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水轮发电机推力轴承油冷却器泄漏原因分析
2009-07-16 洪国标，程汉桥
（葛洲坝水力发电厂，湖北宜昌443002）
（葛洲坝水力发电厂，湖北宜昌443002）
关键词：推力轴承；油冷却器；泄漏；水轮发电机；葛洲坝水电厂
摘 要：葛洲坝水电厂水轮发电机推力轴承油冷却器存在着漏油现象，对机组的安全生产造成极大的威胁。经分析其原因是：运行条件恶劣，泥沙磨损，冷却铜管在安装时有划伤或刺破处，冷却管弯曲处有应力集中，管路老化以及停机时冷却管内有负压现象等。针对上述原因，在检修中更换了老化的管路，装配时采取保护措施防止铜管被划伤，安装时严禁碰撞油冷却器，进行打压试验及早发现泄漏处并及时处理，同时在停机时断水前先关闭冷却器所有进出水阀门，通水时先打开进水阀通水再打开排水阀以防止管路产生负压。这样就可以确保推力轴承油冷却器运行安全。并建议安装油混水动态监测装置，以监测冷却器的运行状况。
推力轴承油冷却器是水轮发电机的重要部件之一，其作用是：轴承摩擦热通过与冷却器之间的热交换，建立热动态平衡，使轴瓦温度稳定在正常运行的范围。目前，葛洲坝水电厂机组推力轴承大部分由钨金瓦更换成了氟塑料瓦，取消了水冷瓦结构，因此，推力轴瓦的瓦面温度、瓦体温度及推力油槽的油温主要靠油冷却器进行散热。保证油冷却器的正常工作成为保证推力瓦和机组正常运行的关键环节。
葛洲坝大江电厂从1986年7月投产，1988年11月竣工交接至今已有10多年了，目前设备都存在不同程度的老化现象。特别是1997年以来推力轴承油冷却系统频频出现了泄漏事故，对机组的安全生产造成极大的威胁。鉴于推力轴承油冷却系统在整个机组运行中的重要地位，有必要研究油冷却系统漏油故障的形成机理、预防以及故障发生后的处理方法。
1 推力轴承油冷却器结构及泄漏现象
葛洲坝水电厂使用的推力轴承冷却方式是内循环水冷式，通过推力轴承油冷却器的热交换来实现轴承的冷却。冷却器主要由端盖、冷却器体、紫铜管、管夹和支架等组成(见图1)。端盖上有冷却水进出水管连接环管的法兰盘，水箱被分为3个腔，采用耐油橡胶与冷却器体密封，紫铜管管头与承管板采用胀管工艺方式连接，并同进出水管构成水的通路。每台机组有18个油冷却器，采用先3个串联，然后6个再并联在进出环管上(见图2)。油冷却器浸在油槽的透平油中，内通冷却水，热油的热量通过铜管传递给冷却水，然后由冷却水将热量带走。
摘 要：葛洲坝水电厂水轮发电机推力轴承油冷却器存在着漏油现象，对机组的安全生产造成极大的威胁。经分析其原因是：运行条件恶劣，泥沙磨损，冷却铜管在安装时有划伤或刺破处，冷却管弯曲处有应力集中，管路老化以及停机时冷却管内有负压现象等。针对上述原因，在检修中更换了老化的管路，装配时采取保护措施防止铜管被划伤，安装时严禁碰撞油冷却器，进行打压试验及早发现泄漏处并及时处理，同时在停机时断水前先关闭冷却器所有进出水阀门，通水时先打开进水阀通水再打开排水阀以防止管路产生负压。这样就可以确保推力轴承油冷却器运行安全。并建议安装油混水动态监测装置，以监测冷却器的运行状况。
推力轴承油冷却器是水轮发电机的重要部件之一，其作用是：轴承摩擦热通过与冷却器之间的热交换，建立热动态平衡，使轴瓦温度稳定在正常运行的范围。目前，葛洲坝水电厂机组推力轴承大部分由钨金瓦更换成了氟塑料瓦，取消了水冷瓦结构，因此，推力轴瓦的瓦面温度、瓦体温度及推力油槽的油温主要靠油冷却器进行散热。保证油冷却器的正常工作成为保证推力瓦和机组正常运行的关键环节。
