文山里泵站水泵电机推力瓦烧瓦原因分析及处理措施

曹贤乘

(福建省水利水电工程局有限公司，福建 泉州 362000)

1 概述

文山里泵站是福州市内河目前建成投用最大引水泵站，位于福州至甘蔗公路左侧的文山里闽江岸边，泵站由进水口、主厂房、副厂房、上水池等建筑物构成，1998年1期工程4台装机容量5 000 kW投入运行，2002年2期工程2台装机容量2 500 kW投入运行，每台容量为 1 250 kW，共6台，总装机容量为7 500 kW，日引水量为270万m3，引水可以辐射到18条内河。为进一步改善中心城区内河水质，创造优美内河景观发挥着重要的作用[1]。为保证设备正常运行，机组需要进行及时检修。运行时发现3#机组推力瓦和上导轴瓦有时运行测温明显偏高，对称轴瓦测温点温度相差较大，运行一段时间后温度明显回落，建议进行检修。拆卸机组后发现部分推力瓦烧瓦现象，推力瓦重新研刮处理并进行安装后，试运行0.5 h左右出现推力瓦温度过高而被迫停机。本文对文山里泵站电机推升瓦烧瓦原因进行研究分析，可为类似工程提供借鉴。。

2 文山里泵站组成、作用

文山里泵站主要有进水口、主、副厂房、上水池等建筑物(如图1所示)。

图1 文山里泵站组成结构示意

进水口：主要作用是衔接闽江水源与泵房，改善流态，减少水力损失，为主泵创造良好引水条件。进水口主要设备有拦污栅、检修闸门和电动葫芦等。

主、副厂房：是泵站的主体工程，其主要作用是为水泵机组和运行人员提供良好的工作条件。主要有水泵、电机、行车、技术供水、通风、消防、高低压柜、变压器和控制设备等。

上水池：是压力管道和引水渠衔接建筑物，起消能稳流作用，为循环冷却水提供冷却条件。主要有引水渠拦污栅、循环冷却器、出口钢管等。

3 推力轴承的组成

悬式电机的推力轴承结构，同上导轴承一起安装在上机架内(如图2所示)，主要由转动和固定两部分组成。主轴与推力头是采用过盈配合，利用热胀冷缩的原理将推力头套在主轴上，从而保证联接紧密和同心。并通过键、卡环和过盈联接使推力头与主轴成为一体(键用来传递扭矩，卡环传递轴向力)，再加上镜板组成转动体。推力头的外圆柱面与上导轴瓦组成上导轴承。推力头、镜板和推力瓦组成推力轴承[2]。

1—上机架；2—冷却器；3—气窗；4—导轴承装配；5—密封盖；6—卡环；7—推力头；8—隔油板；9—镜板；10—挡油管；11—主轴；12—轴承座；13—抗重螺栓；14—托盘；15—推力瓦；16—绝缘垫

4 文山里泵站3#电机推力瓦(轴瓦)运行情况

4.1 检修前运行记录数据的采集确认

查询3#机同一时间运行记录1：2个对称上导轴瓦的最高温度分别为49.8℃和58.2℃，2个对称的推力瓦的最高温度分别为45.8℃和50.4℃。同一时间运行记录2：2个对称上导轴瓦的最高温度分别为48.8℃和51.2℃，2个对称的推力瓦的最高温度分别为45.6℃和48.2℃。检修分析可能存在PT100温度传感器故障，导致测量电阻误差或接线虚接情况，为确定显示检测误差的可能，检修时进行接线检查和测量测温元件电阻值换算与实际显示温度值对比验证，实际验证结果情况基本不存在测量误差。所以运行记录数据真实可靠。

4.2 汛期低水位运行情况

在汛期，特别是在低潮水位时，机组运行震动加大，运行电流升高，瓦温也越来越高。检查机组技术供水正常，研阅原检修盘车数据，均符合规范要求。检查在外江进水口处出现灌木、树叶、杂物、编织袋等堵塞在拦污栅前，拦污栅内外水位差为1～2 m，进水口液面波动较大，水面出现较多气泡。及时停机并清理拦污栅前灌木、树叶、杂物、编织袋等。

4.3 机组检修拆卸检查情况

电机拆卸时发现推力油盆油质较浑浊并有巴适合金瓦屑[3]，有2～3块推力瓦出现烧瓦现象，瓦背铜垫片出现不同程度的凹痕或断裂。

4.4 检修后的试运行情况

推力瓦研刮、更换铜垫及汽轮机油，试运行0.5 h左右推力瓦温度迅速升高60℃，立即手动紧急停机，停机过程温度还继续升高现象。查验安装记录的盘车数据、瓦间隙等均符合要求。拆卸机组后发现瓦背铜垫片出现不同程度的凹痕，仔细观察发现推力瓦背也有不同程度的凹痕。

