弹性金属塑料瓦的运行与检修

陈和冲

（新安江水力发电厂，浙江 杭州 311608）

0 引言

水轮发电机组轴承瓦包括推力轴瓦与导瓦两部分，传统瓦体采用巴氏合金作为其材质，但由于摩擦损耗大，易发生烧瓦等现象，现逐渐使用氟塑料、弹性金属塑料作为其材质[1]。弹性金属塑料瓦现阶段主要使用在水轮发电机组、水泵机组中，具体采用低碳钢板为基体，改性聚四氟乙烯层为表面，并在改性聚四氟乙烯材料中加入弹性金属层，经特殊工艺制作而成（如图1所示）。弹性金属塑料瓦由前苏联在70年代研制开发成功，自1991年开始，我国陆续从苏联进口塑料瓦，与此同时，哈尔滨电机厂大电机研究所与辽源科学技术研究所合作，研制、开发生产改性弹性金属塑料瓦面产品，首台1000 kN级国产塑料瓦于1990年8月在船场溪水电厂试验成功；1992年4月6600 kN级国产塑料瓦在新安江水电厂试验成功；1993年7月30000 kN级塑料推力瓦在广西岩滩水电厂试验成功，并且[3]作者对岩滩水电厂针对30000 kN级推力轴承弹性金属塑料瓦是否满足机组运行要求进行了实测验证。自此，弹性金属塑料瓦完全实现国产化，目前已在包括宝山水电站[4]、富春江水电站[5]等水电站中全面应用。

弹性金属塑料瓦的开发使用，明显地避免了一些大机组推力瓦烧损事故，解决了巴氏合金轴瓦烧瓦事故多、检修（刮瓦）劳动强度大、检修麻烦等缺点；改善了推力轴承的运行性能，提高了机组的运行可靠性。但是，国内外塑料瓦在长期使用中也时有烧瓦事故发生，如葛洲坝电厂于1995年12月至1996年底烧损六台套[6]，根据分析，表面摩擦材料耐磨性能的优劣，对轴瓦使用的可靠性和安全性影响很大[2]。另外，弹性金属塑料瓦的使用至今已有30年，根据标准规定，首批塑料瓦基本已到使用年限，在弹性金属塑料瓦的使用过程中，尽管各弹性金属塑料瓦的使用厂商均积累了丰富的产品的使用、运行经验，但如何对弹性金属塑料瓦进行检修却了解不多。因此，熟悉弹性金属塑料瓦产品的性能特点及检修方法方能在后续的生产活动中使用该产品更好地为安全生产服务。

1 弹性金属塑料瓦的结构特点及优点

1.1 弹性金属塑料瓦的结构、特点及其机械性能

如图1所示，弹性金属塑料瓦由改性聚四氟乙烯层（厚度2.5~3.5mm）、青铜丝缠绕的弹性层及钢基层组成。改性聚四氟乙烯层与青铜丝层之间通过高温高压复合而成，青铜丝层与钢基之间通过钎焊连接，三者之间结合牢固，各结合面之间结合质量符合国家标准要求；弹性金属塑料瓦的青铜丝垫层，它不仅具有弹性，它还是钎焊层与塑料层的中间连接桥梁。

1.2 弹性金属塑料瓦改性聚四氟乙烯层的性能

弹性金属塑料瓦的性能参数见表1-3。

表1 弹性金属塑料瓦塑料层应力与变形的关系

表2 弹性金属塑料瓦塑料层应力热传感性能

表3 弹性金属塑料瓦的摩擦性能

1.3 弹性金属塑料瓦与巴氏合金瓦对比的几大优点

众所周知，弹性金属塑料瓦除具有自润滑性能好，摩擦系数小，承载能力大，可降低机组停机制动转速并惰性停机，可去除轴瓦水内冷结构及高油压顶起装置，可免去巴氏合金瓦刮瓦、研瓦等繁琐的检修工序，安装方便等优点之外，还有如下优点：

（1）优良的摩擦性能。正常情况下，弹性金属塑料瓦是在液体的条件下工作的，工作时形成的液体动压润滑油膜将瓦面与镜板（或轴颈）完全分开，使轴瓦处于良好的工作状态。但是，当机组在启动、停止或其他意外情况下，液体润滑油膜不能形成或受到破坏时，轴瓦将处于边界摩擦状态（或干摩擦状态），这时传统的巴氏合金材料轴瓦很可能会出现磨损、粘着，甚至发生烧瓦现象；而弹性金属塑料瓦的表面摩擦层是改性聚四氟乙烯，对油的附着力特别强，从而使摩擦磨损条件得到改善，在上述情况下，不但可使机组处于正常的运行状态，而且还有着相当长的使用寿命。

