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        太平江一級水電站3號水輪機抗磨環(huán)磨損分析及處理

        2015-07-28 07:02:50包國強
        水電站機電技術(shù) 2015年6期
        關(guān)鍵詞:更換處理措施磨損

        包國強

        (大唐(云南)水電聯(lián)合開發(fā)有限責(zé)任公司,云南 昆明 650000)

        太平江一級水電站3號水輪機抗磨環(huán)磨損分析及處理

        包國強

        (大唐(云南)水電聯(lián)合開發(fā)有限責(zé)任公司,云南 昆明 650000)

        摘要:水輪機主軸密封形式多樣,太平江一級水電站采用端面密封,轉(zhuǎn)環(huán)固定在主軸上,密封環(huán)安裝在檢修密封支撐蓋上部,利用密封水壓頂起密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)形成轉(zhuǎn)動水膜潤滑密封。3號機組檢修過程中發(fā)現(xiàn),主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)磨損嚴重、不能繼續(xù)使用。在工期緊迫的情況下,采用變更加工工藝的加工方法。將原設(shè)計碳鋼與不銹鋼焊接結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)環(huán)與抗磨環(huán)結(jié)構(gòu),更改為不銹鋼整體加工,減少了焊接程序。有效的縮短加工工期,保證了大修如期完成。改造后設(shè)備運行正常。

        關(guān)鍵詞:主軸密封轉(zhuǎn)換;磨損;分析;更換;處理措施

        1 簡介

        太平江一級水電站位于緬甸東北克欽邦(Kachin)境內(nèi)緊鄰中緬邊境的Dapein江上,工程區(qū)上游為中國云南省德宏傣族景頗族自治州盈江縣。壩址所在地距中緬第37號界樁約2.5 km。工程區(qū)距盈江縣城、瑞麗、芒市、昆明市、八莫的公路距離分別是90 km、170 km、241 km、876 km、60 km。水庫正常蓄水位253.00m,死水位250.00m。電站為引水式電站,主體建筑物包括:首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐,壩址控制流域面積6 010 km2,裝機4×60MW,立軸懸吊式水輪發(fā)電機組。設(shè)計多年平均發(fā)電量10.7億kW·h,4臺機組于2010年12月31日全部投產(chǎn)發(fā)電。工程規(guī)模為中型,工程等別為Ⅲ等。本工程的開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為單一開發(fā)目標(biāo),所發(fā)電量8%送往緬甸八莫市,其余92%送回中國境內(nèi)。

        2 事故過程

        3號機組大修過程中,拆除水輪機主軸密封后,發(fā)現(xiàn)主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)抗磨板及主軸密封條均磨損嚴重,轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)磨損寬度12mm,深度4mm,密封環(huán)深度8mm,寬度均整體(見圖1)。

        主軸密封拆除施工嚴格按照標(biāo)準工序進行,拆除前檢查轉(zhuǎn)環(huán)把合螺栓、轉(zhuǎn)環(huán)定位螺栓緊固,無缺損及松動現(xiàn)象;主軸密封導(dǎo)向銷正常無松動,據(jù)此,初步排除了外力的作用,即金屬相互摩擦引起磨損的可能性。

        圖1 磨損嚴重的抗磨環(huán)

        通過設(shè)計圖紙以及和生產(chǎn)廠家核對,轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)材料為H00Gr18Ni14Mo2不銹鋼,密封條為聚氟乙烯塑性材質(zhì)。后兩者材料不論硬度和強度、抗磨能力,均小于主軸密封抗磨環(huán)材質(zhì)。理論上不會引起主軸密封抗磨環(huán)磨損。

        3 磨損原因分析

        3.1主軸密封結(jié)構(gòu)

        正常運行時,通過機組技術(shù)供水向主軸密封內(nèi)通水,水壓約0.2MPa,壓力水通過密封環(huán)上均勻分布的8個水孔進入主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)集水槽。水壓受阻使密封條反浮向下,密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)形成水膜。

        3.2原因分析

        根據(jù)主軸密封結(jié)構(gòu)形式,分析原因如下:

        (1)主軸密封條內(nèi)、外均有兩圈盤根,原設(shè)計盤根直徑為6mm,由于加工原因,盤根實際直徑為6.5mm,密封環(huán)安裝間隙比設(shè)計偏小,導(dǎo)致密封環(huán)不能上下自由浮動。

        (2)機組轉(zhuǎn)動過程由于主軸密封供水管密封環(huán)水孔堵塞,導(dǎo)致密封環(huán)沒有上下浮動,造成密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)長時間干摩擦。