葛洲坝大江电厂从1986年7月投产，1988年11月竣工交接至今已有10多年了，目前设备都存在不同程度的老化现象。特别是1997年以来推力轴承油冷却系统频频出现了泄漏事故，对机组的安全生产造成极大的威胁。鉴于推力轴承油冷却系统在整个机组运行中的重要地位，有必要研究油冷却系统漏油故障的形成机理、预防以及故障发生后的处理方法。
1 推力轴承油冷却器结构及泄漏现象
葛洲坝水电厂使用的推力轴承冷却方式是内循环水冷式，通过推力轴承油冷却器的热交换来实现轴承的冷却。冷却器主要由端盖、冷却器体、紫铜管、管夹和支架等组成(见图1)。端盖上有冷却水进出水管连接环管的法兰盘，水箱被分为3个腔，采用耐油橡胶与冷却器体密封，紫铜管管头与承管板采用胀管工艺方式连接，并同进出水管构成水的通路。每台机组有18个油冷却器，采用先3个串联，然后6个再并联在进出环管上(见图2)。油冷却器浸在油槽的透平油中，内通冷却水，热油的热量通过铜管传递给冷却水，然后由冷却水将热量带走。
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2 推力轴承油冷却器泄漏原因
2.1 内泄漏
(1)恶劣的运行条件。首先，油冷却器铜管内部为冷却水，外部为热透平油，一般情况下，冷却水取水口水温为4℃，而透平油的温度为35℃左右，油冷却器铜管长期运行在内外壁几十度的温差下。其次，在长江主汛期，江水中泥沙含量剧增，为了防止管路堵塞，每个运行班次都要进行正反向供水倒换，根据油冷却器的串并联结构正反向供水倒换将造成管路内外温度发生较大的变化。随着机组的开机、停机以及季节的更换，也会导致管路内外部温度发生变化。
(2)应力问题。推力轴承油冷却器的冷却管为铜管，采用冷弯加工而成，在弯曲处存在残余应力，同时，在温度作用下的胀缩会造成管路弯曲处的应力集中。铜管的管头是通过机械胀连工艺连结到承管板上的，胀连工艺会造成连接处的残余应力，并且在一定的温度梯度下会产生较大的热应力，在连接处的局部范围，造成应力集中。正反向供水倒换、水压的波动以及内外壁温度差的变化都会造成管路中的应力发生周期性的变化，造成管路的疲劳破坏。
(3)泥沙的磨损及江水的腐蚀。随着环境的破坏，江水中泥沙和腐蚀物的含量较高，在运行过程中，本就硬度不高的铜管路会有不同程度的磨损，如12号机大修时发现，在5个泄漏的油冷却器中共有8根铜管破裂，破裂的铜管均锈蚀磨损严重，有斑状脱落，铜管内径从22 mm锈蚀磨损为23.5 mm。
(4)负压现象。推力轴承油冷却器的冷却水取水口在上游，依靠水位差供水。机组在停机断水时，环管内出现负压现象。虽然油槽内的油压不高，但在外部负压状态下，会产生较大的压力差，导致油冷却器铜管管头处胀口。
(5)结构不够合理。推力油槽内的分油板为厚3 mm的铁板，铁板没有进行倒角处理，有锋利的棱角，在油冷却器回装过程中，棱角极易刺破油冷却器侧面处的铜管，或使被刺处的管壁变薄或产生划痕，在力的作用下，划伤处会导致管路破裂。
(6)管路的老化。一般情况下，铜管的使用寿命为8～10年，而葛洲坝水电厂机组使用年限Z短的21号机也已经运行了12年，Z长的8号机甚至已经运行了14年，材料已经老化，不能满足热负荷和机械负荷的要求。
2.2 外泄漏
油冷却器体和承管板在长期运行后，发生严重的锈蚀，同时，3个水腔的橡胶密封也已经老化，易导致水腔之间串水。
