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水輪發(fā)電機(jī)推力軸承油冷卻器泄漏原因分析
2009-07-16
洪國(guó)標(biāo)，程漢橋
（葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北宜昌443002）
（葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北宜昌443002）
關(guān)鍵詞：推力軸承；油冷卻器；泄漏；水輪發(fā)電機(jī)；葛洲壩水電廠
摘 要：葛洲壩水電廠水輪發(fā)電機(jī)推力軸承油冷卻器存在著漏油現(xiàn)象，對(duì)機(jī)組的安全生產(chǎn)造成極大的威脅。經(jīng)分析其原因是：運(yùn)行條件惡劣，泥沙磨損，冷卻銅管在安裝時(shí)有劃傷或刺破處，冷卻管彎曲處有應(yīng)力集中，管路老化以及停機(jī)時(shí)冷卻管內(nèi)有負(fù)壓現(xiàn)象等。針對(duì)上述原因，在檢修中更換了老化的管路，裝配時(shí)采取保護(hù)措施防止銅管被劃傷，安裝時(shí)嚴(yán)禁碰撞油冷卻器，進(jìn)行打壓試驗(yàn)及早發(fā)現(xiàn)泄漏處并及時(shí)處理，同時(shí)在停機(jī)時(shí)斷水前先關(guān)閉冷卻器所有進(jìn)出水閥門，通水時(shí)先打開(kāi)進(jìn)水閥通水再打開(kāi)排水閥以防止管路產(chǎn)生負(fù)壓。這樣就可以確保推力軸承油冷卻器運(yùn)行安全。并建議安裝油混水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，以監(jiān)測(cè)冷卻器的運(yùn)行狀況。
推力軸承油冷卻器是水輪發(fā)電機(jī)的重要部件之一，其作用是：軸承摩擦熱通過(guò)與冷卻器之間的熱交換，建立熱動(dòng)態(tài)平衡，使軸瓦溫度穩(wěn)定在正常運(yùn)行的范圍。目前，葛洲壩水電廠機(jī)組推力軸承大部分由鎢金瓦更換成了氟塑料瓦，取消了水冷瓦結(jié)構(gòu)，因此，推力軸瓦的瓦面溫度、瓦體溫度及推力油槽的油溫主要靠油冷卻器進(jìn)行散熱。保證油冷卻器的正常工作成為保證推力瓦和機(jī)組正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
葛洲壩大江電廠從1986年7月投產(chǎn)，1988年11月竣工交接至今已有10多年了，目前設(shè)備都存在不同程度的老化現(xiàn)象。特別是1997年以來(lái)推力軸承油冷卻系統(tǒng)頻頻出現(xiàn)了泄漏事故，對(duì)機(jī)組的安全生產(chǎn)造成極大的威脅。鑒于推力軸承油冷卻系統(tǒng)在整個(gè)機(jī)組運(yùn)行中的重要地位，有必要研究油冷卻系統(tǒng)漏油故障的形成機(jī)理、預(yù)防以及故障發(fā)生后的處理方法。
1 推力軸承油冷卻器結(jié)構(gòu)及泄漏現(xiàn)象
葛洲壩水電廠使用的推力軸承冷卻方式是內(nèi)循環(huán)水冷式，通過(guò)推力軸承油冷卻器的熱交換來(lái)實(shí)現(xiàn)軸承的冷卻。冷卻器主要由端蓋、冷卻器體、紫銅管、管夾和支架等組成(見(jiàn)圖1)。端蓋上有冷卻水進(jìn)出水管連接環(huán)管的法蘭盤，水箱被分為3個(gè)腔，采用耐油橡膠與冷卻器體密封，紫銅管管頭與承管板采用脹管工藝方式連接，并同進(jìn)出水管構(gòu)成水的通路。每臺(tái)機(jī)組有18個(gè)油冷卻器，采用先3個(gè)串聯(lián)，然后6個(gè)再并聯(lián)在進(jìn)出環(huán)管上(見(jiàn)圖2)。油冷卻器浸在油槽的透平油中，內(nèi)通冷卻水，熱油的熱量通過(guò)銅管傳遞給冷卻水，然后由冷卻水將熱量帶走。