5 推力瓦烧瓦原因分析

5.1 推力瓦研刮质量的影响

推力瓦是承受水泵机组转动部分的全部荷载及水推力，所以对推力瓦的研刮也是至关重要。因水泵机组的推力瓦烧瓦，必须进行推力瓦重新研刮，且保证精度达到规范要求。为了更好形成油膜，保证推力运行时油膜不受破坏，研刮的推力瓦单位面积必须形成一个平整的接触面，可按一定数量的接触点判断，接触点是指推力瓦与镜板经过研磨后产生的接触金属亮点，要求达到每平方里面有1～3个/cm2接触点，并且接触点位置均匀[4]。

为了能使接触面创造良好的油膜形成润滑条件，推力瓦研刮后进行挑花，使水泵运行时，推力瓦与镜板之间能存有少量的油。挑花的深浅和分布直接对油膜的存在有着直接的影响，所以挑花必须清晰可见，排列规则整齐、大小和分布均匀一致。

为了机组运行时推力瓦更好的进油，保证充足的油量到推力瓦，将推力瓦的进油边刮成斜面，有利于油膜形成[5]。斜面与接触面必须圆滑过度，不能出现台阶。进油宽度按15 mm深度0.5 mm刮销。为了避免推力瓦出油边刮瓦时留下毛刺，推力瓦的出油边宽度按10 mm深度0.5 mm刮销(如图3)。

图3 推力瓦进出油边研刮示意(单位：mm)

推力瓦通过抗重螺栓支撑传递荷载，所以在机组运行时，其主要受力点集中在支撑点周围，运行的温度也会最高，促使支撑的抗重螺栓中心点附近的瓦会因升温发生形变，增大突起，瓦面的变形会使局部瓦的受力增大，不利于油膜形成，容易使瓦面中心位置附近磨损而造成烧瓦现象。推力瓦烧瓦位置基本在受力集中的位置，即支撑螺栓上推力瓦面圆周线附近，因此，为避免这种运行状态对推力瓦产生热变形，推力瓦的支撑螺栓上的瓦面周围应适当刮低0.02 mm左右[6](见图4)。

图4 推力瓦支撑螺栓周围刮低示意

5.2 不利的运行工况对推力瓦的影响

检修前，从运行温度数据判断，由于推力瓦、轴瓦温度偏差较大，可能已出现推力瓦带病运行情况。文山里泵站的水泵扬程为11 m，受外江(闽江)涨落潮水位和上游水池运行水位影响，运行扬程时刻都在发生变化。特别时洪水过后，上游会漂浮灌木、杂物、编织袋等杂物，在机组运行时，受到水流影响，杂物会在泵站进水口被拦污栅遮拦，造成进水口受阻，加大水泵运行水位落差，特别是在低潮水位时，受到外江水位和拦污栅的双重影响，水泵需要的流量更是少之又少，且会带入大量空气，扬程又不断加大，机组产生强烈震动[7]，负荷也是不断加大，机组瓦温也将不断升高，同时也会造成推力瓦铜垫微量变形，对机组安全运行产生不利影响。为避免类似情况发生，利用退潮时停机自动漂流和采用人工及时清理拦污栅前的垃圾杂物方式，特别是在汛期中和汛期后，防止因进水口堵塞而影响机组稳定运行。

5.3 推力瓦抗重螺栓接触面的影响

具有球面圆弧的抗重螺栓通过支撑铜垫承受推力瓦的载荷，且抗重螺栓球面弧形与推力瓦铜垫为刚性点接触。由于铜垫接触应力较大，铜垫片具有弹性形变和塑性形变，且抗重螺栓比推力瓦支撑凹孔直径小，在运行过程中支撑铜垫片的中心附近将产生锥形凹痕(见图5)。当推力瓦支撑凹孔平面上存在凹痕缺陷时，铜垫受力结构将变成面，推力瓦自由活动的空间将受到限制，不同瓦之间受力也不均匀，单块推力瓦受力将越来越大，变形也就越来越大，接触面积也越来越大，当运行小于最小油膜时，推力瓦温度将急剧增加，形成干摩擦，造成烧瓦现象[8]。

图5 支撑铜垫的变形示意

第1次检修安装后，虽然更换了已坏的铜垫片，但是由于安装时未发现推力瓦背在原运行中已发生了微小的凹痕(见图6)，不容易观察发现。在静态安装调整时，由于受力载荷较小，在打受力和盘车中，无法及时发现微小变化。水泵试运行时，推力瓦的受力迅速增加，推力瓦被微小凹痕迅速体现传递给铜垫片，使铜垫片产生了形变，所以安装后试运行又会出现推力瓦烧瓦现象，铜垫并有凹痕的出现。

图6 推力瓦支撑位置变形示意

因为现场已无备用推力瓦，如果定制需要较长时间，根据多年的实践经验和现场实际情况，将推力瓦发回厂家进行推力瓦背车床加工，保证瓦背的平面度，同时铜垫片更换成刚度和强度更好的铬钢片进行安装，保证了机组安装质量，提高了机组的稳定运行。