3 推力轴承油冷却器泄漏的判断和处理
3.1 泄漏的判断
当机组油位过高时，可能是油冷却器泄漏导致了油槽进水或者加油阀未关严（或损坏），必须对故障进行准确的判断。①在机组运行状态下从油槽油窗观看油质是否浑浊乳化；②在停机状态打开排油阀，放出部分冷却油，如果油中有水（水的比重比油大，静止状态时处于油槽底部），可以确认为油冷却器漏油；③拆开一段环管，如果管内水中有漂浮油层，判断为油冷却器漏油。
确认出油冷却器存在漏油的故障后，要进一步分析出具体漏油的冷却器。通过以下的方法可以判断出是哪个冷却器漏油：①环管分两路供排水，通过分段检查判断发生漏油的油路（拆开冷却水环管与母管的连结法兰，有油的一路漏油）；②拆除所有的连结管，观察一段时间，油冷却器端盖法兰有油渗出的油冷却器漏油。
3.2 泄漏的处理
发生泄漏采取的维护方法有：①在抢修时，如果泄漏的部位不多，可采用小头为22.5mm，锥度为1∶20且长度适宜的铜销堵死泄漏铜管两端胀口，报废该铜管回路来阻止泄漏；②对于泄漏部位较多的机组，说明油冷却器已经严重老化，在小修和大修期间，更换油冷却器；③对串水的油冷却器，应急的方法是拆开端盖，换新橡胶垫，要根治串水，应更换油冷却器。
4 油冷却器泄漏的预防措施
油冷却器是机组的重要组成部分，其泄漏可直接导致推力瓦的损伤和烧瓦，降低散热性能，造成严重事故和重大损失。为了维持机组的安全运行，在实践中总结出下面几条预防油冷却器泄漏的措施。
(1)对于油冷却器铜管、橡胶密封等严重老化和钢体锈蚀严重的，要在机组大修和扩修时，对油冷却器进行逐台更换，以彻底解除安全隐患。
(2)为防止出现负压泄漏，在机组停机断水前，先关闭所有进出水阀门；通水时，要先打开进水阀通水，Z后打开排水阀。
(3)为了防止油冷却器回装时侧面铜管被划伤刺破，要逐台对分油板进行倒角、倒锐，或者将分油板改为环氧板，或在油冷却器侧面加装保护铁板。
(4)在油冷却器回装前，必须按规定充水打压，在水压为 0.4 MPa，保压至少30 min无泄漏方可进行回装。
(5)油冷却器回装时严禁碰撞，回装后先对油槽充满油，观察 24 h，在确认无泄漏，油位正常后回装环管和连接管。
(6)建议安装可靠性高的油混水动态监测装置，以检测和显示水轮发电机组油系统中混入水的含量，并在一定限量范围内自动发出报警信号，确保机组的运行安全。
2.1 内泄漏
(1)恶劣的运行条件。首先，油冷却器铜管内部为冷却水，外部为热透平油，一般情况下，冷却水取水口水温为4℃，而透平油的温度为35℃左右，油冷却器铜管长期运行在内外壁几十度的温差下。其次，在长江主汛期，江水中泥沙含量剧增，为了防止管路堵塞，每个运行班次都要进行正反向供水倒换，根据油冷却器的串并联结构正反向供水倒换将造成管路内外温度发生较大的变化。随着机组的开机、停机以及季节的更换，也会导致管路内外部温度发生变化。
(2)应力问题。推力轴承油冷却器的冷却管为铜管，采用冷弯加工而成，在弯曲处存在残余应力，同时，在温度作用下的胀缩会造成管路弯曲处的应力集中。铜管的管头是通过机械胀连工艺连结到承管板上的，胀连工艺会造成连接处的残余应力，并且在一定的温度梯度下会产生较大的热应力，在连接处的局部范围，造成应力集中。正反向供水倒换、水压的波动以及内外壁温度差的变化都会造成管路中的应力发生周期性的变化，造成管路的疲劳破坏。