（2）导热系数小。在机组运行时，由于机械变形和轴瓦的热变形使油膜变薄，甚至破坏，造成烧瓦事故的发生。弹性金属塑料瓦的表面摩擦幅是聚四氟乙烯（厚度一般为2.5~3mm），导热系数很小（巴氏合金瓦的1/130），起到一定的隔热作用。镜板与瓦之间摩擦产生的大量热量都通过油膜润滑油向外传递，减少了通过塑料层传递给塑料瓦钢基支撑装置的热量，从而使轴瓦钢基部分的温度梯度远小于巴氏合金瓦，由于温度不一致而引起的轴瓦变形对运行油膜的不利影响更小，更有利于轴瓦的安全稳定运行。

（3）良好的绝缘性能。由于轴电流的存在，在轴颈（或镜板）与轴瓦之间便产生了小电弧的侵蚀，巴氏合金轴瓦的合金会被逐渐粘吸到轴颈（或镜板）上去，使轴颈（或镜板）的良好工作面遭到破坏，引起轴瓦个别点（区域）过热，甚至烧瓦。此外，由于轴电流的长期电解作用也会使润滑油变质、发黑，降低润滑油的性能，造成油温升高。而弹性金属塑料瓦的表面层是聚四氟乙烯，具有良好的绝缘性能，可避免在轴瓦与轴颈（或镜板）之间轴电流的侵蚀。

（4）独特的“自调”性能。从表1可以看出，弹性金属塑料瓦是一个弹性体，因此它具有重要特性——自调性。这一独特性能，可确保轴瓦受力均匀，使其运行更加可靠。而由于巴氏合金瓦弹性模量远远大于塑料瓦，受压及温度梯度变化而产生变形时自调查性能差，当出现干摩擦或半干摩擦状态，或出现不利于轴瓦安全运行条件时，就会出现由于巴氏合金瓦局部温升过快而造成巴氏合金面局部凸起，并由此带动轴瓦沿圆周方向上的温度过高并造成烧瓦事故的发生。

2 弹性金属塑料瓦运行中过程中的一些问题

2.1 弹性金属塑料瓦的烧损问题

弹性金属塑料瓦的使用，解决了原巴氏全金瓦摩擦系数大、自润滑性能差等性能瓶颈，在水轮发电行业，大中型水泵机组及球磨机、大型齿轮变速箱等得到了广泛应用，但弹性金属塑料瓦由于塑料面的热传导系数小，测温元件无法真实反映轴瓦的实际运行温度等问题也给弹性金属塑料瓦的使用带来不利影响。在弹性金属塑料瓦的使用过程中虽然轴瓦烧损事故发生率极低，但其一旦发生事故，其影响比巴氏合金额瓦还大，葛洲坝电厂、富春江电厂、乌溪江电厂就曾发生过由于润滑少油造成的烧瓦事故，并且造成了推力镜板的局部损伤，如图2所示。

2.2 弹性金属塑料瓦的瓦面碳化问题

在机组起、停机过程中，由于推力瓦表面油膜未能完全建立，弹性金属塑料瓦表面与镜板之间处于干摩擦或半干摩擦状态，虽然塑料瓦的摩擦系数小，但在机组高速运行时推力瓦表面在摩擦力作用下温度迅速提高，造成塑料表面发生碳化，如图3所示。塑料瓦表面的碳化严重时会使轴瓦表面油膜无法建立并伴随有轴瓦运行温度的持续上升且无法稳定。如发生上述情况应及时停机检查弹性金属塑料瓦的情况，避免烧瓦事故的发生。

2.3 弹性金属塑料瓦的脱空问题

由于弹性金属塑料是通过锡铅合金与钢坯钎焊制成一体的，塑料瓦的钎焊质量参差不齐。弹性金属塑料瓦在运行过程中由于负荷变化及热油对弹性金属塑料瓦表面的冲击，以及塑料具有一定的热缩性能，会使塑料瓦周边发生局部脱空，翘起（抽瓦检查可发现瓦周边会有一些裂纹，用小木榔头敲击会有一定的发空声音）等现象。在弹性金属塑料瓦产品上，生产厂家都会在塑料瓦表面设计、制作一些有利于轴瓦润滑油膜的建立和轴瓦安全运行的形线，该问题如发生在进油边侧且高出轴瓦基本面时会影响轴瓦的正常进油，影响塑料瓦的安全可靠运行，应在检修时进行修复或更换新轴瓦。

2.4 弹性金属塑料瓦面型线的磨损问题

在弹性金属塑料瓦设计制造成过程中都会在弹性金属塑料瓦表面设计制作一些径向形线，该形线有利于弹性金属塑料瓦运行过程中油膜的建立与油膜压力的保持。而在弹性金属塑料瓦使用过程中，由于弹性金属塑料瓦面相对较软，经过一段时间运行后，弹性金属塑料瓦面与镜板之间会有一个磨合过程，并且每次机组大修后，由于塑料瓦与镜板之间相对位置的改变会有一个重新磨合的过程，造成塑料瓦表面的形线的磨损甚至消失，使轴瓦运行情况工况达不到原瓦设计要求，并造成轴瓦运行温度的升高。广东青溪电厂水轮发电机推力瓦就由于瓦的形线磨损造成瓦运行温度升高问题，某厂也发现每次机组大修后，塑料瓦温度均较检修前升高2℃左右，后经重新返厂进行修复后，塑料瓦运行温度达到设计要求。

