燈泡貫流式機(jī)組槳葉銅套國產(chǎn)化研究

楊鎮(zhèn)瑋，尹貴恒，石 為

（1.五凌電力有限公司近尾洲水電廠，湖南 衡陽 421127；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

近尾洲電廠機(jī)組為奧地利安德里茨公司整套進(jìn)口設(shè)備，水輪機(jī)為VAMCE公司生產(chǎn)，水輪機(jī)型號：VAMCE KR4/63，水輪機(jī)為卡普蘭結(jié)構(gòu)，4片槳葉，轉(zhuǎn)輪無油重58.37 t，直徑為6.3 m。輪轂為整鑄球形，直徑為Φ2 394 mm，輪轂比為0.38, 材質(zhì)為GS20Mn5。輪轂的作用主要用來安裝槳葉與槳葉操作機(jī)構(gòu)。槳葉、樞軸及枴臂通過槳葉連接螺栓及定位銷連接在一起，槳葉接力器油缸通過雙聯(lián)板與枴臂相連接，槳葉接力器為缸動式，運(yùn)行過程中通過缸動帶動?xùn)”蹌幼?，從而操作槳葉動作。

1 設(shè)備狀況簡介

1.1 槳葉銅套運(yùn)行、檢修情況

近尾洲電廠機(jī)組自投運(yùn)以來運(yùn)行正常，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)無異常。2011年8月22日在1號機(jī)組檢修中檢查發(fā)現(xiàn)槳葉操作機(jī)構(gòu)雙連板圓柱銷的8個定位螺栓M20×50 mm剪斷6個。2012年1號機(jī)組進(jìn)行首次A級檢修，檢修中發(fā)現(xiàn)槳葉樞軸自潤滑軸承（銅套）及槳葉雙聯(lián)板自潤滑軸承（銅套）磨損均較嚴(yán)重，對自潤滑軸承（銅套）進(jìn)行更換處理；測量槳葉樞軸L型銅套1132D，發(fā)現(xiàn)2號、3號、4號槳葉樞軸銅套有3點(diǎn)方向磨損稍偏大，總體間隙符合圖紙要求，局部超標(biāo)。槳葉樞軸L型銅套1132D高度測量正常。廠家技術(shù)人員給出意見，無需更換，可再運(yùn)行1個A修周期。電廠、工程公司、監(jiān)理等現(xiàn)場結(jié)合廠家意見會商后，未對L型銅套1132D進(jìn)行更換。

1.2 水輪機(jī)輪轂異響情況介紹

1號機(jī)組自2000年12月投產(chǎn)至2019年，運(yùn)行已達(dá)19年，運(yùn)行時間達(dá)到10萬h以上。2019年8月，專業(yè)人員在現(xiàn)場巡視過程中發(fā)現(xiàn)1號機(jī)組滑環(huán)處有輕微異響,在反復(fù)排查確認(rèn)不是碳刷、滑環(huán)造成，后經(jīng)分析初步判斷為轉(zhuǎn)輪處異響沿操作油管傳至受油器，后對1號機(jī)組盤車發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)輪轂內(nèi)有異常響聲。

1.3 輪轂異響情況分析

針對輪轂異響這一現(xiàn)狀，對其產(chǎn)生原因進(jìn)行討論與分析，其原因主要有以下3點(diǎn)。

1.3.1 樞軸竄動較大引起異響

銅套磨損一般分為跑合磨損、穩(wěn)定磨損及劇烈磨損等3個階段。2012年檢修時槳葉L型銅瓦磨損量較小，未進(jìn)行更換。2012年土谷塘投產(chǎn)后使我廠上游水位降低，運(yùn)行水頭較低，同負(fù)荷下導(dǎo)葉槳葉開度變大，水推力增大，導(dǎo)致樞軸局部受力，造成L型銅瓦徑向基推力面局部磨損，使得銅套磨損加劇，從穩(wěn)定磨損步入劇烈磨損階段。

