shù)：8塊，平均單塊推力軸承瓦支柱受力：221.7 kN(22.6 t)，原隨機(jī)圖紙表明推力軸承瓦材料為A3(Q235)。

2.1 材料驗(yàn)證及金相分析

為了驗(yàn)證失效推力軸承瓦支柱實(shí)際所采用材料，對(duì)失效推力軸承瓦支柱材料進(jìn)行了化學(xué)成份分析，發(fā)現(xiàn)失效推力軸承瓦支柱為45號(hào)鋼(見表1)，與機(jī)組原隨機(jī)圖紙表明推力軸承瓦支柱材料為A3(Q235)不符。

表1 推力軸承瓦支柱材料成份檢測(cè)結(jié)果

表2 推力軸承瓦支柱硬度檢測(cè)結(jié)果 HB

45號(hào)鋼材料屈服極限為355 MPa、強(qiáng)度極限為600 MPa,綜合機(jī)械性能比A3(Q235)要優(yōu)(其屈服極限為235 MPa、強(qiáng)度極限為375～500 MPa)；并且45號(hào)鋼便于局部表面淬火或整體調(diào)質(zhì)處理，以便滿足推力軸承瓦支柱對(duì)材料性能的要求。在設(shè)計(jì)過程中對(duì)綜合機(jī)械性能要求較高或受力狀況比較復(fù)雜的構(gòu)件往往采用45號(hào)或40Cr等。

從表1的結(jié)果可知，推力軸承瓦支柱的材料是45號(hào)鋼，45號(hào)鋼加工成推力軸承瓦支柱可能采取如下幾種形式：圓鋼坯料直接加工而成、圓鋼坯料直接加工經(jīng)熱處理而成、圓鋼坯料鍛造經(jīng)調(diào)質(zhì)處理加工而成，鑄件加工而成。推力軸承瓦支柱究竟是45號(hào)鋼采用何種形式而成，直接影響其綜合機(jī)械性能。使用硬度計(jì)對(duì)推力軸承瓦支柱各個(gè)不同表面進(jìn)行布氏硬度測(cè)量(見表2)和在硬度較高處進(jìn)行金相組織分析(見圖1)的辦法驗(yàn)證推力軸承瓦支柱是采用上述哪種材料。

從表2可看出，推力軸承瓦支柱與推力軸承瓦接觸面的硬度與45號(hào)鋼局部淬火硬度相當(dāng)，推力軸承瓦支柱非接觸面的硬度與45號(hào)鋼棒料直接加工的材料硬度相近。

a 45號(hào)鋼淬火處理的標(biāo)準(zhǔn)金相組織 b 推力軸承瓦支柱推力軸承瓦接觸表面金相組織

(鐵素體+珠光體)

100× 4%硝酸酒精溶液浸蝕 100×

圖1 推力軸承瓦支柱的受壓表面經(jīng)磨削加工后進(jìn)行金相組織分析結(jié)果

從圖1a和圖1b對(duì)比可知，推力軸承瓦支柱與推力軸承瓦接觸面的金相組織(鐵素體+珠光體)與45號(hào)鋼淬火處理的標(biāo)準(zhǔn)金相組織相近，該處金相組織為淬火處理金相組織。

綜合硬度檢測(cè)和金相組織分析結(jié)果，失效的推力軸承瓦支柱為圓鋼棒料加工并對(duì)推力軸承瓦支柱與推力軸承瓦接觸面局部淬火熱處理而成。

2.2 結(jié)構(gòu)受力有限元分析

機(jī)械構(gòu)件的失效不但與構(gòu)件采用的材料有關(guān)，構(gòu)件的受力狀況也是造成構(gòu)件失效最重要的原因之一。為了探究推力軸承瓦支柱失效的原因，還對(duì)推力軸承瓦支柱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析。