2.5 弹性金属塑料瓦的油混水运行问题

水轮发电机组及其他机组的轴承，承载着运行机组的径向力与轴向推力，虽然机组运行时，轴承处于液动运行状态，且轴与轴承支撑摩擦副之间有油膜存在，摩擦系数也很小（0.005），但同样也会产生大量的热量，所以一般都装冷却装置以带走机组运行产生大热量，确保机组的安全可靠运行。然而冷却装置的渗漏等问题影响轴承的安全可靠运行。弹性金属塑料瓦由于其特殊的自润滑性决定了其可适应油水混合的运行工况；广西拉浪电厂水导油轴承在采用巴氏合金瓦时由于下游水位上升以及轴承冷却系统渗漏问题，油水混合运行工况时有发生且发生多次发生烧瓦事故。在更新为弹性金属塑料瓦之后进行了油水混合试验，试验情况如表4所示。

表4 弹性塑料瓦油水混合试验数据

从试验数据来看，机组在使用弹性金属塑料之后，在油水混合状态下机组满负荷运行时轴瓦温度上升仅为2.2℃，油槽内油温上升4.8℃，试验表明弹性金属塑料瓦在油混水情况下是可以满负荷运行一定时间的，但油水混合毕竟是非正常运行工况，存在一定的安全隐患，在短时间内可以满足机组运行要求，也给机组缺陷及事故处理赢得了宝贵的时间。

3 弹性金属塑料瓦的检查与检修

弹性金属塑料瓦检修时应在所有安全措施、技术措施到位，推力瓦的固定装置、限位装置等均已撤除，确保轴瓦拆装过程无卡顿的情况下方可进行。

3.1 检查塑料瓦表面的平面度的及检查塑料瓦的进出油边的磨损情况

检查塑料瓦两侧进出油边的磨损情况，可根据周向轴瓦研磨情况检查进出油边的磨损情况。

3.2 抽瓦检查塑料瓦的整体磨损情况并做好记录

瓦面磨损情况检查时应参照塑料瓦生产厂家出厂前在塑料瓦表面做的磨损标记。每套瓦出厂前塑料瓦生产厂家一般都会在加工成型的弹性金属塑料瓦表面加工磨损标记（面积小于200cm2的瓦一般不做标记），该标记由四个同心圆组成（如图4所示），可根据轴瓦表面磨损标记的情况判断轴瓦的磨损情况；另外用相应的外径千分尺测量轴瓦各测点的厚度情况并做好测量记录（根据瓦面的大小可适当增加测点的数量）。由于塑料瓦在运行后会形成一个进油边高于出油边的一个斜面，所以测量前应在塑料瓦表面用圆规等工具做好测点标记，以确保每一次测量数值在一个可比性。

3.3 检查塑料瓦表面及镜板表面的粗糙度和平面度

检查塑料瓦的平面度镜板的粗糙度、波浪度是影响塑料瓦使用寿命的重要因素。按设计规范要求镜板的粗糙度达到Ra≤0.64、波浪度≤0.05时，镜板才不会引起塑料瓦的磨损。当波浪度大于0.1 mm时，必然发生瓦面的磨损（有可能将0.1mm深的观察圆磨掉）；当镜板的波浪度大于0.15 mm，不仅瓦表面磨损明显，而且严重地影响使用寿命。所以塑料瓦安装前，必须对镜板粗糙度、波浪度进行检查，尤其是烧过轴瓦的机组，不仅要对镜板进行检查，而且要进行研磨抛光处理。