摘 要：葛洲壩水電廠水輪發(fā)電機(jī)推力軸承油冷卻器存在著漏油現(xiàn)象，對(duì)機(jī)組的安全生產(chǎn)造成極大的威脅。經(jīng)分析其原因是：運(yùn)行條件惡劣，泥沙磨損，冷卻銅管在安裝時(shí)有劃傷或刺破處，冷卻管彎曲處有應(yīng)力集中，管路老化以及停機(jī)時(shí)冷卻管內(nèi)有負(fù)壓現(xiàn)象等。針對(duì)上述原因，在檢修中更換了老化的管路，裝配時(shí)采取保護(hù)措施防止銅管被劃傷，安裝時(shí)嚴(yán)禁碰撞油冷卻器，進(jìn)行打壓試驗(yàn)及早發(fā)現(xiàn)泄漏處并及時(shí)處理，同時(shí)在停機(jī)時(shí)斷水前先關(guān)閉冷卻器所有進(jìn)出水閥門，通水時(shí)先打開(kāi)進(jìn)水閥通水再打開(kāi)排水閥以防止管路產(chǎn)生負(fù)壓。這樣就可以確保推力軸承油冷卻器運(yùn)行安全。并建議安裝油混水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，以監(jiān)測(cè)冷卻器的運(yùn)行狀況。
推力軸承油冷卻器是水輪發(fā)電機(jī)的重要部件之一，其作用是：軸承摩擦熱通過(guò)與冷卻器之間的熱交換，建立熱動(dòng)態(tài)平衡，使軸瓦溫度穩(wěn)定在正常運(yùn)行的范圍。目前，葛洲壩水電廠機(jī)組推力軸承大部分由鎢金瓦更換成了氟塑料瓦，取消了水冷瓦結(jié)構(gòu)，因此，推力軸瓦的瓦面溫度、瓦體溫度及推力油槽的油溫主要靠油冷卻器進(jìn)行散熱。保證油冷卻器的正常工作成為保證推力瓦和機(jī)組正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
葛洲壩大江電廠從1986年7月投產(chǎn)，1988年11月竣工交接至今已有10多年了，目前設(shè)備都存在不同程度的老化現(xiàn)象。特別是1997年以來(lái)推力軸承油冷卻系統(tǒng)頻頻出現(xiàn)了泄漏事故，對(duì)機(jī)組的安全生產(chǎn)造成極大的威脅。鑒于推力軸承油冷卻系統(tǒng)在整個(gè)機(jī)組運(yùn)行中的重要地位，有必要研究油冷卻系統(tǒng)漏油故障的形成機(jī)理、預(yù)防以及故障發(fā)生后的處理方法。
1 推力軸承油冷卻器結(jié)構(gòu)及泄漏現(xiàn)象
葛洲壩水電廠使用的推力軸承冷卻方式是內(nèi)循環(huán)水冷式，通過(guò)推力軸承油冷卻器的熱交換來(lái)實(shí)現(xiàn)軸承的冷卻。冷卻器主要由端蓋、冷卻器體、紫銅管、管夾和支架等組成(見(jiàn)圖1)。端蓋上有冷卻水進(jìn)出水管連接環(huán)管的法蘭盤，水箱被分為3個(gè)腔，采用耐油橡膠與冷卻器體密封，紫銅管管頭與承管板采用脹管工藝方式連接，并同進(jìn)出水管構(gòu)成水的通路。每臺(tái)機(jī)組有18個(gè)油冷卻器，采用先3個(gè)串聯(lián)，然后6個(gè)再并聯(lián)在進(jìn)出環(huán)管上(見(jiàn)圖2)。油冷卻器浸在油槽的透平油中，內(nèi)通冷卻水，熱油的熱量通過(guò)銅管傳遞給冷卻水，然后由冷卻水將熱量帶走。
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2 推力軸承油冷卻器泄漏原因
2.1 內(nèi)泄漏
