廣蓄電站二期工程6號(hào)機(jī)組推力軸瓦燒損事故處理

廣蓄電站二期工程6號(hào)機(jī)組推力軸瓦燒損事故處理

1推力軸瓦試驗(yàn)在電氣公司的第二階段，配備了四臺(tái)最大負(fù)荷為300m的懸吊式蓄能機(jī)。其中，電動(dòng)汽車由德國(guó)西門子公司（siiens）生產(chǎn)、銷售和現(xiàn)場(chǎng)安裝（僅由現(xiàn)場(chǎng)代表和監(jiān)督，現(xiàn)場(chǎng)安裝的實(shí)際情況由中國(guó)水電工程第四設(shè)備局廣東分行承擔(dān)，但安裝進(jìn)度和質(zhì)量保修責(zé)任仍由西門承擔(dān)。德國(guó)蘭花電氣廠負(fù)責(zé)電氣工程的設(shè)計(jì)和制造，但動(dòng)力軸瓦由英國(guó)michal公司供應(yīng)。廣蓄二期機(jī)組編號(hào)續(xù)廣蓄一期機(jī)組編號(hào)之后,分別為5、6、7、8號(hào)。機(jī)組推力軸承和上導(dǎo)軸承同裝于電動(dòng)發(fā)電機(jī)上機(jī)架上的“推—導(dǎo)組合軸承箱”內(nèi),采用外加泵外循環(huán)油—水冷卻器冷卻方式。推力軸承瓦塊由一個(gè)彈性圓盤支撐,彈性圓盤的球形曲面支承在剛性支承塊的支承平面上,可以自由偏轉(zhuǎn),以使軸瓦與鏡板之間形成楔狀油膜。圓盤彈性變形可以吸收軸瓦上的不均勻荷載。廣蓄二期蓄能機(jī)組的推力軸承支承型式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能較好,但其對(duì)材質(zhì)和單件加工精度要求高,應(yīng)用于大容量、高轉(zhuǎn)速的蓄能機(jī)組,在我國(guó)是首次引進(jìn)和采用。廣蓄二期首臺(tái)機(jī)組(5號(hào)機(jī))在1998年9月7日開始起動(dòng)調(diào)試。推力軸瓦在不同運(yùn)行工況時(shí)測(cè)得最高瓦溫為:空載工況73℃;發(fā)電工況帶額定負(fù)荷70℃;抽水工況78℃,如果投入直流頂起高壓油泵(下稱DC泵),則回落到73℃。上列推力軸瓦運(yùn)行溫度超過了《主機(jī)合同》規(guī)定值(主機(jī)合同規(guī)定軸承在各種運(yùn)行工況的瓦溫,期望值小于或等于65℃,保證值不超過70℃)。在整個(gè)調(diào)試過程中,5號(hào)機(jī)組推力瓦溫一直處于偏高狀態(tài),檢查冷卻水系統(tǒng)是正常的,檢測(cè)安裝在推力軸瓦上油膜傳感器,顯示進(jìn)油邊油膜厚140μm,出油邊油膜厚70μm,平均油膜厚達(dá)105μm,膜厚比為2,屬良好狀態(tài)。當(dāng)時(shí),找不出瓦溫偏高的理由,考慮到國(guó)內(nèi)外同類機(jī)組推力瓦溫已有80~90℃先例,決定暫時(shí)放寬對(duì)推力瓦溫的限制,期望通過可靠性運(yùn)行,使軸承磨合保持瓦溫的穩(wěn)定和下降。但為了安全,對(duì)推力軸瓦運(yùn)行溫度作了新的限定:當(dāng)瓦溫達(dá)到75℃時(shí),DC泵自動(dòng)投入運(yùn)行,當(dāng)瓦溫達(dá)到78℃時(shí),機(jī)組自動(dòng)報(bào)警并自動(dòng)停機(jī)。5號(hào)機(jī)組自投入可靠性運(yùn)行(試運(yùn)行)后,在抽水工況運(yùn)行時(shí),DC泵投入運(yùn)行間隔約為20min,但沒有出現(xiàn)推力瓦溫達(dá)到78℃情況,發(fā)電工況運(yùn)行時(shí),投DC泵機(jī)會(huì)很少。