淺談水輪發(fā)電機軸承支柱螺栓磨損問題處理

劉加將，郎梼，李兵

（四川華能康定水電有限責任公司，四川 甘孜 626000）

拉拉山水電站地處四川省甘孜藏族自治州巴塘縣境內(nèi)的金沙江一級支流，機組單機容量48MW,額定水頭212m，為立式混流式水輪發(fā)電機組。2014年12月，2臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電，投產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)機組均存在不同程度的支柱螺栓磨損問題，每年磨損量達到0.2mm，給機組安全穩(wěn)定運行帶來了較大風險。針對這一問題，電站專業(yè)人員對支柱螺栓材質(zhì)進行了金相分析，并采取一系列技術措施，成功解決了支柱螺栓磨損這一難題。本文對支柱螺栓磨損問題原因進行了分析，研究并介紹了拉拉山水電站對于這一問題的處理方法，取得了良好的效果。

1 原因分析

造成支柱螺栓磨損的原因有多方面，本文從支柱螺栓本體材質(zhì)及結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，通過金相分析、力學性能試驗等手段，從材質(zhì)本身找原因，并通過熱處理的方式進行調(diào)質(zhì)，改變材料自身的力學性能。

1.1 尺寸檢查

為分析具體原因，首先，需要對上導軸瓦和下導軸瓦實際間隙值進行實測，測量發(fā)現(xiàn)軸瓦間隙均存在不同程度的增加，每年平均增加約0.2mm，而支柱螺栓鎖固螺帽并未見松動。其次，對支柱螺栓長度進行測量發(fā)現(xiàn)，長度均出現(xiàn)不同程度縮短，每年平均減少量約0.19mm，通過上述檢查，可以確認支柱螺栓確實存在磨損問題。

1.2 金相分析

拉拉山電站支柱螺栓材質(zhì)為35CrMo合金結(jié)構(gòu)鋼,具有很高的靜力強度、沖擊韌性及較高的疲勞極限，高溫下有高的蠕變強度與持久強度，長期工作溫度可達500℃；冷變形時塑性中等，焊接性差。主要用于在高負荷下工作的重要結(jié)構(gòu)件，如車輛和發(fā)動機的傳動件；發(fā)電機的轉(zhuǎn)子、主軸、 重載荷的傳動軸，大斷面零件，軸瓦支柱螺栓等，其主要化學成分如表1。

表1 35CrMo標準化學成分數(shù)據(jù) 單位：%

將上導軸承支柱螺栓及下導軸承支柱螺栓，各取2份試驗做金相分析，結(jié)果如表2。

表2 式樣化學成分數(shù)據(jù) 單位：%

通過金相分析發(fā)現(xiàn)，支柱螺栓母材碳與鉻含量偏低，其它元素含量正常。碳是決定鋼的力學性能的最主要因素，當含碳量＜0.77%時，隨含碳量的降低，鋼材強度降低，硬度減小，塑性、韌性增加。鉻是一種重要合金元素，隨著鉻含量降低，鋼材強度、硬度和耐磨性均降低，塑性和韌性增加。鉻還能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，是防銹和耐熱鋼的重要合金元素。

1.3 力學性能實驗

35CrMo鋼材的標準抗拉強度σb≥985MPa，屈服強度σs≥835MPa，莫氏硬度HM≤229HB。在上導軸承支柱螺栓和下導軸承支柱螺栓分別取2份式樣，式樣毛坯尺寸為25mm（支柱螺栓加工形成），測得式樣抗拉強度σb=1020MPa，屈服強度σs=846MPa，莫氏硬度HM=301HB（洛氏硬度32.1HRC）。從力學性能試驗結(jié)果可以看出，該材料抗拉強度和屈服強度均在合格范圍內(nèi)，硬度較標準值高。通過力性能試驗分析，支柱螺栓應該是經(jīng)過了調(diào)質(zhì)熱處理，但熱處理效果并不理想，可能是冷卻介質(zhì)或回火溫度選擇不正確造成的。

綜合上述試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，拉拉山電站支柱螺栓采用的35CrMo材質(zhì)存在一定問題，且支柱螺栓采用的熱處理方式不正確，導致螺栓強度、硬度偏低，進而導致支柱螺栓球頭與支撐塊磨損，造成瓦隙增大，機組擺度增大。

2 處理方案

選取合格的35CrMo鋼材，首先，對母材材質(zhì)進行金相分析，其參數(shù)如表3所示：

表3 新母材化學成分數(shù)據(jù) 單位：%

新選取的35CrMo鋼材化學成分符合標準要求，與舊材料相比，其含碳量及鉻含量明顯增加，材料強度及硬度在理論上應該有明顯提升。

選擇合格的母材后，再按照支柱螺栓設計圖紙進行加工，加工完成后，為提高支柱螺栓強度及硬度，需要對其進行熱處理。因為此次熱處理的主要目的是提高支柱螺栓的強度和硬度，故采用調(diào)質(zhì)處理。淬火后工件內(nèi)還存在內(nèi)應力，故還需要進行回火處理。調(diào)質(zhì)時，淬火溫度選擇為850℃，回火溫度選擇為500℃（溫度過高容易導致硬度大幅下降），冷卻介質(zhì)選用油。

對熱處理后的工件進行力學性能試驗，測得試驗抗拉強度σb=1190MPa，屈服強度σs=895MPa，莫氏硬度HM=353HB（洛氏硬度38.1HRC）。對比支柱螺栓更換前后力學性能試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，更換后的支柱螺栓經(jīng)過調(diào)質(zhì)后強度、硬度有明顯提升，耐磨性在理論上應該有明顯提升。

3 使用效果

拉拉山電站更換新支柱螺栓后，通過近3年觀察，新支柱螺栓球頭磨損量已較舊支柱螺栓明顯變小，通過實測磨損量約每年0.04mm。水輪發(fā)電機組的大修周期為4～8年，支柱螺栓能保證在一個大修周期內(nèi)磨損量不會超標，已滿足電站設備使用需求。軸瓦支柱螺栓磨損問題在其他電站也有類似的情況發(fā)生，同樣面臨較大風險。支柱螺栓安裝時應提前考慮磨損問題，在機組瓦隙調(diào)整階段應按照瓦隙下限值進行調(diào)整，以保證支柱螺栓磨損后總瓦隙不超標。

4 結(jié)語

支柱螺栓更換后，還應加強運行參數(shù)檢測，做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，當然，除本文中所述措施外，還有很多切實可行的措施(如更換支柱螺栓鋼材材質(zhì)，將支柱螺栓結(jié)構(gòu)改為楔子板結(jié)構(gòu)等)，電站的管理者要根據(jù)實際情況因地制宜地選擇，采取簡單、經(jīng)濟、可靠的措施，確保電站安全穩(wěn)定運行。