趙 煒，閔占奎，沈渭程，劉秀良，陳柏旭，甄文喜

（國網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州730070）

0 前言

推力軸承是水輪發(fā)電機組最重要的部件之一，它承受著發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部分重量和軸向水推力等荷載，其運行好壞直接影響到機組的安全穩(wěn)定運行。引起推力軸承損壞的原因很多[1]，如機組振動故障造成的不穩(wěn)定性[2]，結(jié)構(gòu)設(shè)計及加工質(zhì)量的影響，安裝和運行管理的影響[3]、水推力[4]和電磁力[5]的影響等。同時，所使用推力瓦的材質(zhì)[6-7]以及推力軸承的油膜特性[8]也對推力軸承的運行穩(wěn)定性有著較大影響。本文針對劉家峽水電廠7號、8號機組出現(xiàn)的推力軸承損壞問題，通過從上述多個方面進(jìn)行研究，分析了造成此事故的原因，并總結(jié)出解決此類問題的基本方法以及一般過程。

劉家峽水電廠7號、8號機位于劉家峽水電廠左岸，安裝在“穿黃排沙”洞出口處，單機容量150 MW。該排沙洞是截排洮河泥沙，解決洮河泥沙對劉家峽水庫、大壩安全運行和現(xiàn)有電站機組安全經(jīng)濟運行的威脅而建的。工程由西北水電勘測設(shè)計研究院設(shè)計，發(fā)電設(shè)備由哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司制造，機電安裝由中國水利水電第六工程局安裝分局安裝，中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司監(jiān)理，中國水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司監(jiān)造。2015年4月開始機組安裝、調(diào)試工作，2018年7月6日和7月8日，8號機、7號機相繼并網(wǎng)發(fā)電運行。

1 機組和推力軸承主要參數(shù)

表1 水輪機主要技術(shù)參數(shù)

表2 推力軸承主要技術(shù)參數(shù)

彈性金屬塑料瓦相對于傳統(tǒng)的烏金瓦有如下幾個優(yōu)點：性能優(yōu)，單位壓力低，運行溫度低，承載力大；運行工況靈活；安裝檢修方便；可取消頂起裝置；壽命長久耐用等等，正因為有以上優(yōu)點，現(xiàn)在世界上許多水電站都使用彈性金屬塑料瓦。

2 事故過程

2018年7月8日21：00，7號機完成變負(fù)荷能量特性和穩(wěn)定性特性試驗后，啟動8號機準(zhǔn)備做2臺機同時運行條件下的能量特性和穩(wěn)定性特性試驗，并帶額定負(fù)荷運行至約21：50后，發(fā)生了推力軸承溫度達(dá)55℃報警、并很快升至60℃停機、推力軸承損壞事故。

2018年7月20日凌晨2：40，7號機在排沙洞排完沙后自動開機帶額定負(fù)荷運行后不久，又發(fā)生推力瓦溫度升高機組停機事故，推力軸承損壞，而且規(guī)律現(xiàn)象與8號機情況十分相似。

3 事故原因分析

推力軸承要能夠正常運行，在推力瓦面與鏡板之間的油膜質(zhì)量至關(guān)重要。7號機、8號機推力軸承損壞，主要是鏡板與彈性塑料推力瓦面油膜減少或消失所致，這里機組啟動初期推力油膜未形成或油膜厚度未達(dá)設(shè)計要求、且頂蓋壓力大是關(guān)鍵，具體原因分析如下。

3.1 可以排除的因素

（1）機組穩(wěn)定性

劉家峽水電廠7號機、8號機空載啟動調(diào)試完成后，機組各部位的振動擺度值滿足相關(guān)要求，而且并網(wǎng)帶負(fù)荷試驗也證明，除8號機在振動區(qū)振動值稍大外，其他負(fù)荷工況運行穩(wěn)定性良好，試驗數(shù)據(jù)見表3、表4。從振動方面講，2臺機具備安全運行的條件。查看了發(fā)生事故前后機組振動數(shù)據(jù)變化情況，發(fā)現(xiàn)機組振動狀態(tài)無異常，事故原因與振動關(guān)系甚微。