        (3)由于來水泥沙含量較大,夾雜著泥沙的水流進入轉(zhuǎn)環(huán)與密封環(huán)間間隙,長時間運行造成磨損。

        (4)轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)原有的分段凹形集水槽局部磨損,導(dǎo)致分段集水槽磨平,使得主軸潤滑密封水無法形成有效水膜。轉(zhuǎn)環(huán)與密封環(huán)接觸后形成真空,進而導(dǎo)致二者干摩擦。

        (5)主軸補氣閥調(diào)整彈簧過緊(實驗測試需1 570 N作用力才能開啟),從而不能有效對頂蓋補氣,轉(zhuǎn)輪上冠與頂蓋間空間長期處于負壓狀態(tài),導(dǎo)致密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)干磨。

        以上五種狀況都會導(dǎo)致抗磨環(huán)與密封嚴重磨損,最終出現(xiàn)相互鑲貼的、具有一定規(guī)則的凹凸面。

        針對上述分析,為了避免磨損情況再次發(fā)生,需要加強主軸密封水過濾器的維護,從而改善密封水水質(zhì),此外,還需調(diào)整主軸補氣閥動作值。

        4 修復(fù)方案

        對3號機組損壞的主軸密封的修復(fù)工作,存在2種方案:

        ①按照原設(shè)計,主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)與抗磨環(huán)由不同材料制作,經(jīng)焊接連接。

        ②主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)與抗磨環(huán)使用同一材料整體加工。

        主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)與水輪機主軸通過緊配方式安裝,間隙為0.02~0.06mm,如果不采取措施隨意補焊抗磨環(huán),會導(dǎo)致其焊接變形,影響轉(zhuǎn)環(huán)安裝尺寸。

        主軸密封裝配如圖2所示。

        (1)如圖2所示,區(qū)域1和區(qū)域2按照設(shè)計圖紙采用的是焊接結(jié)構(gòu)。尤其對于區(qū)域2,因焊縫狹小根部不能滿焊,廠家反饋我廠在設(shè)備制造過程中,曾經(jīng)因焊接變型等原因?qū)е略摬课患庸び嗔坎蛔愫缚p裸露,最終報廢一臺后重做。

        (2)對于區(qū)域4,該部位尺寸是與主軸實際尺寸配車,以保證加工精度。此次如對3號轉(zhuǎn)環(huán)只更換抗磨板,在區(qū)域2的焊接過程中會導(dǎo)致區(qū)域4內(nèi)孔收縮變型。從而使得該部位局部加工余量不足,工藝上考慮會對余量不足部分進行補焊再加工,同樣能夠達到裝配尺寸的要求。

        (3)無論是重新按原設(shè)計圖紙進行制作,還是對現(xiàn)有轉(zhuǎn)環(huán)進行更換抗磨板,制作周期基本上都需要45 d左右。這2種方案生產(chǎn)廠家都能進行,但是根據(jù)我廠的進度要求,我廠與生產(chǎn)廠家都不能按時完成。為了縮短制作周期,保證轉(zhuǎn)環(huán)各尺寸要求、裝配要求及抗磨性。從技術(shù)角度與工藝角度分析,對于區(qū)域3部分用整塊不銹鋼板整體加工而成。由此可取消區(qū)域1和區(qū)域的焊接工作,并能有效控制其它部位的焊接變型,各尺寸的加工精度更能得到保證,由此可大大縮短制作周期,并基本能保證在大修工期內(nèi)15d供貨的要求。

        通過技術(shù)及工藝角度分析,可以改變工藝方法,將轉(zhuǎn)環(huán)用整塊1Cr18Ni9Ti或者0Cr18Ni9鋼板加合縫板進行整體加工,最終決定利用0Cr18Ni9鋼板(如圖3、圖4所示)焊接部位取消,采用整體加工。

        圖2 主軸密封裝配圖

        圖3 轉(zhuǎn)環(huán)與抗磨換裝配

        圖4 取消抗磨換與轉(zhuǎn)環(huán)焊接面采用整體加工

        5 主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)新加工的優(yōu)越性

        (1)縮短了加工工期。按照原設(shè)計方案整個加工工期達45 d,新工藝只需要15 d。

        (2)避免焊接變形。采用0Cr18Ni9鋼板直接加工避免混合材質(zhì)焊接引起的變形而導(dǎo)致報廢。

        (3)工藝新穎、技術(shù)先進。由于轉(zhuǎn)環(huán)不受較大外力的作用,不存在剛性和硬度的過高要求,0Cr18Ni9鋼板完全可以滿足技術(shù)要求,且具有以下優(yōu)點:

        a)減小汽蝕,延長使用壽命:主軸密封轉(zhuǎn)環(huán)與主軸緊密配合,原碳鋼材質(zhì)是主要考慮了材料的剛度和硬度,忽視了潮濕部位的銹蝕、汽蝕因素,大大影響了轉(zhuǎn)環(huán)使用壽命。全部采用0Cr18Ni9鋼板整體加工減小了銹蝕和汽蝕,延長了設(shè)備使用壽命。

        b)易于安裝:0Cr18Ni9材質(zhì)較輕,狹小部位便于安裝,緊密配合安裝容易拉伸。

        (4)經(jīng)濟效益較優(yōu)。原工藝無論是補焊處理還是重新加工都耗時過長,滿足不了工期要求,延長了機組檢修周期,影響機組發(fā)電并網(wǎng)。新工藝工期短能滿足檢修工期要求,從整體檢修工期的角度上來看節(jié)省了費用。