(1)惡劣的運(yùn)行條件。首先，油冷卻器銅管內(nèi)部為冷卻水，外部為熱透平油，一般情況下，冷卻水取水口水溫為4℃，而透平油的溫度為35℃左右，油冷卻器銅管長(zhǎng)期運(yùn)行在內(nèi)外壁幾十度的溫差下。其次，在長(zhǎng)江主汛期，江水中泥沙含量劇增，為了防止管路堵塞，每個(gè)運(yùn)行班次都要進(jìn)行正反向供水倒換，根據(jù)油冷卻器的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)正反向供水倒換將造成管路內(nèi)外溫度發(fā)生較大的變化。隨著機(jī)組的開(kāi)機(jī)、停機(jī)以及季節(jié)的更換，也會(huì)導(dǎo)致管路內(nèi)外部溫度發(fā)生變化。
(2)應(yīng)力問(wèn)題。推力軸承油冷卻器的冷卻管為銅管，采用冷彎加工而成，在彎曲處存在殘余應(yīng)力，同時(shí)，在溫度作用下的脹縮會(huì)造成管路彎曲處的應(yīng)力集中。銅管的管頭是通過(guò)機(jī)械脹連工藝連結(jié)到承管板上的，脹連工藝會(huì)造成連接處的殘余應(yīng)力，并且在一定的溫度梯度下會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，在連接處的局部范圍，造成應(yīng)力集中。正反向供水倒換、水壓的波動(dòng)以及內(nèi)外壁溫度差的變化都會(huì)造成管路中的應(yīng)力發(fā)生周期性的變化，造成管路的疲勞破壞。
(3)泥沙的磨損及江水的腐蝕。隨著環(huán)境的破壞，江水中泥沙和腐蝕物的含量較高，在運(yùn)行過(guò)程中，本就硬度不高的銅管路會(huì)有不同程度的磨損，如12號(hào)機(jī)大修時(shí)發(fā)現(xiàn)，在5個(gè)泄漏的油冷卻器中共有8根銅管破裂，破裂的銅管均銹蝕磨損嚴(yán)重，有斑狀脫落，銅管內(nèi)徑從22 mm銹蝕磨損為23.5 mm。
(4)負(fù)壓現(xiàn)象。推力軸承油冷卻器的冷卻水取水口在上游，依靠水位差供水。機(jī)組在停機(jī)斷水時(shí)，環(huán)管內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象。雖然油槽內(nèi)的油壓不高，但在外部負(fù)壓狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生較大的壓力差，導(dǎo)致油冷卻器銅管管頭處脹口。
(5)結(jié)構(gòu)不夠合理。推力油槽內(nèi)的分油板為厚3 mm的鐵板，鐵板沒(méi)有進(jìn)行倒角處理，有鋒利的棱角，在油冷卻器回裝過(guò)程中，棱角極易刺破油冷卻器側(cè)面處的銅管，或使被刺處的管壁變薄或產(chǎn)生劃痕，在力的作用下，劃傷處會(huì)導(dǎo)致管路破裂。
(6)管路的老化。一般情況下，銅管的使用壽命為8～10年，而葛洲壩水電廠機(jī)組使用年限Z短的21號(hào)機(jī)也已經(jīng)運(yùn)行了12年，Z長(zhǎng)的8號(hào)機(jī)甚至已經(jīng)運(yùn)行了14年，材料已經(jīng)老化，不能滿足熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的要求。
2.2 外泄漏
油冷卻器體和承管板在長(zhǎng)期運(yùn)行后，發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕，同時(shí)，3個(gè)水腔的橡膠密封也已經(jīng)老化，易導(dǎo)致水腔之間串水。
3 推力軸承油冷卻器泄漏的判斷和處理
3.1 泄漏的判斷