表3 劉家峽水電廠7號機變負(fù)荷試驗數(shù)據(jù) 單位：μm、kPa

（2）轉(zhuǎn)子高程

查閱了該機組（8號機組）安裝數(shù)據(jù)，如轉(zhuǎn)子高程是否偏差過大，引起發(fā)電機勵磁后軸向力增大所致，但經(jīng)查轉(zhuǎn)子安裝高程差在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，不會引起此次事故。

（3）軸承冷卻供水

分析了軸承冷卻水變化對軸承溫度影響，認(rèn)為機組啟動過程中雖然冷卻水壓力有變化，甚至出現(xiàn)短時中斷現(xiàn)象，但也不會造成如此后果。標(biāo)準(zhǔn)DL/T 622《立式水輪發(fā)電機彈性金屬塑料推力軸瓦技術(shù)條件》規(guī)定“新設(shè)計的塑料推力瓦，一般允許斷水運行時間不少于20 min”，8號機事故過程中，軸承冷卻水出現(xiàn)間斷約5 min在允許范圍內(nèi)。

3.2 可能因素

（1）推力軸瓦質(zhì)量

檢查了損壞軸承實物表面形態(tài)，外表檢查發(fā)現(xiàn)16塊瓦面損壞程度不同，可能存在某塊瓦性能質(zhì)量有問題，比如：某塊瓦受力調(diào)整偏差大、推力瓦瓦面彈性層邊緣的焊錫與彈性體焊接點存在脫粒、推力瓦材質(zhì)本身存在缺陷、或塑料推力瓦實際許用單位壓力不滿足設(shè)計等，某塊瓦先行損壞后引起連鎖反應(yīng)，最后全部損壞。

（2）軸承潤滑油

由于機組從第一次啟動調(diào)試至事故發(fā)生時，軸承潤滑油未更換，也未過濾過，可能油中含有導(dǎo)致影響油膜和損傷瓦面的雜質(zhì)，在運行過程中帶入軸瓦與鏡板之間，引起事故發(fā)生（7號機排油后現(xiàn)場檢查時確實發(fā)現(xiàn)油槽中有雜物），但這種機率很小。

表4 劉家峽水電廠8號機變負(fù)荷試驗數(shù)據(jù) 單位：μm、kPa

3.3 主要因素

（1）推力軸瓦進(jìn)油邊設(shè)計

推力軸承設(shè)計制造進(jìn)油邊深度和坡度時是否考慮了過機沙量大、水推力相對大的特殊因素。如果推力軸承進(jìn)油邊深度和坡度不滿足此機組工況特殊的要求，就難以形成滿足需求的油膜。從損壞軸承面瓦狀態(tài)看，進(jìn)油邊深度偏小，如圖1所示。圖中左側(cè)為進(jìn)油邊。

圖1 推力軸承進(jìn)油邊圖

（2）推力軸承變形問題

2臺機推力軸承損壞后的表面狀態(tài)，顯示半徑方向明顯出現(xiàn)中間損壞嚴(yán)重，內(nèi)外側(cè)損傷較輕現(xiàn)象，如圖2所示。這說明推力瓦受力中間大、內(nèi)外側(cè)小，而造成這種情況的原因，一是推力瓦面制造時可能中間高、內(nèi)外側(cè)低，二是由于軸承性能質(zhì)量有問題導(dǎo)致溫度升高后變形不均勻所致，其后果是推力軸承受力狀態(tài)發(fā)生變化，使軸瓦中部受力過大油膜破壞，干摩擦損壞。

圖2 推力軸承損壞表面形態(tài)

（3）水推力過大

從2臺機發(fā)生事故的全過程現(xiàn)象規(guī)律分析，機組剛啟動不久推力軸承油膜未完全形成或油膜在轉(zhuǎn)動體重量和大含沙量水推力共同作用下被破壞，應(yīng)該是事故的主要原因。7號、8號機水輪機頂蓋壓力比其他機組大的多，如表5所示。其中除7號、8號機外，5號機頂蓋壓力相對較大，而5號機為了避免開機過程損壞推力軸承，設(shè)計有高壓油頂起裝置，每次啟機時自動投入，強行形成油膜。7號、8號機推力軸承設(shè)計制造時可能已經(jīng)考慮了頂蓋壓力大問題，但如果沒有考慮泥沙含量劇增、水推力顯著增大的特殊情況，那泥沙含量大增時水推力也將大增，使推力瓦的受力特性發(fā)生顯著變化，很容易引發(fā)巨大水推力損壞推力油膜、造成干摩擦損壞事故。