        (5)質(zhì)量可靠、便于推廣。安裝完成后整體試驗表明轉(zhuǎn)環(huán)與主軸的配合間隙滿足要求,機組運行穩(wěn)定。由于0Cr18Ni9材質(zhì)柔性較好便于調(diào)整加工公差,尤其適用于緊密配合部件裝配,便于推廣應(yīng)用。

        6 安裝及水壓試驗

        安裝及試驗過程:

        (1)預(yù)裝情況:分半轉(zhuǎn)環(huán)通過螺栓連接,利用力矩扳手調(diào)整組合螺栓預(yù)緊力為280N·m。測量轉(zhuǎn)環(huán)X、Y方向直徑分別為:DX=793.03mm,DY=793.02mm,符合設(shè)計及安裝要求(主軸直徑793mm)。測量抗磨環(huán)X、Y方向直徑分別為:DX=800.02mm,DY=800mm,符合設(shè)計與安裝要求(設(shè)計尺寸800mm)??鼓キh(huán)厚度7mm,抗磨環(huán)寬度40mm;轉(zhuǎn)環(huán)放在加工精度6.3的鋼板上,使用0.03mm塞尺不能通過,表明加工精度符合要求。檢查水平度及垂直度符合要求,均勻分布的4支頂絲與主軸配車方位吻合。

        (2)正式安裝:轉(zhuǎn)環(huán)在機組盤車結(jié)束后開始安裝。

        a)轉(zhuǎn)環(huán)把合面涂L515密封膠。

        b)轉(zhuǎn)環(huán)與主軸把合后利用280N·m力矩扳手檢查。頂絲扭緊后檢查轉(zhuǎn)環(huán)徑向、軸向無松動。

        c)待主軸密封安裝完成后進行水壓試驗,主軸密封水壓0.2MPa,密封環(huán)抬升量符合要求,檢查密封環(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)抗磨環(huán)間隙均勻,過水均勻。密封水?dāng)嗔骱竺芊猸h(huán)與轉(zhuǎn)環(huán)分離。反復(fù)試驗3次,均正常。

        (3)安裝完成后軸向、徑向間隙符合設(shè)計要求,徑向偏差為10%,符合規(guī)范要求。密封環(huán)上下自由移動,與轉(zhuǎn)環(huán)密封面接觸良好,供水管路暢通。

        7 結(jié)束語

        隨著我國科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展,水電領(lǐng)域的創(chuàng)新與改進也在迅速革新。水電廠主軸密封結(jié)構(gòu)形式多樣化,簡單、實用、檢修維護方便已是現(xiàn)代水輪發(fā)電機組水輪機部件選型的基本要求。每個水電站大修時間總工期總是確定的,在大修物資計劃中人們往往忽視非常規(guī)設(shè)備的備件問題,一但出現(xiàn)非常規(guī)設(shè)備損壞問題,一般會導(dǎo)致工期的延誤、造成經(jīng)濟損失。為了不影響工期、按時完成檢修任務(wù)。在大修物資準備階段一定要注意非常規(guī)設(shè)備、零部件的計劃采購,以備不時之需。零部件材質(zhì)的選擇也非絕對必須符合設(shè)計圖紙,在技術(shù)、工藝滿足的條件下可以市場選擇。本文原主軸密封轉(zhuǎn)壞材質(zhì)為Q275與不銹鋼1Cr18Ni9Ti。此次3號機組大修為了不影響工期、采取加工轉(zhuǎn)環(huán)材質(zhì)全部為不銹鋼板1Cr18Ni9Ti。滿足技術(shù)及工藝要求的同時,工期的保證就是經(jīng)濟利益的保證,也符合效益導(dǎo)向、價值思維的觀念。

        參考文獻:

        [1]哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司.圖紙及安裝技術(shù)手冊[Z].

        [2]GB/T8564-2003水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范[S].

        [3]DL/T 817-2002立式水輪發(fā)電機組檢修技術(shù)規(guī)程[S].

        中圖分類號:TK730.8

        文獻標(biāo)識碼:B

        文章編號:1672-5387(2015)06-0054-03

        DOI:10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.015

        收稿日期:2015-03-02

        作者簡介:包國強(1985-),男,助理工程師,從事水電站機械檢修工作。

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