5.4 不平衡磁拉力对推力瓦的影响

泵站安装与验收技术规范要求：分别检查电机定子与转子上下空气间隙，各间隙与平均间隙之差不应超过±10%。当电机气隙不均匀时，直接表现为低频电磁声、振动等质量问题，严重时出现定子与转子实擦的扫膛质量问题。同时空气间隙偏差会造成气隙磁通密度不均匀，导致产生的磁拉力也不平衡(产生的磁通力以吨计量)，对机组运行产生极大的影响[9]。因文山里泵站电机型号为YLKS1250-16 10 kV的异步电机，名义气隙仅为2.35 mm，所以必须对定转子的空气间隙安装质量严格把关。

检修中，通过测量定子圆度、垂直度及水平发现上下空气间隙存在不同方向的偏差，为改变此种不利状态，对定子底座进行加垫，保证了定子检修后空气间隙的安装质量满足规范要求。

5.5 冷却能力不足对推力瓦的影响

推力轴承摩擦产生的热量是通过润滑油再由冷却器内的冷却水带走。轴瓦温度tz可以用下列公式求得：

(1)

式中：

Az、kz——推力轴承传热面积和传热系数；

An、kn——冷却器传热面积和传热系数；

ρ、C、Qn——冷却水密度、比热、流量；

Wf——摩擦损耗功率；

tsj——冷却水进水温度[10]。

在摩擦损坏功率一定的情况时，冷却器传热面积、传热系数和冷却水的流量过小，或冷却水进水温度过高会造成推力瓦温度过高而烧瓦。

在原设计中，考虑闽江水常年较为清澈，使用闽江水抽到上游高位水池作为冷却水的水源，并考虑存在树叶杂物等，在进水口设置网格式的拦污栅，并且设置全自动滤水器，在滤水器的进出口设置压差传感器，当进出口压力差较大时，打开排污口，滤水器进行反冲洗，可实现滤水器自动清洗，保证技术供水的水质，理论上都可以满足机组冷却效果。

在检修过程中，发现循环冷却器内长满很多的海瓜子，阻碍了冷却器的过流断面，技术供水水平冷却总管、冷却器内沉积着大量的淤泥，增加了水流的阻力，阻碍了冷却水的流量，同时附着在轴承冷却铜管内壁的淤泥，阻碍热量的传递效率，降低了轴承冷却效果，也会使瓦温升高。因闽江是地处于淡水和海水交界位置，受到涨落潮的影响，水质在不断交替混合，为海瓜子的生长提供了良好的生存环境，且福州位于欧亚大陆东南边缘，东临太平洋，是典型的亚热带季风气候，夏季高温多雨，冬季温和湿润，年降水量在900～2 000 mm之间，位于东南沿海夏季易受台风影响，多台风雨。在台风暴雨来临时，上游的水质非常浑浊，含有大量的泥沙，这些不利于冷却器的过滤，常年累月，将沉积在管内，影响冷却效果，导致运行瓦温过高。

为了解决供水技术问题，对供水系统进行了全面改造。采用循环冷却水的供水方式进行改造(如图7)。新建1座循环冷却水池，清澈自来水放入水池作为循环冷却水池的水源，使用循环冷却水泵进行技术供水加压，在上水池加装循环冷却器，保证在运行时能够将带有热量的供水冷却后流回循环冷却水池内，达到供水重复利用冷却的效果[11]。考虑冷却水在使用时的损耗(如蒸发、检修、漏水等影响)，对循环冷却水池加装自动补水的液位浮球阀，保证使用时损耗的水及时自动补充，满足循环冷却水泵机组运行要求的水位。

图7 循环冷却水供水流程示意

5.6 其他情况对推力瓦的影响

推力瓦烧瓦主要是因为不能满足液体润滑条件，造成润滑油模被破坏，从而使推力瓦和镜板产生半干摩擦或干摩擦，还存在以下情况：① 轴电流影响。由于存在轴电压推力轴承的绝缘损坏，引起油膜油膜间产生电流而损坏推力瓦面镜板[12]，推力瓦和镜板有损坏缺陷后对油膜的形成也造成阻碍；② 其他原因，如盘车数据不符合规范，将引起机组震动，也会造成烧瓦；原材料或工艺的缺陷、润滑油的油质情况或油量情况[13]，也同样会造成推力瓦烧瓦。

6 结语

在大型泵站运行和日常维护中，必须及时发现异常运行情况，及时解决出现的问题，保证设备安全运行，防止事故的扩大。严控推力瓦研刮工艺和质量，避免不利的运行工况，保证定转子空气间隙均匀，改善冷却系统，同时设备绝缘、盘车质量也要严格把关，也可采用新材料、新工艺，更好解决推力瓦烧瓦问题。