解體前對枴臂與止推面的局部（約1/4圓周）磨損測量在0.45～0.50 mm，并且根據(jù)數(shù)據(jù)分析樞軸與銅瓦間隙在0.16～0.34 mm，我廠槳葉竄動量廠家未給設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，參照與我廠設(shè)備類似，同廠家生產(chǎn)的飛來峽電廠設(shè)備設(shè)計(jì)竄動量為0.15～0.20 mm，樞軸與銅瓦設(shè)計(jì)間隙為0.17～0.24 mm，按此標(biāo)準(zhǔn)我廠的竄動量已超標(biāo)，間隙值也有部分超標(biāo)現(xiàn)象，由此分析1號機(jī)組轉(zhuǎn)輪異響可能由于樞軸偏磨導(dǎo)致偏擺及竄動引起。

1.3.2 輪轂供油管與操作油管中管不同心引起異響

咨詢各多個設(shè)備制造廠專家，對于投運(yùn)時間久的機(jī)組，長期運(yùn)行磨損積累導(dǎo)致輪轂供油管與操作油管中管不同心會引起輪轂供油管限位支撐與中管出現(xiàn)摩擦憋勁現(xiàn)象，也會導(dǎo)致運(yùn)行過程中有異響沿操作油管傳至受油器處。

1.3.3 槳葉操作機(jī)構(gòu)摩擦引起異響

現(xiàn)場檢查雙聯(lián)板中間限位套內(nèi)壁有磨損，雙聯(lián)板兩端連接銷軸與銅瓦配合總間隙間隙存在局部超標(biāo)（測量數(shù)值為0.12～0.27 mm，設(shè)計(jì)間隙0.036～0.16 mm），可能導(dǎo)致雙聯(lián)板徑向擺動，使限位套內(nèi)壁與螺桿進(jìn)行摩擦，造成限位套內(nèi)壁磨損，并引起異響。

結(jié)合目前設(shè)備解體與檢測數(shù)據(jù)來看，槳葉L型銅套磨損造成樞軸竄動較大引起異響的可能性大，對受油器及其操作油管立即開展測量與排查。雙聯(lián)板兩端連接銷軸與銅瓦配合總間隙間隙雖然局部稍超標(biāo)，造成異響可能性小。

2 水輪機(jī)槳葉銅套問題解決方法

2.1 槳葉銅套情況介紹

近尾洲機(jī)組的槳葉轉(zhuǎn)臂與輪轂間的轉(zhuǎn)動摩擦副中,設(shè)計(jì)布置有銅合金制成的L銅套；槳葉軸與輪轂間的滑動摩擦副中, 設(shè)計(jì)布置具有銅合金制成滑動墊板；雙聯(lián)板與銷軸間的滑動摩擦副中，布置有德國DEVA公司的BM系列雙金屬復(fù)合銅套，該銅套厚度為3 mm，基材為2 mm厚的不銹鋼，在不銹鋼基材上通過特殊工藝上燒結(jié)有1 mm的含有石墨等固體潤滑劑的銅合金粉；在槳葉樞軸與輪轂的滑動摩擦副中，同樣布置有德國DEVA公司的BM系列雙金屬復(fù)合銅套，該銅套厚度為5 mm，基材為3 mm厚的不銹鋼，在不銹鋼基材上通過特殊工藝上燒結(jié)有2 mm的含有石墨等固體潤滑劑的銅合金粉。每片槳葉的導(dǎo)向環(huán)（即槳葉密封）采用2道U型橡膠密封背靠背安裝保證對外防水、對內(nèi)防油滲漏的目的。

2.2 水輪機(jī)槳葉銅套改造分析

按照原廠家維護(hù)手冊中運(yùn)行6～8萬 h需要對機(jī)組槳葉軸瓦進(jìn)行檢查測量，并對磨損超標(biāo)的軸瓦進(jìn)行更換，因電廠無相關(guān)軸瓦備件，一旦槳葉軸瓦出現(xiàn)故障無備件更換，將嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)咨詢設(shè)備廠家，槳葉軸瓦進(jìn)口備品價格較高，目前國內(nèi)與ENLIN公司合作制作加工相關(guān)備品備件的廠家技術(shù)質(zhì)量滿足相關(guān)要求，在保證質(zhì)量要求的前提下，綜合考慮成本因素，有必要對機(jī)組槳葉軸瓦進(jìn)行國產(chǎn)化改造。

