弹性金属氟塑料推力瓦更换方案的运行效果

弹性金属氟塑料推力瓦更换方案的运行效果

0推力轴承系统太平湾2号水轮机枪的结构类型为倾斜半伞同步水轮机枪，型号为五代号f47、5-88和12640。该工艺的结构类型为立轴旋转推进器，型号为zz560a-lh-800。动力轴承在电机下方，径向轴承分为上、下、水轴两部分。该机组主设备由哈尔滨电机厂制造,中国水电第六工程局安装。推力轴承主要技术参数为:推力轴承负荷:1300t;弹性油箱型式:三波纹弹性油箱;推力瓦块数:12;推力瓦面积(单块):0.251m2;推力瓦单位负荷:43.16kgf/cm2;推力轴承冷却方式:内循环油冷却;推力瓦周向设计偏心值:23mm;推力瓦径向设计偏心值:300mm。1顶级第级检修时未更换塑料瓦,发生严重损害瓦温正常太站4台水轮发电机投运时推力瓦均为巴氏合金瓦(以下简称“钨金瓦”),从1995年开始利用机组C(B)级检修的机会,陆续将太站4号、1号、3号水轮发电机推力轴承由钨金瓦更换为弹性金属氟塑料瓦(以下简称“塑料瓦”),均运行正常。但在1998年太站2号机组C级检修时,进行钨金瓦更换塑料瓦的工作,开机后发现瓦温过高,15MW负荷运行1h后,瓦温达57℃,于是停机检查发现12块塑料瓦表面全部被研磨损坏,已不能使用,于是将原钨金瓦恢复,瓦温正常。2000年,太平湾发电厂在太站2号机组B级检修时,又进行一次钨金瓦更换塑料瓦的工作,在机组投入运行1.5h之后,瓦温又迅速升高,经停机检查,又出现了第一次更换塑料瓦时的事故,将原钨金瓦恢复后,瓦温正常。塑料瓦与钨金瓦相比具有摩擦系数低,仅为钨金瓦的1/2~1/3,承载、减振、耐高温性能均优于钨金瓦。那么为什么还会出现两次更换塑料瓦失败,而恢复钨金瓦后,又能正常运行呢?为解决此项技术问题,太平湾发电厂于2009年初成立了以副总工程师为组长的课题研究小组,准备在2009年9月利用太站2号机组A级检修机会,再次进行钨金瓦更换塑料瓦的工作。2塑料瓦更换方案的演示2.1氟塑料瓦与聚乙烯亚氮瓦在世界比试验中,实行弹性金属瓦如图4所示塑料瓦是采用20世纪70年代发明的高分子复合材料制造的推力瓦,其表面的氟塑料有两种:一种是纯聚四氟乙烯,呈白色;另一种是改性聚四氟乙烯,呈灰色。氟塑料瓦具有以下性能:(1)良好的稳定性。聚四氟乙烯化学稳定性好,不易受酸、碱、盐等溶剂的侵蚀破坏,其熔点为327℃,分解点为405℃,性能软化点为260℃,抗自然老化周期长,可达数十年之久。(2)摩擦系数小。无润滑情况下,当聚四氟乙烯互相构成摩擦副时,其摩擦系数只有0.04;聚四氟乙烯与金属构成摩擦副时,其摩擦系数亦只有0.04~0.1,是已有工程塑料中摩擦系数最小的。而巴氏合金的摩擦系数为0.28,比聚四氟乙烯大7倍。这主要是聚四氟乙烯本身的分子结构是大聚合螺旋直链结构,分子链之间容易产生滑动,具有自润滑性。在有润滑的情况下,聚四氟乙烯塑料瓦与巴氏合金瓦的摩擦系数相差不大,因此,塑料瓦的优点主要体现在开、停机过程当中(即润滑油膜形成之前、消失之后)。(3)承压能力强,无需刮瓦。一般巴氏合金瓦的负荷压力不允许超过6MPa,而弹性金属氟塑料瓦在8MPa压力下仍可正常运行。聚四氟乙烯具有分子转移性,在摩擦时其分子表面形成一层润滑膜,当这个润滑膜破坏时,会自动补充,因此,它不用像巴氏合金瓦那样需定期刮研,从而大大减轻劳动强度。(4)对镜板工作面要求高。塑料瓦质地软,因此对镜板要求高,工作面粗糙度Ra不大于0.4,背面不大于1.6,刚性支承结构的平面度不大于0.04mm,液压支承结构的平面度不大于0.06mm。镜板两面的平行度不大于0.05mm,硬度不低于200(HB),硬度差值小于30。(5)热膨胀系数大、变形较大。氟塑料的热膨胀系数为(10.1~14.5)×10-5/℃,改性的氟塑料瓦的热膨胀系数为(6.5~8.5)×10-5℃,比钢大5~1O倍。因此当温度变化时,对其影响很大,故应选择合理的尺寸、型线等。2.2油膜润滑磨损试验推力瓦的磨损一般分两种情况:(1)推力轴承在正常工况下处于液体动压润滑,镜板与推力瓦之间完全由油膜隔开,推力瓦的摩擦损耗由其油膜层间摩擦产生。