3.4 根据轴瓦各检查数据确定轴瓦的检修方案

（1）很多资料显示“弹性金属塑料瓦表面严禁进行修刮与研磨”的说法有失偏颇。检修方案的制定应根据弹性金属塑料瓦的磨损确定；一般而言，弹性金属塑料瓦新瓦制作完成后，都会在塑料瓦表面加工一些方便轴瓦润滑及建立油膜用的形线（进出油边），随着塑料瓦的运行时间的延长及轴瓦磨损的加剧，塑料瓦表面原设计、加工的形线会逐步磨损消失，并且每一次检修后瓦的运行温度都会较前有所上升，所以当轴瓦表面型线磨损量达到50%~70%时，就应当向轴瓦生产厂家申请重新进行修磨处理，以确保轴瓦在最佳设计状态下运行。另外轴瓦检修时，为确保轴瓦油膜更好地建立，减少轴瓦因长时间停机轴瓦表面油膜消失等不利轴瓦安全运行问题，可在轴瓦表面进行刮花处理。新安江电厂在轴瓦表面刮花处理上做了较深刻的研究并取得了显著成效，轴瓦经刮花处理后，实践证明，比检修前轴瓦温度降低了4℃，加上轴瓦每次检修轴瓦可能的温度升高情况，经刮花处理的轴瓦实际降低温度应为6℃左右，从轴瓦运行瓦温变化情况看，轴瓦的刮花处理，有效地改增加了油膜的运行厚度，改善了轴瓦表面的运行工况。不过塑料瓦进行刮花处理时，花形深度以0.02 mm为宜，花形不宜过大过密，以确保瓦表面有足够的静压承载面积。经修刮处理后的塑料瓦表面回装前应用镀金相砂纸轻砂并用平尺他细检查修刮点，确保无凸起后，再用软棉布、酒精等清洗后方可进行塑料瓦的回装。

（2）塑料瓦脱空情况的处理。塑料瓦脱空现象比较常见，多发生于塑料瓦天面的四周，塑料瓦表面四周发生脱空现象的，应仔细检查脱空面的长度与深度（向塑料瓦内部延伸的情况），如四周脱面积不大，向内延伸不多时，可对瓦脱空部位用细锉进行修磨并用金相砂进行修光，确保脱空表面低于塑料瓦面，如发生大面积脱空的应请塑料与厂家对轴瓦脱空情况进行会诊，必要时更换新塑料瓦。

（3）轴瓦表面刮痕与凹坑的处理。在检修过程中常会发生塑料瓦表面与其他硬物相碰等情况，造成塑料瓦表面出现刮痕、凹陷及硬物嵌入等情况。发现塑料瓦表面在刮痕或凹陷情况或有硬物嵌于表面的，应取出嵌入物并检查刮痕深度，未对塑料层形成穿透伤害的，应仔细修磨凹陷周边，并用平尺检查不得有隆起，可继续使用，如凹陷面较大且有贯穿伤的应联系生产厂家制定相应的处理措施。

（4）表面有碳化情况的处理。塑料瓦表面有碳化现象时，碳化部位处理应用细砂纸轻砂碳化表面，待碳化表面全部清理后用金相砂对处理表面进行抛光处理，检查表面应无隆起情况；并检查处理后表面的平面度。如碳化面积大于瓦面面积的20%（如设计比压大于4 MP时应不大于10%）及碳化深度大于0.10 mm时应报废或请生产厂家进行相应处理。

（5）瓦面形线磨损的处理。瓦面形线的磨损会使弹性金属塑料瓦的设计偏心距发生改变，根据研究表明通过对瓦面形线设计可有效调查整瓦面的支撑偏心距，从而起到降低轴瓦运行温度，提高机组运行的安全可靠性。在实际检修过程中如发现瓦面磨损严重，两侧进出油边基本消失的情况，有条件的可申请制造厂家对瓦面及进出油边形线进行重新修磨；无条件的可根据塑料瓦的设计图纸用细砂纸包在平板锉上进行修磨，修磨时应尽可能确保修磨角度一致以确保所有运行各瓦块有一致的偏心度与进油楔角。

（6）瓦面有下列缺陷的，处理后可继续运行。①瓦面有个别点铜丝裸露的，检查该点的接地情况，如接地电阻良好，可用划针轻轻挑出，然后用圆头工具轻敲，使该点稍有凹陷，修磨该位置使其周边无凸起，②如该点绝缘电阻不合格的，可用平头或圆头工具将其轻轻敲入，且低于工作面1 mm以上。

4 结语

弹性金属塑料瓦在水轮发电机组及其他产品上是传递轴向力与径向力的极其重要部件，由于弹性金属塑料瓦具有比巴氏合金瓦无可比拟的优越性，越来越被广大用户所接受，在弹性金属塑料瓦推广应用的同时，应对弹性金属塑料瓦的性能及其特点进行深入的研究，使其更好地服务于安全生产活动。

本文主要介绍了弹性金属塑料瓦的结构特性，并以实例说明了弹性金属塑料瓦在运行过程中可能会出现的5种问题，包括烧损、瓦面碳化、脱空、瓦面型线磨损、油混水运行等。

基于上述问题，本文第三部分中依据新安江电厂弹性金属塑料瓦的运行和检修经验，参考多个水电厂的运行情况，具体说明了检修方法和检修流程，基本能够涵盖上述运行中可能发生的问题，旨在为今后的弹性金属塑料瓦的检修提供技术和流程支持。在使用、检修和检查的过程中，弹性金属塑料瓦都应按照国家标准进行，检修、处理后的各项技术指标应满足国家标准要求以确保机组的安全稳定运行。