考慮成本造價、生產(chǎn)周期和設(shè)備國產(chǎn)化需要，國內(nèi)燈泡式機(jī)組水輪機(jī)等主設(shè)備大多參考?xì)W洲先進(jìn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和圖紙參數(shù)，缺少水輪機(jī)模型設(shè)計(jì)、試驗(yàn)核心數(shù)據(jù)，在重要部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、材料力學(xué)參數(shù)、安全系數(shù)選取等方面距離國外同行仍有較大差距。加之我國各級電網(wǎng)調(diào)度規(guī)定、要求不盡相同，需要水電技術(shù)人員不斷摸索、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合當(dāng)?shù)卣{(diào)度、運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 槳葉銅套加工驗(yàn)收及技術(shù)要求

通過對進(jìn)口槳葉銅套進(jìn)行成分分析，在國內(nèi)通過招投標(biāo)，選擇最能實(shí)現(xiàn)與原廠槳葉銅套成分接近的投標(biāo)單位，進(jìn)行生產(chǎn)國產(chǎn)化的槳葉銅套，在鑄造過程中，對槳葉L型銅套、槳葉接力器缸體銅套等錫青銅鑄件，材料使用CuPb5Sn，按原錫青銅配方比例進(jìn)行加工生產(chǎn)，鑄造工藝宜選用離心鑄等先進(jìn)工藝，來確保產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3.1 主要驗(yàn)收要求

（1）槳葉L型軸套更換后公差值符合圖紙要求（或電廠提供公差值），如果槳葉L型軸套不需要更換，新加工槳葉L型銅套（安裝前）的內(nèi)徑須單邊預(yù)留2 mm的加工余量（即新加工銅套的實(shí)際內(nèi)徑比設(shè)計(jì)值小4 mm），或者根據(jù)實(shí)際情況協(xié)商確定。

（2）銅套加工完后，應(yīng)進(jìn)行銅套UT探傷，并提供檢測報告。

2.3.2 主要技術(shù)要求

（1）新加工槳葉接力器缸體銅套單邊預(yù)留一定的加工預(yù)留，待機(jī)組A修時，根據(jù)缸體軸承孔及短軸測量尺寸在加工工廠進(jìn)行精加工，在電廠現(xiàn)地進(jìn)行安裝，安裝采用冷裝方式（液氮或干冰），加工時必須由熟練的車工進(jìn)行操作，加工后去除表面毛刺，表面粗糙度不超過1.6 μm。

（2）銅套嚴(yán)格按圖紙加工（或電廠現(xiàn)存?zhèn)淦返耐庑纬叽纾┥a(chǎn)，公差、材料均需符合圖紙及標(biāo)準(zhǔn)要求；銅套到廠需提供理化試驗(yàn)報告（包含材料成分、硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長量）、精加工后表面UT檢測報告，及尺寸檢驗(yàn)報告；材料成分檢測需在毛胚中取樣，每個鑄件均需取樣；提供3個銅樣，由具有資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行理化試驗(yàn)復(fù)測。

（3）銅套鑄造需嚴(yán)格控制元素，金屬成分比例及機(jī)械性能需符合相應(yīng)的德國DIN標(biāo)準(zhǔn)；鑄造過程中防止成分偏析、鑄造缺陷，應(yīng)無超標(biāo)缺陷。

（4）我廠槳葉竄動量廠家未給設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，參照與我廠設(shè)備類似，同廠家生產(chǎn)的飛來峽電廠設(shè)備設(shè)計(jì)竄動量為0.15～0.20 mm，樞軸與銅瓦設(shè)計(jì)間隙為0.17～0.24 mm。

2.4 槳葉銅套的更換

2.4.1 槳葉銅套更換的重點(diǎn)難點(diǎn)

由于銅套外徑與輪轂孔為過盈配合，一般采用冷卻的方式進(jìn)行安裝。當(dāng)銅套冷卻后恢復(fù)過程中，內(nèi)徑因輪轂孔對銅套的壓縮會變小，因而如在工地進(jìn)行安裝，需對輪轂孔、槳葉軸等尺寸進(jìn)行詳細(xì)測量，根據(jù)圖紙定出合適的銅套外徑尺寸，并根據(jù)銅套內(nèi)徑安裝后的壓縮量來確定內(nèi)徑尺寸。由于銅套為軟金屬、制造過程無法保證完全的圓度，因而在冷卻復(fù)原的過程中有快有慢，導(dǎo)致銅套內(nèi)孔會出現(xiàn)不圓度，此不圓度與銅套的壁厚、過盈量存在很大關(guān)系。壁越厚，復(fù)原的過程中反作用力能均勻傳遞，其圓度越好；過盈量越小、反作用力越小，其圓度越好。

