浅论弹性金属塑料瓦在水轮发电机的运用

[摘要] 水力发电在国家能源战略中逐渐地得到重视，为使新技术新材料在水力发电中得到更好的运用，特介绍弹性金属塑料瓦的结构性能，优缺点，及其在水轮发电机组中运用要注意的事项。

我国从90年代初开始引进弹性金属塑料瓦，到目前为止，其在许多水轮发电机组中得到了广泛应用。

弹性金属塑料瓦由瓦基、弹性层、氟塑层三部分组成。复合层（由弹性层、氟塑层组成），是在弹性模量较高而又稳定的弹性层表面覆盖一层较薄的聚四氟乙烯组成的（表面的聚四氟乙烯的厚度一般为2mm~2.5mm），这主要是根据液体的原理，推力瓦面上各点承受的压力是不相同的，中间压力大，四周压力小，而塑料的弹性模量很低，在压力的作用下容易变形，如果太厚，会使得瓦面在油膜压力的作用下出现不平，这样不利于油膜的形成。弹性层的作用是提高瓦面的弹性模量，克服因聚四氟乙烯弹性模量太低带来的影响，从而达到减小变形的目的。由于聚四氟乙烯无法与瓦胚联结，需要弹性层作为中间层来过渡，通过焊锡采用钎焊的方式与瓦胚连接为一体，这种弹性层是用青铜丝通过一定的工艺压制而成的。

弹性金属塑料瓦的优点：

一是耐高温。钨金瓦的运行温度一般限制在70℃左右，其允许油膜温度为85℃～90℃；氟塑料瓦由于可导热性差，其运行温度一般比钨金瓦低20℃左右，但其允许油膜温度可达100℃～110℃

二是瓦的变形小。氟塑料瓦在塑料层下面压铸有一层青铜丝弹性层，具有一定的弹性，受压时能自动改善瓦面的压力分布，自调节性能好，使其机械变形减小，对轴瓦弯曲补偿能力比巴氏合金瓦相对要大。同时由于聚四氟乙烯塑料层导热性差，瓦面热量不易传给瓦体，减小了瓦体的热变形。

三是承载能力强。氟塑料瓦的平均单位压力一般可用到6.5MPa～7.0MPa，最大可达11MPa,而钨金瓦的平均单位压力一般为4 MPa～6MPa。

四是有减振特性，可降低转动部分到固定部分的振动。

五是检修维护方便，无需刮瓦，其绝缘性远远优于巴氏合金瓦。

弹性金属塑料瓦的缺点 ：

一是硬度和弹性模量很低，其硬度仅为巴氏合金的 1/7，弹性模量仅为巴氏合金的1/160，这表明其抗磨性差且较为容易变形。

二是氟塑料层与钢坯开裂。氟塑料层与钢坯的焊接采用特殊工艺，如果制造厂家焊接工艺不好，容易造成氟塑料层与钢坯开裂的现象。

三是烧瓦后难以修复，且祸及镜板，污染油质。烧瓦基本上是一整套瓦受损害。

弹性金属塑料瓦应用认识误区：

1、塑料瓦运行时的瓦温

一些资料在介绍氟塑料瓦时，都把机组满负荷运行时的瓦体温度高低作为主要指标，认为瓦温低，瓦的质量就好。笔者认为同一台机组，钨金瓦更换成氟塑料瓦，瓦温是高是低，很难以一个简单数值来说明。主要原因是，瓦温测量点位置在瓦更换后变化不大，但两种瓦的特性发生了根本性的变化，测量反映的数值仅仅是两种类型瓦的瓦体温度，氟塑料瓦瓦体温度可能要低于钨金瓦瓦体温度，而真实的瓦面运行温度，氟塑料甚至要高于钨金瓦瓦面的运行温度。这主要是由于测温元件距离瓦面有一定的距离，温度计的读数与实际温度有一个差值，这个差值与材料的导热系数有关，聚四氟乙烯的导热系数比巴氏合金的导热系数要低的多。因此，用“瓦温”来判别其质量优劣既不科学，也无实际意义。瓦温只是监控机组运行的重要参数。经验表明，在注重瓦温的同时，不能忽视油温，要将油温监测纳为重点，所以监测油温也是保证安全运行的重要手段。

2、氟塑料瓦的摩擦系数

巴氏合金瓦与金属的干摩擦系数一般控制在0.15～0.20。聚四氟乙烯与金属干摩擦系数为0.05 ～0.10。推力轴承不可能在干摩擦工况下运行，正常运行工况属流体动力。传统轴承理论认为：流体动力工况由于两摩擦表面不直接接触，表面相互滑动时只在流体分子间发生摩擦，因而流体动力的摩擦性质完全取决于流体粘性(温度、粘度等)，与摩擦表面的材质无关。对于正常运行的推力轴承来说，使用合金瓦还是使用氟塑料瓦并没有太大的差别，所以氟塑料瓦的低摩擦系数并没有太大的优越性。