機(jī)組在設(shè)定條件下能夠正常運(yùn)行。在6號(hào)機(jī)組起動(dòng)調(diào)試過程中,先后發(fā)生了兩次推力軸承燒損事故。第一次發(fā)生在機(jī)組首次起動(dòng)后,進(jìn)行空載工況軸承溫升試驗(yàn)過程中;第二次發(fā)生在機(jī)組經(jīng)事故處理,恢復(fù)調(diào)試,進(jìn)行到水泵調(diào)相工況試驗(yàn)時(shí)。對(duì)于這兩次事故,西門子公司和工程建設(shè)業(yè)主都十分關(guān)注,進(jìn)行了深入的調(diào)查研究,提出了各種事故處理措施和方案。事故分析及處理分述如下。2事故分析2.1第一次事故調(diào)查和處理第一次事故發(fā)生之前,為軸承溫升試驗(yàn)已經(jīng)有3次開機(jī),均因瓦溫分別達(dá)到75、77和78℃而停機(jī)中斷試驗(yàn),但沒有查出瓦溫高的原因。又按自動(dòng)開機(jī)程序進(jìn)行第4次軸承溫升試驗(yàn),開機(jī)后達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí),AC泵(交流高壓頂起油泵)和DC泵自動(dòng)退出,5、10號(hào)推力瓦溫升至75℃,調(diào)試工程師立即手動(dòng)投入DC泵,但7、10號(hào)推力瓦溫很快升至80℃,調(diào)試工程師當(dāng)即手動(dòng)停機(jī),此時(shí)在溫度顯示屏上顯示10號(hào)推力瓦溫超過200℃,其余11塊推力瓦溫均超過110℃。經(jīng)檢查,推—導(dǎo)組合軸承油盆內(nèi)有大量巴氏合金粉末和不規(guī)則的巴氏合金熔塊、黑色切屑狀金屬絲沉淀;12塊上導(dǎo)軸瓦均被卡死,推力頭下沉約6mm;推力頭鏡板與推力瓦粘結(jié);在鏡板平面中部寬約170mm范圍內(nèi)有深3~5mm的環(huán)向刮痕;12塊推力瓦上厚4mm的巴氏合金瓦面幾乎全部磨掉;推力瓦中心的頂起油泵噴油孔被熔的巴氏合金全部堵塞;12根銅質(zhì)刮油板被磨平。對(duì)于第一次事故,西門子公司和柏林電機(jī)廠均派專家到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了事故調(diào)查,在德國(guó)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)核,基本結(jié)論是原設(shè)計(jì)計(jì)算正確,在現(xiàn)場(chǎng)也沒有發(fā)現(xiàn)造成事故的致命隱患,因此很難判斷事故的真實(shí)原因,僅提出幾種可能性:出現(xiàn)了有危害的暫態(tài)過程;推力軸承安裝誤差過大;不滿足初始起動(dòng)條件。為了尋找事故的真實(shí)原因,希望盡快恢復(fù)調(diào)試。事故處理措施是按原設(shè)計(jì)恢復(fù),進(jìn)行了下列幾項(xiàng)工作:①在進(jìn)/出油邊鋼瓦坯上5mm邊緣按45°削角;②用7號(hào)機(jī)組推力頭替代6號(hào)機(jī)組損壞的推力頭;③重新選配推力軸瓦,并控制瓦面高差不大于±0.01mm;④在每塊推力軸瓦上安裝油膜測(cè)量傳感器;⑤清潔推—導(dǎo)組合軸承及冷卻系統(tǒng);⑥換新油并進(jìn)行過濾。對(duì)第一次事故的調(diào)查和處理過程將近有2個(gè)月時(shí)間,在1999年7月13日事故處理后重新起動(dòng)機(jī)組、恢復(fù)調(diào)試。