當(dāng)機(jī)組油位過(guò)高時(shí)，可能是油冷卻器泄漏導(dǎo)致了油槽進(jìn)水或者加油閥未關(guān)嚴(yán)（或損壞），必須對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。①在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下從油槽油窗觀看油質(zhì)是否渾濁乳化；②在停機(jī)狀態(tài)打開(kāi)排油閥，放出部分冷卻油，如果油中有水（水的比重比油大，靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)處于油槽底部），可以確認(rèn)為油冷卻器漏油；③拆開(kāi)一段環(huán)管，如果管內(nèi)水中有漂浮油層，判斷為油冷卻器漏油。
確認(rèn)出油冷卻器存在漏油的故障后，要進(jìn)一步分析出具體漏油的冷卻器。通過(guò)以下的方法可以判斷出是哪個(gè)冷卻器漏油：①環(huán)管分兩路供排水，通過(guò)分段檢查判斷發(fā)生漏油的油路（拆開(kāi)冷卻水環(huán)管與母管的連結(jié)法蘭，有油的一路漏油）；②拆除所有的連結(jié)管，觀察一段時(shí)間，油冷卻器端蓋法蘭有油滲出的油冷卻器漏油。
3.2 泄漏的處理
發(fā)生泄漏采取的維護(hù)方法有：①在搶修時(shí)，如果泄漏的部位不多，可采用小頭為22.5mm，錐度為1∶20且長(zhǎng)度適宜的銅銷堵死泄漏銅管兩端脹口，報(bào)廢該銅管回路來(lái)阻止泄漏；②對(duì)于泄漏部位較多的機(jī)組，說(shuō)明油冷卻器已經(jīng)嚴(yán)重老化，在小修和大修期間，更換油冷卻器；③對(duì)串水的油冷卻器，應(yīng)急的方法是拆開(kāi)端蓋，換新橡膠墊，要根治串水，應(yīng)更換油冷卻器。
4 油冷卻器泄漏的預(yù)防措施
油冷卻器是機(jī)組的重要組成部分，其泄漏可直接導(dǎo)致推力瓦的損傷和燒瓦，降低散熱性能，造成嚴(yán)重事故和重大損失。為了維持機(jī)組的安全運(yùn)行，在實(shí)踐中總結(jié)出下面幾條預(yù)防油冷卻器泄漏的措施。
(1)對(duì)于油冷卻器銅管、橡膠密封等嚴(yán)重老化和鋼體銹蝕嚴(yán)重的，要在機(jī)組大修和擴(kuò)修時(shí)，對(duì)油冷卻器進(jìn)行逐臺(tái)更換，以徹底解除安全隱患。
(2)為防止出現(xiàn)負(fù)壓泄漏，在機(jī)組停機(jī)斷水前，先關(guān)閉所有進(jìn)出水閥門；通水時(shí)，要先打開(kāi)進(jìn)水閥通水，Z后打開(kāi)排水閥。
(3)為了防止油冷卻器回裝時(shí)側(cè)面銅管被劃傷刺破，要逐臺(tái)對(duì)分油板進(jìn)行倒角、倒銳，或者將分油板改為環(huán)氧板，或在油冷卻器側(cè)面加裝保護(hù)鐵板。
(4)在油冷卻器回裝前，必須按規(guī)定充水打壓，在水壓為 0.4 MPa，保壓至少30 min無(wú)泄漏方可進(jìn)行回裝。
(5)油冷卻器回裝時(shí)嚴(yán)禁碰撞，回裝后先對(duì)油槽充滿油，觀察 24 h，在確認(rèn)無(wú)泄漏，油位正常后回裝環(huán)管和連接管。
(6)建議安裝可靠性高的油混水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，以檢測(cè)和顯示水輪發(fā)電機(jī)組油系統(tǒng)中混入水的含量，并在一定限量范圍內(nèi)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，確保機(jī)組的運(yùn)行安全。
2.1 內(nèi)泄漏