咨詢原ENLIN公司北京水輪機(jī)設(shè)計(jì)部專業(yè)人員，由于銅套壁太薄，廠家設(shè)計(jì)時沒有考慮在電廠進(jìn)行安裝的方式，其要求不得在工地進(jìn)行安裝，應(yīng)送工廠進(jìn)行安裝。一旦在電廠安裝后，圓度無法得到保證，銅套的磨損會較快，同時水輪機(jī)組振動會較大。咨詢相關(guān)的改造廠家,廠家提出因壁薄和過盈量較大圓度無法保證，其以往改造經(jīng)驗(yàn)，對于薄壁銅套安裝后需進(jìn)行刮瓦工序，且刮瓦的工作量將較大，現(xiàn)地雖可開展相關(guān)的安裝工作，但是一般不推薦采用現(xiàn)地安裝方式，安裝后銅套的前期磨損較快，銅套的壽命相對較短，壽命一般在5年以內(nèi)。

由于槳葉L型銅套外形尺寸較大、壁薄，現(xiàn)場安裝難度大，需要有一定安裝經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)技術(shù)人員和專用工具才能實(shí)施，因而討論決定將輪轂返廠進(jìn)行安裝。

2.4.2 槳葉銅套更換過程

槳葉銅套更換項(xiàng)目主要涉及輪轂、槳葉接力器缸體等解體、更換槳葉銅套以及裝復(fù)等重大項(xiàng)目。槳葉銅套更換主要工藝流程包括：泄水錐拆除——槳葉接力器缸體拆除——槳葉樞軸拆除——槳葉拐臂拆除——槳葉樞軸銅套更換——活塞缸與連桿機(jī)構(gòu)、拐臂裝配——連桿、樞軸與轉(zhuǎn)輪體組裝——組裝槳葉接力器缸體——接力器耐壓試驗(yàn)——組裝泄水錐——整體試驗(yàn)和驗(yàn)收。

2.4.3 槳葉銅套更換后設(shè)備狀態(tài)

更換新的槳葉銅瓦，并在精加工階段，嚴(yán)格按照竄動量設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)0.15～0.20 mm控制，檢修后槳葉竄動量實(shí)測在0.15 mm左右，機(jī)組檢修完畢運(yùn)行過程中異常聲響消失。

如今對槳葉銅套技術(shù)的革新成果及流程的專業(yè)化、規(guī)范化有了長足的進(jìn)步，這對于解放生產(chǎn)力，提高生產(chǎn)效率，減少事故發(fā)生有著重要的作用，對我國槳葉銅套的發(fā)展有著重要的意義。

3 總結(jié)

防止設(shè)備缺陷的發(fā)生，最重要是從設(shè)備制造、采購、安裝著手，各個技術(shù)環(huán)節(jié)上層層把關(guān)，將因制造、 設(shè)計(jì)而產(chǎn)生的缺陷逐步消除。應(yīng)建立完善設(shè)備技術(shù)管理機(jī)制，通過技術(shù)監(jiān)督、設(shè)備檢修，設(shè)備巡視等各種有效技術(shù)手段，及時了解設(shè)備健康狀況，分析設(shè)備劣化趨勢，做到設(shè)備事故提前預(yù)防。

隨著時代的進(jìn)步以及生產(chǎn)力的大幅提升，槳葉銅套的制作工藝也有了翻天覆地的變化。為了進(jìn)一步提高我國槳葉銅套的發(fā)展，文中對槳葉銅套發(fā)展過程中產(chǎn)生的磨損、更換、鑄造過程中的細(xì)節(jié)操作等問題進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的合理化建議。在槳葉銅套技術(shù)革新方面，也提出了一些技術(shù)上改進(jìn)和成果。

隨著時代的進(jìn)步和生產(chǎn)力的大幅度提高，槳葉銅套的制造工藝也煥然一新。 為進(jìn)一步完善我國槳葉銅套技術(shù)的發(fā)展，分析了槳葉銅套在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的磨損、更換、材料選擇等細(xì)節(jié)作業(yè)步驟中的問題，并提出了相應(yīng)的合理化建議。 在槳葉銅套的技術(shù)改造中，提出了一些技術(shù)改進(jìn)和成果。