先在空載工況不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行油膜狀態(tài)、軸承瓦溫和機(jī)組振動(dòng)測(cè)量。測(cè)量結(jié)果是:機(jī)組靜止不轉(zhuǎn)時(shí),分別投入AC泵和DC泵,測(cè)得靜壓油膜厚度平均為60μm;在50%額定轉(zhuǎn)速時(shí),AC泵和DC泵都投入情況下,進(jìn)油邊平均油膜厚度為104μm,出油邊平均油膜厚度為69μm;在100%額定轉(zhuǎn)速時(shí),AC泵和DC泵都投入情況下,進(jìn)、出油邊油膜厚度都降到60μm左右,并至少有3~4塊推力軸瓦的瓦面出現(xiàn)反傾現(xiàn)象(即油膜厚度進(jìn)油邊小于出油邊),推力瓦溫最高為82℃,最低為71℃。機(jī)組振動(dòng)值小于《主機(jī)合同》規(guī)定值。上述測(cè)量數(shù)值表明,第一次事故處理是不成功的,實(shí)測(cè)油膜狀態(tài)說明沒有建立起動(dòng)壓油膜,不能保證機(jī)組正常的安全運(yùn)行,潛伏著事故隱患,為了把各種試驗(yàn)完成,在各種工況下檢測(cè)了推力瓦的溫度、油膜狀態(tài),為推力軸瓦的進(jìn)一步改進(jìn)提供依據(jù),其間,完成了機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)、軸承溫升試驗(yàn)、機(jī)組過速保護(hù)試驗(yàn)、并網(wǎng)發(fā)電試驗(yàn)和機(jī)組甩100%負(fù)荷試驗(yàn)。當(dāng)進(jìn)行水泵調(diào)相工況試驗(yàn)時(shí),突然發(fā)生了第二次推力瓦燒損事故,經(jīng)檢查,事故程度與第一次事故相似。2.2軸瓦加工精度和尺寸不太合理綜觀兩次事故的全部過程,歸結(jié)事故的主要原因,首先是推力軸瓦的瓦面加工精度(包括表面形位偏差和表面粗糙度)不能滿足安全運(yùn)行要求;其次是推力軸瓦重要部位的形狀和尺寸比例不太合理;再就是調(diào)試程序不妥當(dāng)。2.2.1機(jī)制的基本方案確定(1)我國(guó)水電行業(yè)傳統(tǒng)要求推力瓦出廠時(shí)瓦面粗糙度達(dá)到Rz6.3,在工地安裝前再研刮到Rz3.2,要求瓦面每1cm2有4~5點(diǎn)接觸,瓦面的周邊修成R2圓角,進(jìn)油邊刮出楔形導(dǎo)油角?！禛B8564—88水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》還規(guī)定瓦面局部不接觸面積,每處不應(yīng)大于軸瓦面積的2%,但最大不超過16cm2,其總和不超過軸瓦面積的5%。西門子設(shè)計(jì)圖要求瓦面和鏡板表面粗糙度均為Rz6.3,這與我國(guó)技術(shù)要求基本一致,但現(xiàn)場(chǎng)安裝督導(dǎo)不允許在現(xiàn)場(chǎng)刮瓦,直至第二次事故發(fā)生后,工程建設(shè)業(yè)主方面各路專家建議對(duì)到貨的推力軸瓦面質(zhì)量進(jìn)行檢查及現(xiàn)場(chǎng)刮瓦。西門子公司接受了業(yè)主的建議,專門從德國(guó)派刮瓦師,自帶標(biāo)準(zhǔn)平板進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)研刮,從中發(fā)現(xiàn)瓦面形貌極差,有呈凹形,凸形,波形的,極不規(guī)則,局部不接觸面有40%~60%不等,如此差的瓦面加工質(zhì)量出乎意料之外。