(1)惡劣的運(yùn)行條件。首先，油冷卻器銅管內(nèi)部為冷卻水，外部為熱透平油，一般情況下，冷卻水取水口水溫為4℃，而透平油的溫度為35℃左右，油冷卻器銅管長(zhǎng)期運(yùn)行在內(nèi)外壁幾十度的溫差下。其次，在長(zhǎng)江主汛期，江水中泥沙含量劇增，為了防止管路堵塞，每個(gè)運(yùn)行班次都要進(jìn)行正反向供水倒換，根據(jù)油冷卻器的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)正反向供水倒換將造成管路內(nèi)外溫度發(fā)生較大的變化。隨著機(jī)組的開(kāi)機(jī)、停機(jī)以及季節(jié)的更換，也會(huì)導(dǎo)致管路內(nèi)外部溫度發(fā)生變化。
(2)應(yīng)力問(wèn)題。推力軸承油冷卻器的冷卻管為銅管，采用冷彎加工而成，在彎曲處存在殘余應(yīng)力，同時(shí)，在溫度作用下的脹縮會(huì)造成管路彎曲處的應(yīng)力集中。銅管的管頭是通過(guò)機(jī)械脹連工藝連結(jié)到承管板上的，脹連工藝會(huì)造成連接處的殘余應(yīng)力，并且在一定的溫度梯度下會(huì)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，在連接處的局部范圍，造成應(yīng)力集中。正反向供水倒換、水壓的波動(dòng)以及內(nèi)外壁溫度差的變化都會(huì)造成管路中的應(yīng)力發(fā)生周期性的變化，造成管路的疲勞破壞。
(3)泥沙的磨損及江水的腐蝕。隨著環(huán)境的破壞，江水中泥沙和腐蝕物的含量較高，在運(yùn)行過(guò)程中，本就硬度不高的銅管路會(huì)有不同程度的磨損，如12號(hào)機(jī)大修時(shí)發(fā)現(xiàn)，在5個(gè)泄漏的油冷卻器中共有8根銅管破裂，破裂的銅管均銹蝕磨損嚴(yán)重，有斑狀脫落，銅管內(nèi)徑從22 mm銹蝕磨損為23.5 mm。
(4)負(fù)壓現(xiàn)象。推力軸承油冷卻器的冷卻水取水口在上游，依靠水位差供水。機(jī)組在停機(jī)斷水時(shí)，環(huán)管內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象。雖然油槽內(nèi)的油壓不高，但在外部負(fù)壓狀態(tài)下，會(huì)產(chǎn)生較大的壓力差，導(dǎo)致油冷卻器銅管管頭處脹口。
(5)結(jié)構(gòu)不夠合理。推力油槽內(nèi)的分油板為厚3 mm的鐵板，鐵板沒(méi)有進(jìn)行倒角處理，有鋒利的棱角，在油冷卻器回裝過(guò)程中，棱角極易刺破油冷卻器側(cè)面處的銅管，或使被刺處的管壁變薄或產(chǎn)生劃痕，在力的作用下，劃傷處會(huì)導(dǎo)致管路破裂。
(6)管路的老化。一般情況下，銅管的使用壽命為8～10年，而葛洲壩水電廠機(jī)組使用年限Z短的21號(hào)機(jī)也已經(jīng)運(yùn)行了12年，Z長(zhǎng)的8號(hào)機(jī)甚至已經(jīng)運(yùn)行了14年，材料已經(jīng)老化，不能滿足熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷的要求。
2.2 外泄漏
油冷卻器體和承管板在長(zhǎng)期運(yùn)行后，發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕，同時(shí)，3個(gè)水腔的橡膠密封也已經(jīng)老化，易導(dǎo)致水腔之間串水。
3 推力軸承油冷卻器泄漏的判斷和處理
3.1 泄漏的判斷
