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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：運行條件惡劣，泥沙磨損，冷卻銅管在安裝時有劃傷或刺破處，冷卻管彎曲處有應(yīng)力集中，管路老化以及停機(jī)時冷卻管內(nèi)有負(fù)壓現(xiàn)象等。針對上述原因，在檢修中更換了老化的管路，裝配時采取保護(hù)措施防止銅管被劃傷，安裝時嚴(yán)禁碰撞油冷卻器，進(jìn)行打壓試驗及早發(fā)現(xiàn)泄漏處并及時處理，同時在停機(jī)時斷水前先關(guān)閉冷卻器所有進(jìn)出水閥門，通水時先打開進(jìn)水閥通水再打開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行安全。并建議安裝油混水動態(tài)監(jiān)測裝置，以監(jiān)測冷卻器的運行狀況。
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：軸承摩擦熱通過與冷卻器之間的熱交換，建立熱動態(tài)平衡，使軸瓦溫度穩(wěn)定在正常運行的范圍。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年以來推力軸承油冷卻系統(tǒng)頻頻出現(xiàn)了泄漏事故，對機(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)在整個機(jī)組運行中的重要地位，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，通過推力軸承油冷卻器的熱交換來實現(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。每臺機(jī)組有18個油冷卻器，采用先3個串聯(lián)，然后6個再并聯(lián)在進(jìn)出環(huán)管上(見圖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：運行條件惡劣，泥沙磨損，冷卻銅管在安裝時有劃傷或刺破處，冷卻管彎曲處有應(yīng)力集中，管路老化以及停機(jī)時冷卻管內(nèi)有負(fù)壓現(xiàn)象等。針對上述原因，在檢修中更換了老化的管路，裝配時采取保護(hù)措施防止銅管被劃傷，安裝時嚴(yán)禁碰撞油冷卻器，進(jìn)行打壓試驗及早發(fā)現(xiàn)泄漏處并及時處理，同時在停機(jī)時斷水前先關(guān)閉冷卻器所有進(jìn)出水閥門，通水時先打開進(jìn)水閥通水再打開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行安全。并建議安裝油混水動態(tài)監(jiān)測裝置，以監(jiān)測冷卻器的運行狀況。
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：軸承摩擦熱通過與冷卻器之間的熱交換，建立熱動態(tài)平衡，使軸瓦溫度穩(wěn)定在正常運行的范圍。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年以來推力軸承油冷卻系統(tǒng)頻頻出現(xiàn)了泄漏事故，對機(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)在整個機(jī)組運行中的重要地位，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，通過推力軸承油冷卻器的熱交換來實現(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。每臺機(jī)組有18個油冷卻器，采用先3個串聯(lián)，然后6個再并聯(lián)在進(jìn)出環(huán)管上(見圖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，油冷卻器銅管長期運行在內(nèi)外壁幾十度的溫差下。其次，在長江主汛期，江水中泥沙含量劇增，為了防止管路堵塞，每個運行班次都要進(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)組的開機(jī)、停機(jī)以及季節(jié)的更換，也會導(dǎo)致管路內(nèi)外部溫度發(fā)生變化。
(2)應(yīng)力問題。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，在溫度作用下的脹縮會造成管路彎曲處的應(yīng)力集中。銅管的管頭是通過機(jī)械脹連工藝連結(jié)到承管板上的，脹連工藝會造成連接處的殘余應(yīng)力，并且在一定的溫度梯度下會產(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、水壓的波動以及內(nèi)外壁溫度差的變化都會造成管路中的應(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，在運行過程中，本就硬度不高的銅管路會有不同程度的磨損，如12號機(jī)大修時發(fā)現(xiàn)，在5個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，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，鐵板沒有進(jìn)行倒角處理，有鋒利的棱角，在油冷卻器回裝過程中，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號機(jī)也已經(jīng)運行了12年，Z長的8號機(jī)甚至已經(jīng)運行了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期運行后，發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕，同時，3個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)組油位過高時，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），必須對故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。①在機(jī)組運行狀態(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)時處于油槽底部），可以確認(rèn)為油冷卻器漏油；③拆開一段環(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。通過以下的方法可以判斷出是哪個冷卻器漏油：①環(huán)管分兩路供排水，通過分段檢查判斷發(fā)生漏油的油路（拆開冷卻水環(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，如果泄漏的部位不多，可采用小頭為22.5mm，錐度為1∶20且長度適宜的銅銷堵死泄漏銅管兩端脹口，報廢該銅管回路來阻止泄漏；②對于泄漏部位較多的機(jī)組，說明油冷卻器已經(jīng)嚴(yán)重老化，在小修和大修期間，更換油冷卻器；③對串水的油冷卻器，應(yīng)急的方法是拆開端蓋，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)組的安全運行，在實踐中總結(jié)出下面幾條預(yù)防油冷卻器泄漏的措施。