抽查5號(hào)機(jī)組推力瓦,從瓦面磨印發(fā)現(xiàn)了瓦面與鏡板面有直接接觸的點(diǎn)和區(qū)域,說明推力軸瓦在運(yùn)轉(zhuǎn)中,本應(yīng)是液體摩擦,由于瓦面形狀偏差太大,油膜厚度不能完全覆蓋瓦面,導(dǎo)致瓦溫升高。(2)對(duì)于廣蓄二期蓄能機(jī)組,推力軸承安全運(yùn)行的基本條件應(yīng)建立在軸瓦與鏡板處于液體摩擦基礎(chǔ)上。液體摩擦的概念是潤(rùn)滑油膜(包括流體動(dòng)壓油膜和靜壓油膜)厚度能完全覆蓋瓦面和鏡板面上的粗糙度和不平度,如果不能完全覆蓋,瓦面和鏡板之間就會(huì)出現(xiàn)直接接觸點(diǎn)或區(qū)域,破壞液體摩擦。按照耐磨損設(shè)計(jì)要求,瓦面和鏡面粗糙度與潤(rùn)滑油膜厚度之間有如下關(guān)系式:A=hminRqA=hminRq式中,A為膜厚比(無量綱,如果是平面接觸A=2~5,甚至更大些,以補(bǔ)償表面的波度和形狀誤差);hmin為潤(rùn)滑油膜最小厚度,μm;Rq為綜合粗糙度,μm;在實(shí)際計(jì)算中,可取Rq=Rz1+Rz2(Rz1、Rz2為瓦面和鏡面的表面粗糙度)由于廣蓄二期蓄能機(jī)組容量大,轉(zhuǎn)速高,實(shí)際PV值已超過1800kg·m/(cm2·s),同時(shí),開、停機(jī)頻繁,運(yùn)行工況復(fù)雜,取A=5~7,又按西門子設(shè)計(jì)圖標(biāo)定瓦面、鏡面粗糙度均為Rz6.3,則最小油膜厚度應(yīng)是:hmin=(5~7)×(6.3+6.3)=63~88.2μm根據(jù)對(duì)5號(hào)機(jī)組推力瓦的油膜厚度檢測(cè),最小膜厚為70μm,抽查瓦面磨損情況發(fā)現(xiàn)有磨擦痕跡,表明5號(hào)機(jī)組推力軸瓦面和鏡板面產(chǎn)生了直接接觸點(diǎn)和區(qū)域,致使瓦溫居高不下,而6號(hào)機(jī)組推力瓦面粗糙度比5號(hào)機(jī)組更差,在開始調(diào)試時(shí),瓦溫就高于5號(hào)機(jī)組,當(dāng)退出AC泵和DC泵的瞬間,潤(rùn)滑油膜厚度突然下降,接觸點(diǎn)或接觸區(qū)域突然擴(kuò)大,摩擦力增大,破壞了瓦面的保護(hù)油膜發(fā)生干摩擦而燒瓦。2.2.2謝軸主框架的形狀和尺寸之比(1)推力瓦油膜狀態(tài)原設(shè)計(jì)瓦面沒有進(jìn)油角,在中心設(shè)梯形油池。推力軸承的潤(rùn)滑和承載是靠液體動(dòng)壓潤(rùn)滑來實(shí)現(xiàn)的,推力頭在運(yùn)轉(zhuǎn)中,使油流在推力瓦進(jìn)油邊前面產(chǎn)生液體壓力,由于瓦面上進(jìn)油角的存在,液體壓力使瓦面與鏡板面之間建立了一定厚度的潤(rùn)滑膜,防止或減輕瓦面和鏡板面之間的磨損。如果瓦面沒有進(jìn)油角,也就不能建立動(dòng)壓油膜,此時(shí),只能靠外加泵(AC泵或DC泵)加壓供油。實(shí)際到貨的推力軸瓦改變了原設(shè)計(jì)形狀,鋼瓦坯比巴士合金瓦面每邊大5mm,彌補(bǔ)了原設(shè)計(jì)沒有進(jìn)油角的缺陷,對(duì)5號(hào)機(jī)組推力瓦油膜狀態(tài)測(cè)量結(jié)果表明,在發(fā)電、抽水和調(diào)相工況運(yùn)行時(shí),進(jìn)、出油邊油膜厚度比為1.12~1.38,存在動(dòng)壓油膜。并與原設(shè)計(jì)計(jì)算基本相符。