當(dāng)機(jī)組油位過(guò)高時(shí)，可能是油冷卻器泄漏導(dǎo)致了油槽進(jìn)水或者加油閥未關(guān)嚴(yán)（或損壞），必須對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。①在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下從油槽油窗觀看油質(zhì)是否渾濁乳化；②在停機(jī)狀態(tài)打開(kāi)排油閥，放出部分冷卻油，如果油中有水（水的比重比油大，靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)處于油槽底部），可以確認(rèn)為油冷卻器漏油；③拆開(kāi)一段環(huán)管，如果管內(nèi)水中有漂浮油層，判斷為油冷卻器漏油。
確認(rèn)出油冷卻器存在漏油的故障后，要進(jìn)一步分析出具體漏油的冷卻器。通過(guò)以下的方法可以判斷出是哪個(gè)冷卻器漏油：①環(huán)管分兩路供排水，通過(guò)分段檢查判斷發(fā)生漏油的油路（拆開(kāi)冷卻水環(huán)管與母管的連結(jié)法蘭，有油的一路漏油）；②拆除所有的連結(jié)管，觀察一段時(shí)間，油冷卻器端蓋法蘭有油滲出的油冷卻器漏油。
3.2 泄漏的處理
發(fā)生泄漏采取的維護(hù)方法有：①在搶修時(shí)，如果泄漏的部位不多，可采用小頭為22.5mm，錐度為1∶20且長(zhǎng)度適宜的銅銷堵死泄漏銅管兩端脹口，報(bào)廢該銅管回路來(lái)阻止泄漏；②對(duì)于泄漏部位較多的機(jī)組，說(shuō)明油冷卻器已經(jīng)嚴(yán)重老化，在小修和大修期間，更換油冷卻器；③對(duì)串水的油冷卻器，應(yīng)急的方法是拆開(kāi)端蓋，換新橡膠墊，要根治串水，應(yīng)更換油冷卻器。
4 油冷卻器泄漏的預(yù)防措施
油冷卻器是機(jī)組的重要組成部分，其泄漏可直接導(dǎo)致推力瓦的損傷和燒瓦，降低散熱性能，造成嚴(yán)重事故和重大損失。為了維持機(jī)組的安全運(yùn)行，在實(shí)踐中總結(jié)出下面幾條預(yù)防油冷卻器泄漏的措施。
(1)對(duì)于油冷卻器銅管、橡膠密封等嚴(yán)重老化和鋼體銹蝕嚴(yán)重的，要在機(jī)組大修和擴(kuò)修時(shí)，對(duì)油冷卻器進(jìn)行逐臺(tái)更換，以徹底解除安全隱患。
(2)為防止出現(xiàn)負(fù)壓泄漏，在機(jī)組停機(jī)斷水前，先關(guān)閉所有進(jìn)出水閥門；通水時(shí)，要先打開(kāi)進(jìn)水閥通水，Z后打開(kāi)排水閥。
(3)為了防止油冷卻器回裝時(shí)側(cè)面銅管被劃傷刺破，要逐臺(tái)對(duì)分油板進(jìn)行倒角、倒銳，或者將分油板改為環(huán)氧板，或在油冷卻器側(cè)面加裝保護(hù)鐵板。
(4)在油冷卻器回裝前，必須按規(guī)定充水打壓，在水壓為 0.4 MPa，保壓至少30 min無(wú)泄漏方可進(jìn)行回裝。
(5)油冷卻器回裝時(shí)嚴(yán)禁碰撞，回裝后先對(duì)油槽充滿油，觀察 24 h，在確認(rèn)無(wú)泄漏，油位正常后回裝環(huán)管和連接管。
(6)建議安裝可靠性高的油混水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，以檢測(cè)和顯示水輪發(fā)電機(jī)組油系統(tǒng)中混入水的含量，并在一定限量范圍內(nèi)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，確保機(jī)組的運(yùn)行安全。
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