推力軸承瓦支柱的結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析計(jì)算方法：采用有限元分析軟件，建立推力軸承瓦支柱結(jié)構(gòu)三維有限元數(shù)學(xué)計(jì)算模型，并采用線彈性有限元法，把推力軸承瓦支柱結(jié)構(gòu)離散為實(shí)體單組成的彈性結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度，模型按照失效推力軸承瓦支柱圖紙進(jìn)行實(shí)體建模。

推力軸承瓦支柱結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型及參數(shù)如下所示(見圖2)。

(1)單元剖分

推力軸承瓦支柱數(shù)8塊，以一整塊推力軸承瓦支柱為分析對(duì)象，建立計(jì)算模型。計(jì)算模型的單元總數(shù)為258 827個(gè)。

(2)約束處理

推力軸承瓦支柱底部受到六向的支撐約束，其他自由度約束。

(3)計(jì)算載荷

計(jì)算載荷主要考慮作用在推力軸承瓦支柱上的水推力和水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分自重，水推力：842.8 kN(86 t)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量：140.3 kN(14.3 t)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子重量：784.8 kN(80 t)，合力：176.8 kN(180.3 t)，平均單塊推力軸承瓦支柱受力：221.7 kN(22.6 t)，在此計(jì)算未考慮推力軸承瓦支柱之間受力不均勻性。

(4)結(jié)構(gòu)尺寸與材料特性

結(jié)構(gòu)的外形尺寸按設(shè)計(jì)圖紙取用。結(jié)構(gòu)材料為45號(hào)鋼,局部表面熱處理。其屈服極限為355 MPa,強(qiáng)度極限為600 MPa，計(jì)算時(shí)取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比取μ=0.3。

圖2 推力軸承瓦支柱模型

(5)計(jì)算結(jié)果及分析

從計(jì)算結(jié)果看，推力軸承瓦支柱整體應(yīng)力值分布未見明顯異常。應(yīng)力值最大在底部8個(gè)突臺(tái)與主體結(jié)構(gòu)過渡的圓角頂點(diǎn)處300 MPa左右，其他圓角過渡處應(yīng)力值在180 MPa左右(見圖3)。

圖3 推力軸承瓦支柱計(jì)算結(jié)果

從硬度檢測(cè)和金相組織分析結(jié)果看，失效的推力軸承瓦支柱是45號(hào)圓鋼棒料加工經(jīng)對(duì)推力軸承瓦支柱與推力軸承瓦接觸面局部淬火熱處理而成。從推力軸承瓦支柱結(jié)構(gòu)形式和對(duì)綜合機(jī)械性能要求并結(jié)合當(dāng)時(shí)的工業(yè)水平，采用45號(hào)這種材料并進(jìn)行這樣方法處理是比較合理的。

推力軸承瓦支柱的結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析結(jié)果表明，推力軸承瓦支柱整體應(yīng)力值分布未見明顯異常。應(yīng)力值最大在底部8個(gè)突臺(tái)與主體結(jié)構(gòu)過渡的圓角頂點(diǎn)處300 MPa左右，接近45號(hào)鋼的屈服極限為355 MPa。本次結(jié)構(gòu)有限元強(qiáng)度分析的載荷只取用了靜載荷，并且只考慮8塊推力軸承瓦支柱均勻受力。如果考慮單塊推力軸承瓦支柱受力的不均勻性和動(dòng)載及其他偶然載荷，上述應(yīng)力值較大處的實(shí)際應(yīng)力會(huì)更大。

3 結(jié) 語(yǔ)

從以上試驗(yàn)分析研究結(jié)果看，推力軸承瓦支柱細(xì)微處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不盡合理，造成局部應(yīng)力過大，是推力軸承瓦支柱失效的原因之一；是否還有其他更主要的原因，有待進(jìn)一步研究分析。

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責(zé)任編輯 吳 昊

2014-09-24

鄒南城(1964-)，男，高級(jí)工程師，主要從事水電廠生產(chǎn)管理工作。