但是在第一次事故處理中,將此5mm邊削成了45°角,而在瓦面又沒有修刮相應(yīng)的進(jìn)油角,結(jié)果在6號(hào)機(jī)組第一次事故處理后,重新起動(dòng)機(jī)組、恢復(fù)調(diào)試過程中,檢測(cè)推力瓦油膜厚度,進(jìn)、出油邊膜厚均在60μm左右,瓦面沒有油楔角,且有反傾趨向,只能靠AC泵和DC泵供油建立靜壓油膜,維持調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)。瓦面中心部位的梯形油池面積約為瓦面總面積的10%,油池面積太大可能會(huì)削弱動(dòng)壓油膜的剛性,特別是在暫態(tài)過程中。(2)由于瓷磚的寬度比軸瓦的周向?qū)挾缺扰c厚度之比，因此消除了原設(shè)計(jì)瓦的寬度為325mm,厚度為125mm,寬厚比達(dá)0.38,在設(shè)計(jì)中屬于厚瓦之列,不利于消除軸瓦的熱變形。3處理事故的對(duì)策和影響3.1改善軸瓦形狀,提高油膜剛度第二次事故發(fā)生后,找出了事故的主要原因,因此可以有目標(biāo)地采取改進(jìn)措施,主要處理對(duì)策有:(1)對(duì)瓦面進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)研刮。用標(biāo)準(zhǔn)平板,著色研磨校核,瓦面每1cm2有4~5個(gè)接觸點(diǎn),保證了瓦面的不平度和粗糙度,可以提高瓦面的摩擦性能和散熱條件。(2)修正瓦面形狀。在瓦面的兩邊,刮出導(dǎo)油角(進(jìn)油角),將梯形油池改為直徑為55mm的圓形油池,有利于瓦面油楔角的形成和提高油膜剛度。(3)減薄鋼瓦坯支承處的厚度,使推力軸瓦的寬厚比由0.38降到0.28,有利于改善軸承熱變形。(4)擴(kuò)大彈性圓盤在下支承塊的支撐面,保證彈性圓盤球形曲面能在正確位置自由偏轉(zhuǎn)。(5)減少了冷卻油噴油管的噴油孔數(shù)量,改善噴油狀態(tài)。3.2軸瓦油膜應(yīng)力測(cè)試結(jié)果對(duì)6號(hào)機(jī)組推力軸承事故處理,全部先在7號(hào)機(jī)組實(shí)施,因6號(hào)機(jī)組原來的推力頭尚未修復(fù),現(xiàn)有推力頭尺寸只能與7號(hào)機(jī)組相配。采取上述處理措施后,起動(dòng)7號(hào)機(jī)組進(jìn)行調(diào)試,分析推力軸承運(yùn)行信息,效果良好。(1)在運(yùn)行過程中,軸瓦沒有反傾現(xiàn)象,從機(jī)組起動(dòng)開始,軸瓦傾斜在正確方向,所有的軸瓦油膜平穩(wěn)增加,當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí),平均油膜厚度為100μm±10μm,膜厚比2.17~2.9(只有2塊瓦膜厚比分別為4.8和5.6),滿足安全運(yùn)行條件。(2)對(duì)1、3、7、9號(hào)彈性圓盤進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量,結(jié)果表明軸瓦的應(yīng)力分布均勻。(3)軸承溫升試驗(yàn)開始時(shí),AC泵和DC泵都投入,進(jìn)行退泵試驗(yàn),退出一組泵,對(duì)油膜厚度沒有影響,兩組泵都退出后,進(jìn)油邊膜厚度減少10μm,出油邊油膜厚度不變。(4)軸承溫升試驗(yàn)檢測(cè)推力瓦溫結(jié)果如下:空載工況最高值71℃;發(fā)電工況帶額定負(fù)荷最高值67.8℃;抽水工況最高值70℃。(5)測(cè)量推—導(dǎo)組合軸承的熱損耗為747kW,與設(shè)計(jì)計(jì)算值基本相符。4事故處理后的熱損耗調(diào)