(1)對于油冷卻器銅管、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，對油冷卻器進(jìn)行逐臺更換，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，要先打開進(jìn)水閥通水，Z后打開排水閥。
(3)為了防止油冷卻器回裝時側(cè)面銅管被劃傷刺破，要逐臺對分油板進(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無泄漏方可進(jìn)行回裝。
(5)油冷卻器回裝時嚴(yán)禁碰撞，回裝后先對油槽充滿油，觀察 24 h，在確認(rèn)無泄漏，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態(tài)監(jiān)測裝置，以檢測和顯示水輪發(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)自動發(fā)出報警信號，確保機(jī)組的運行安全。
2.1 內(nèi)泄漏
(1)惡劣的運行條件。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，油冷卻器銅管長期運行在內(nèi)外壁幾十度的溫差下。其次，在長江主汛期，江水中泥沙含量劇增，為了防止管路堵塞，每個運行班次都要進(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)組的開機(jī)、停機(jī)以及季節(jié)的更換，也會導(dǎo)致管路內(nèi)外部溫度發(fā)生變化。
(2)應(yīng)力問題。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，在溫度作用下的脹縮會造成管路彎曲處的應(yīng)力集中。銅管的管頭是通過機(jī)械脹連工藝連結(jié)到承管板上的，脹連工藝會造成連接處的殘余應(yīng)力，并且在一定的溫度梯度下會產(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、水壓的波動以及內(nèi)外壁溫度差的變化都會造成管路中的應(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，在運行過程中，本就硬度不高的銅管路會有不同程度的磨損，如12號機(jī)大修時發(fā)現(xiàn)，在5個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，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，鐵板沒有進(jìn)行倒角處理，有鋒利的棱角，在油冷卻器回裝過程中，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號機(jī)也已經(jīng)運行了12年，Z長的8號機(jī)甚至已經(jīng)運行了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期運行后，發(fā)生嚴(yán)重的銹蝕，同時，3個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)組油位過高時，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），必須對故障進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷。①在機(jī)組運行狀態(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)時處于油槽底部），可以確認(rèn)為油冷卻器漏油；③拆開一段環(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。通過以下的方法可以判斷出是哪個冷卻器漏油：①環(huán)管分兩路供排水，通過分段檢查判斷發(fā)生漏油的油路（拆開冷卻水環(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，如果泄漏的部位不多，可采用小頭為22.5mm，錐度為1∶20且長度適宜的銅銷堵死泄漏銅管兩端脹口，報廢該銅管回路來阻止泄漏；②對于泄漏部位較多的機(jī)組，說明油冷卻器已經(jīng)嚴(yán)重老化，在小修和大修期間，更換油冷卻器；③對串水的油冷卻器，應(yīng)急的方法是拆開端蓋，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)組的安全運行，在實踐中總結(jié)出下面幾條預(yù)防油冷卻器泄漏的措施。
(1)對于油冷卻器銅管、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，對油冷卻器進(jìn)行逐臺更換，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，要先打開進(jìn)水閥通水，Z后打開排水閥。
(3)為了防止油冷卻器回裝時側(cè)面銅管被劃傷刺破，要逐臺對分油板進(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無泄漏方可進(jìn)行回裝。
(5)油冷卻器回裝時嚴(yán)禁碰撞，回裝后先對油槽充滿油，觀察 24 h，在確認(rèn)無泄漏，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態(tài)監(jiān)測裝置，以檢測和顯示水輪發(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)自動發(fā)出報警信號，確保機(jī)組的運行安全。
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