(3)泥沙的磨损及江水的腐蚀。随着环境的破坏，江水中泥沙和腐蚀物的含量较高，在运行过程中，本就硬度不高的铜管路会有不同程度的磨损，如12号机大修时发现，在5个泄漏的油冷却器中共有8根铜管破裂，破裂的铜管均锈蚀磨损严重，有斑状脱落，铜管内径从22 mm锈蚀磨损为23.5 mm。
(4)负压现象。推力轴承油冷却器的冷却水取水口在上游，依靠水位差供水。机组在停机断水时，环管内出现负压现象。虽然油槽内的油压不高，但在外部负压状态下，会产生较大的压力差，导致油冷却器铜管管头处胀口。
(5)结构不够合理。推力油槽内的分油板为厚3 mm的铁板，铁板没有进行倒角处理，有锋利的棱角，在油冷却器回装过程中，棱角极易刺破油冷却器侧面处的铜管，或使被刺处的管壁变薄或产生划痕，在力的作用下，划伤处会导致管路破裂。
(6)管路的老化。一般情况下，铜管的使用寿命为8～10年，而葛洲坝水电厂机组使用年限Z短的21号机也已经运行了12年，Z长的8号机甚至已经运行了14年，材料已经老化，不能满足热负荷和机械负荷的要求。
2.2 外泄漏
油冷却器体和承管板在长期运行后，发生严重的锈蚀，同时，3个水腔的橡胶密封也已经老化，易导致水腔之间串水。
3 推力轴承油冷却器泄漏的判断和处理
3.1 泄漏的判断
当机组油位过高时，可能是油冷却器泄漏导致了油槽进水或者加油阀未关严（或损坏），必须对故障进行准确的判断。①在机组运行状态下从油槽油窗观看油质是否浑浊乳化；②在停机状态打开排油阀，放出部分冷却油，如果油中有水（水的比重比油大，静止状态时处于油槽底部），可以确认为油冷却器漏油；③拆开一段环管，如果管内水中有漂浮油层，判断为油冷却器漏油。
确认出油冷却器存在漏油的故障后，要进一步分析出具体漏油的冷却器。通过以下的方法可以判断出是哪个冷却器漏油：①环管分两路供排水，通过分段检查判断发生漏油的油路（拆开冷却水环管与母管的连结法兰，有油的一路漏油）；②拆除所有的连结管，观察一段时间，油冷却器端盖法兰有油渗出的油冷却器漏油。
3.2 泄漏的处理
发生泄漏采取的维护方法有：①在抢修时，如果泄漏的部位不多，可采用小头为22.5mm，锥度为1∶20且长度适宜的铜销堵死泄漏铜管两端胀口，报废该铜管回路来阻止泄漏；②对于泄漏部位较多的机组，说明油冷却器已经严重老化，在小修和大修期间，更换油冷却器；③对串水的油冷却器，应急的方法是拆开端盖，换新橡胶垫，要根治串水，应更换油冷却器。
4 油冷却器泄漏的预防措施
油冷却器是机组的重要组成部分，其泄漏可直接导致推力瓦的损伤和烧瓦，降低散热性能，造成严重事故和重大损失。为了维持机组的安全运行，在实践中总结出下面几条预防油冷却器泄漏的措施。
(1)对于油冷却器铜管、橡胶密封等严重老化和钢体锈蚀严重的，要在机组大修和扩修时，对油冷却器进行逐台更换，以彻底解除安全隐患。
(2)为防止出现负压泄漏，在机组停机断水前，先关闭所有进出水阀门；通水时，要先打开进水阀通水，Z后打开排水阀。
(3)为了防止油冷却器回装时侧面铜管被划伤刺破，要逐台对分油板进行倒角、倒锐，或者将分油板改为环氧板，或在油冷却器侧面加装保护铁板。
(4)在油冷却器回装前，必须按规定充水打压，在水压为 0.4 MPa，保压至少30 min无泄漏方可进行回装。
(5)油冷却器回装时严禁碰撞，回装后先对油槽充满油，观察 24 h，在确认无泄漏，油位正常后回装环管和连接管。
(6)建议安装可靠性高的油混水动态监测装置，以检测和显示水轮发电机组油系统中混入水的含量，并在一定限量范围内自动发出报警信号，确保机组的运行安全。