表5 劉家峽水電廠機組水輪機頂蓋壓力值比較

據(jù)了解，排沙洞岔口至調(diào)壓井距離300 m以上，而排沙洞岔口處無閘門，故排沙時泥沙會不斷進(jìn)入并淤積在發(fā)電引水洞內(nèi)。因排沙時機組停機，進(jìn)入洞內(nèi)的泥沙隨著時間延長淤積越來越多。當(dāng)發(fā)電引水洞內(nèi)淤積了大量泥沙后開機運行，洞內(nèi)淤積的大量泥沙就會進(jìn)入機組，并隨著機組負(fù)荷增加、流速增大，大量積沙將翻起，過機沙量不斷增大。如2臺機同時運行，洞內(nèi)流速顯著加快，勢必將淤積在洞內(nèi)的泥沙雪崩式的帶入機組，造成機組水推力劇增，超過推力軸承設(shè)計安全受力極限，造成油膜破壞損壞軸承。因該推力軸承是按含沙量30 kg/m3設(shè)計的，而現(xiàn)在每次排完沙后啟機時，實際最大過機泥沙含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過此值。

從7號、8號機發(fā)生事故的條件看，都是在排沙洞排完沙后啟動帶滿負(fù)荷不久出現(xiàn)的，這與剛排完沙后啟動機組時淤積在發(fā)電引水洞內(nèi)的大量泥沙短時間內(nèi)集中通過機組、水推力劇增關(guān)系密切，之所以運行一段時間后未發(fā)生事故，是淤積在發(fā)電引水洞內(nèi)的泥沙減少直至流走，水推力正常。

試驗數(shù)據(jù)表明，7號、8號機從空載到額定負(fù)荷變化時，頂蓋腔內(nèi)壓力變化較大，如表6所示。2臺機在正常啟動和排完沙啟動后，在空載工況運行多次都正常，推力軸承損壞事故都是在額定負(fù)荷工況下發(fā)生的，也就是說，都是在頂蓋壓力大、即水推力大時發(fā)生的。在排完沙過機沙量大的情況下機組空載運行時，由于頂蓋壓力值較小，在來水含沙量一樣的情況下，推力軸承受力就小。而額定負(fù)荷時頂蓋壓力顯著提高（空載時的2倍多），推力軸承受力大增，這就是2臺機推力軸承都是在額定負(fù)荷狀態(tài)下?lián)p壞的原因。如果推力軸承設(shè)計制作時充分考慮到機組的這種特殊情況，這類事故也就不會發(fā)生。7號、8號機頂蓋壓力大，一是設(shè)計迷宮間隙值大（7號機達(dá)到5 mm），二是轉(zhuǎn)輪無減壓泄水孔。

表6 劉家峽水電廠7號、8號機不同負(fù)荷時頂蓋腔壓力值

4 預(yù)防措施

（1）推力軸承制造廠家應(yīng)該提供推力瓦面與測溫計之間的溫差值和溫度傳遞時間，以便電廠設(shè)置軸承安全溫度報警值。

（2）根據(jù)機組頂蓋壓力大和汛期過機沙量短時內(nèi)巨增的特點，廠家應(yīng)重新優(yōu)化設(shè)計制造符合實際情況的推力軸承，并嚴(yán)格按要求安裝。廠家在機組不同負(fù)荷和不同過機沙量條件下測量了下機架變形情況，據(jù)此算出推力軸承載荷，為優(yōu)化軸承提供依據(jù)。