(2)机组启动的最初和停机的最后一段时间,油膜接近于零,轴承处于边界润滑状态,损耗由于摩擦产生。公式为:式中:w———磨损重量/N;k———磨损系数;d———磨损材料密度/kg/m3;p———试验负荷/N;v———滑动线速度/m/s;r———磨损时间/s。实验证明,磨损系数k在有润滑条件下的数值远远小于干摩擦情况下的值。另外,当油膜厚度小于推力瓦面与镜板工作面的合成粗糙度时,k值也增大,磨损加大。2.3推力瓦研磨的可能原因由于更换的塑料瓦在外形上完全按照原钨金瓦外形设计,外形尺寸与钨金瓦相同。而塑料瓦在1998年与2002年两次安装后,弹性油箱压缩量偏差均调整到0.20mm以内,机组轴线、转动部件高程在塑料瓦更换前后均未进行调整,而两次研磨也排除了塑料瓦自身质量的原因。通过对塑料瓦与钨金瓦的优缺点的比较,认为太站2号机组塑料瓦安装后研磨的可能原因如下:(1)镜板质量的原因镜板粗糙度、镜板摩擦面平面度,如果其表面的局部波浪度大于油膜厚度,就会造成推力瓦与镜板局部直接接触。(2)推力瓦润滑条件不好机组运行过程中镜板与推力瓦可能处于半摩擦状态(镜板与推力瓦局部接触)。(3)推力瓦的偏心问题偏心率过小,不能形成足够的油膜厚度。(4)推力瓦在运行过程中存在发卡现象,使其在运行中自由倾斜度受到限制,而不能形成良好的油膜。(5)润滑油内杂质多,造成杂质与塑料瓦直接接触。2.4推力瓦结构指标测量,校针对以上可能是造成太站2号机组塑料瓦安装后研磨损坏的主要因素,制定了太站2号机推力瓦更换工程实施技术方案,主要内容如下:(1)镜板质量检查:主要检查镜板摩擦面及镜板背面质量,测量镜板平面度、平行度,必要时送到哈尔滨电机厂处理。(2)推力瓦偏心情况检查测量:测量推力瓦偏心值,看其是否与设计要求相符,检查调整螺丝顶靠位置,是否与设计要求相符。(3)检查抗重螺栓表面质量、检查托瓦底部、检查内挡块,看是否有限制推力瓦自由倾斜度的因素。(4)润滑油化验,推力油槽彻底清扫。(5)塑料瓦安装后重新进行受力调整,为推力瓦及机组安全运行创造良好的条件。(6)定转子磁场中心相对高程的调整,使定子铁芯平均中心高于转子磁极平均中心在定子铁芯有效长度的0~0.4%的范围内。3检查、测量、分析检测2009年太站2号机组A级检修伊始,生技部、检修部就加强了对机组各部的检查、测量、分析工作,按照事先制定好的检修技术方案,不放过任何可疑点,在分解过程中通过检查与测量发现了大量的缺陷。本着“精益求精”的指导思想,全方位、全过程控制检修质量,确保无差错。3.1镜板、托瓦安装质量太站2号机组分解过程中发现的主要缺陷包括:(1)发电机空气间隙不合格分解过程中,对发电机定子与转子上部空气间隙每2个磁极测量一点,测量及计算结果见表1。(3)定子铁芯中心与转子磁极中心相对高程测量结果:转子磁极中心低于定子铁芯中心为5.25mm,国家标准为4.4mm。(4)镜板质量缺陷严重镜板背面检查,发现外圈未加密封胶圈,内侧“O”型密封胶圈直径较大,镜板背面锈浊严重。对镜板摩擦面进行检查和测量,发现镜板摩擦面有大量划痕、部分区域有轴电流损伤的痕迹。测量镜板平行度为0.30mm。用水平仪测量镜板摩擦面的水平度,发现镜板摩擦面高低不平,摩擦面呈“内高外低的形状”,内外高度差为0.30~0.35mm,这说明镜板平面度严重超差,测量数量见图1(单位mm/m,箭头所指方向为低)。(5)原钨金瓦表面检查,发现大量划痕,瓦花基本上被磨平。(6)托瓦内侧限位块有严重被托瓦内侧下边缘压坏的磕痕,见图2。(7)推力瓦偏心值调整螺丝调整长度与设计要求不符由于太站2号机组托瓦底部凹槽与抗重螺栓单侧仅有1.0mm的间隙,使太站2号机组偏心值几乎不能调整,太站2号机组设计偏心值为23mm,按照太站机组图纸01J1737技术要求的规定,安装需将调整螺丝调整到与托瓦顶靠的位置,见图3。此次检修过程中,我们检查发现调整螺丝较短(顶丝与托瓦有大约3mm的间隙),不能顶靠在托瓦上,相对位置如图4,这会导致机组运行过程中出现如图5所示的两种状态,这是托瓦内侧限位块被托瓦内侧下缘磕碰而产生磕痕的原因。3.2推力瓦磨损失序原因分析通过机组分解过程中全过程的追踪检查、测量和计算发现的缺陷,对比塑料瓦与钨金瓦的性能差异。技术小组又运用单因素分析法(只分析一个缺陷,其它缺陷因素假设正常),针对每种缺陷,分析缺陷对推力瓦磨损的影响,以及塑料瓦更换后发生研磨损坏事故,而恢复钨金瓦能够正常运行的原因。(1)镜板质量缺陷对推力瓦运行的影响镜板平面度、波浪度严重超差,超过油膜厚度,致使镜板与推力瓦处于半干擦状态,由于塑料瓦表面的材质聚四氟乙烯质软,耐磨性能不及钨金瓦表面的钨金层,这是导致太站2号机组塑料瓦更换后很快研磨损坏的原因之一。(2)推力轴承其它部位质量缺陷对推力瓦运行的影响推力瓦偏心调节螺丝未按设计图纸要求顶靠在托瓦,是机组在运行过程中托瓦内侧下缘压在托瓦内侧挡块的原因,后果是限制了机组运行过程中推力瓦随运行工况变化的自由倾斜度,对形成良好油膜产生极为不利的影响,加重了塑料瓦的磨损,这是导致太站2号机组塑料瓦更换后很快研磨损坏的原因之一。(3)机组轴线缺陷对推力瓦运行的影响镜板平行度严重超标,导致是发电机主轴与镜板摩擦面不垂直,引起机组轴线严重超差,增大了机组在运行中摆度,加大了上导轴承和水导轴承的磨损,但不会使轴向负荷加大,一定范围内不会破坏油膜,不会导致推力瓦加大磨损,塑料瓦的适应能力不会比钨金瓦差,因此不是太站2号机组更换塑料瓦失败的原因。(4)不平衡磁拉力对推力瓦运行的影响发电机空气间隙不均匀使机组产生不平衡磁拉力,引起机组振动摆度加大,但不会导致轴向负载加大,一定范围内不会破坏油膜,不会导致推力瓦加大磨损,塑料瓦的适应能力不会比钨金瓦差,因此不是太站2号机组更换塑料瓦失败的原因。(5)定转子高程偏差对推力瓦运行的影响理论上,定子铁芯中心与转子磁极中心重合,此时的电磁效率最高,推力瓦轴向仅承受转动部件重量和轴向水推力,如果定子铁芯中心高于转子磁极中心,此时会产生一个向上的磁拉力,会减小摩擦部件之间的摩擦力,客观上对推力轴承运行是有利的,如果定子铁芯中心低于转子磁极中心,此时会产生一个向下的磁拉力,增大推力瓦的轴向负载和摩擦部件之间的摩擦力。从太站2号机组修前测量数据看,定子铁芯中心平均高程高于转子磁极中心平均高程为5.5mm,仅从对推力瓦安全运行影响的角度上讲,不造成推力瓦磨损加大,因此不是太站2号机组更换塑料瓦失败的原因。3.3针对设备缺陷的措施3.3.1技术参数及分析针对镜板的严重缺陷,本次检修将镜板送到哈尔滨电机厂进行处理,镜板处理前后的技术参数见表3。(2)针对由于在分解过程检查托瓦与偏心调整螺丝大约有3mm的间隙,本次检修对全部内挡块进行打磨处理,同时调整调节螺丝长度,使托瓦与调整螺丝间隙减为0.5mm,能够保证机组运行过程中,托瓦与内挡块不会发生磕碰。3.3.2空气间隙调整转动部件回装完毕后,对发电机定、转子空气间隙进行调整,调整后的空气间隙全部符合规程要求。调整后的空气间隙测量数据及与检修前空气间隙测量数据对比见表4。3.3.3返厂水导、发电机法兰、上导处净全摆度检查情况在回装调整阶段,通过盘车方式对机组轴线进行检查,由于镜板的返厂处理质量较好,使水导、发电机法兰、上导处净全摆度全部达到合格标准,各部位轴线测量数据见表5。3.3.4铁芯中心相对于转子磁极中心高程差根据检修前测量的数据和本次检修时镜板返厂前后厚度变化的数据,将推力轴承抗重螺栓调高3mm以上,再次对定转子相对高程进行测量,共测量12点,取其平均值,经计算得出定子铁芯中心相对于转子磁极中心高程差为:考虑转子挠度计算结果为4.425mm,未考虑转子挠度计算结果为3.265mm,符合规程规定。3.3.5重力瓦的推挤在机组盘车及转动部分中心调整合格后,进行推力瓦受力调整,弹性油箱压缩量偏差最大为0.17mm,测量数据见表6。4机组稳定性分析2009年12月5日至12月8日,经过72h试运行,期间共完成了14个试验项目(包括甩负荷试验),机组在各种工况下能够稳定运行,振动、摆度值均在合格范围内,推力瓦温最高点温度稳定在28.3℃,瓦间最大温差稳定在1.7℃,低于其它3台机组。2010年7~9月期间,经历了太平湾发电厂自建厂以来,持续时间最长的汛期大发电,太站2号机组一直处于稳定状态,推力瓦