（3）考慮到隨著機組運行時間延長，水輪機上迷宮間隙會因泥沙磨損逐漸增大，屆時頂蓋腔壓力將會進(jìn)一步增大，對推力軸承安全的危害也將進(jìn)一步增大。如果頂蓋結(jié)構(gòu)條件允許，可以考慮在頂蓋上安裝2個減壓排水管（對稱方向），在汛期過機泥沙含量大時開閥排水降低頂蓋壓力，以降低推力軸承載荷，泥沙含量小時關(guān)閥門不排水。汛期以安全為主，效率為輔，而且頂蓋排水減壓對效率影響很小。機組A修時，也可以通過補焊和噴涂抗磨層的辦法減小水輪機上迷宮間隙，以降低頂蓋腔壓力。

（4）排沙洞與發(fā)電引水洞岔口處，在發(fā)電引水洞側(cè)只有攔污柵、無閘門，考慮在此處設(shè)計安裝閘門，在停機排沙時落下閘門擋住排沙期間泥沙進(jìn)入發(fā)電引水洞淤積，避免每次排完沙啟機時淤積在洞內(nèi)的大量泥沙進(jìn)入機組引起過流部件磨損和增加機組水推力，減輕推力軸承載荷。

（5）在目前條件下，排沙洞排完沙后機組啟動時應(yīng)先頂轉(zhuǎn)子，以便啟動前形成自然油膜，并在額定轉(zhuǎn)速空載運行一段時間（約30 min）后再逐漸增加負(fù)荷?？紤]到每次開機頂轉(zhuǎn)子麻煩，以后有條件時考慮加裝高壓油頂起裝置，并在啟動流程中加入，以改善機組啟動初期推力軸承油膜形成的條件。

以上（2）、（3）、（4）、（5）措施，如果實施一條，推力軸承的安全性就基本能得到保證，多一條措施，安全系數(shù)加大。

（6）在汛期泥沙含量大時，尤其在排沙洞排完沙啟動機組初期，從蝸殼取水管每隔5 min或小于5 min取水樣測定含沙量，繪制以時間為橫坐標(biāo)的含沙量曲線，并與機組轉(zhuǎn)動體軸向位移曲線比較，找出含沙量與推力軸承受力情況關(guān)系。

（7）目前，當(dāng)黃河來水泥沙增大和主河道流量變小時，機組循環(huán)冷卻水水溫有5℃以上升溫情況，這對機組來說也是一種危險因素。根據(jù)觀察分析，這與泥沙含量大、流速小時，循環(huán)水池尾水冷卻器表面被泥沙覆蓋包裹有關(guān)，應(yīng)考慮對尾水冷卻器進(jìn)行完善改造。

（8）該機組振動在線檢測裝置裝有測量抬機量的傳感器，但安裝在下機架上，忽略了下機架平衡位置隨機組軸向推力的變化而變化的問題。所以要把該傳感器移到上機架上，在監(jiān)測抬機量的同時，測量機組水推力增大時推力彈性油箱和下機架變形量，間接觀測過機泥沙量增大時推力軸承受力變化情況。

5 結(jié)論

劉家峽水電廠7號、8號機發(fā)生推力軸承損壞事故，是推力軸瓦進(jìn)油邊設(shè)計不滿足要求、推力軸承變形、水推力過大等多種因素共同作用造成的，進(jìn)而導(dǎo)致油膜建立不充分，推力瓦與鏡板干摩擦損壞。推力軸承損壞還與推力軸瓦質(zhì)量存在缺陷、軸承潤滑油中含有雜質(zhì)有關(guān)，但這不是決定性因素。通過優(yōu)化推力軸承設(shè)計、在頂蓋安裝減壓排水管、在發(fā)電引水洞口增設(shè)閘門、研究水流含沙量與推力軸承受力關(guān)系、對技術(shù)供水尾水冷卻器進(jìn)行完善改造等方法，可以預(yù)防推力軸承出現(xiàn)本文所描述的損壞問題。在目前條件下，最直接的方法是排沙洞排完沙后機組啟動時先頂轉(zhuǎn)子，以便啟動前形成自然油膜，并在額定轉(zhuǎn)速空載運行一段時間（約30 min）后再逐漸增加負(fù)荷，即可防止此類事故發(fā)生。