3、断水运行

对于钨金瓦运行，推力油冷器是不允许断水的。而氟塑料瓦能够耐较高温度，因此，一些资料介绍，氟塑料瓦能够较长时间断水运行1 小时至数小时不等。机组正常运行推力油冷器能否短时间断水运行是由许多因素决定的。 推力油冷器的作用是通过冷却器吸热来平衡摩损产生的热量建立一个动态平衡，使瓦温稳定在一个能维持机组正常运行的区域。断水运行时使动态平衡在较高的量值上，即摩擦损耗生热与推力外壁散热建立一个动态平衡，这种动态平衡的维持与机组的结构，推力负荷的大小，推力支撑方式等都有密切的关系。有些电站屡次发生氟塑料瓦烧损事故，有很大部分原因是冷却器断水后造成的。氟塑料瓦能断水运行，极易误导人们放松对推力系统的监视，导致恶性事故发生。

4、高压油顶起装置

高压油顶起装置是为了使机组在开停机过程中能保持较好的而设置的，如果塑料推力瓦能设置高压油顶起装置则只有好处没有坏处，但塑料推力瓦表面的塑料层不足2mm，下面的弹性层又封不住油，所以塑料推力瓦无法设置高压油顶起装置，而并不是塑料瓦可以取消高压油顶起装置。

弹性金属塑料瓦运行中应注意的问题：

1、报警与事故停机温度整定。

由于氟塑料瓦导热性差，其导热系数约为巴氏合金的1/130，所以瓦表面与瓦体温度差较大，而且反应速度慢，有时要迟20 min～30min。所以报警温度与事故停机温度必须进行相应调整。国家电力公司提出：在正常(最高)稳定的瓦温基础上增加4℃～6℃为报警温度，再增加2℃～3℃为停机温度是切实可行的。运行中，监控氟塑料瓦温是确认机组是否正常运行的主要手段，应主要监视瓦温的变化幅度，要掌握机组在一年内瓦温的变化规律来控制瓦温，以保证机组的安全运行。

2、机组加闸转速。

机组在低转速下运行会导致瓦磨损加剧，笔者查阅相关运行经验资料，大部分机组的制动转速为额定转速的15%～25%，很少有10%的。国内有些厂商片面宣传氟塑料瓦的优点，提出允许在额定转速10%以下进行制动，甚至允许惰性停机。笔者认为从安全考虑，加闸转速降低到额定转速的20%左右为好，对于惰性停机在一般情况下最好也不要采用。

3、关于顶转子。

频繁顶转子和顶转子时间长对机组没有益处，高压憋劲时间越长，高压油泵、油管路、风闸密封等损害的机会越多。对氟塑料瓦，镜板脱离瓦的时间长短不同，但效果一样。顶转子的高度也需要限制，只要保证镜板与瓦脱离即可。根据运行经验和查阅运行有关文献，建议停机20天后起动机组顶转子较为适宜。

4、制造质量。

目前弹性金属氟塑料瓦市场较混乱，一套瓦至少要3年时间的正常运行考验，如果瓦面四周与钢坯不开裂，瓦面不开裂，应该说瓦的质量对安全运行是不会有问题的。如果质量不好，瓦面四周与钢坯开裂脱焊，破坏瓦的整体性，导致瓦磨损加剧，势必影响机组运行，因此在新瓦验收以及每次检修抽瓦检查时，应重点检查瓦面于基体的焊接质量。

5、弹性金属塑料瓦的检修。

弹性金属塑料瓦和巴氏合金瓦的检修工艺是有显著区别的，而在各种关于弹性金属塑料瓦的介绍中，对于其检修工艺也是泛泛而谈，因此笔者根据本电站在弹性金属塑料瓦检修中采用的一些方法以及结合有关的资料，详细地对其检修工艺作予以叙述。

（1）弹性金属塑料瓦检修过程中的注意事项 ：

弹性金属塑料瓦表面严禁修刮和研磨；检修前应将其清扫干净，检修完毕回装前，必须在瓦面涂上干净的透平油；在拆装过程中防止划伤及碰撞。

（2）弹性金属塑料推力瓦检修工艺 ：

1）弹性金属塑料推力瓦检修前应具备的条件是推力油槽内油已排完、推力冷却器已拆除；水轮发电机转动部分重量已转移到风闸上；推力瓦测温元件已拆除。

2）拆除推力瓦挡块，紧上专用吊环，将推力瓦拉出，放在专用的瓦架上,用绸布及无水乙醇将瓦面清扫干净。

3）弹性金属塑料推力瓦瓦面检查：瓦面光滑（瓦表面粗糙度为Ral.6）、无裂纹，塑料层内无夹渣、分层以及明显的气孔，瓦面进油边完好；复合层与钢制瓦胚结合应密实、牢固，局部空洞、脱壳和结合不良缺陷不应超过相关的规定；复合层与瓦胚的四周无脱壳和缺损，瓦面周边均匀整齐。

4）瓦面划痕检查: 测量并记录瓦面划痕的深度、长度以及分布情况。深度0.20 mm长度不超过50 mm的表面划痕每块轴瓦上不超过1条；连续的水平划痕深度不超过0.05 mm，边缘部分长度不超过20 mm；相邻水平划痕之间距离不小于3.5 mm，总面积不超过轴瓦面积15％。

5）瓦面以下缺陷处理后，可继续运行：瓦面个别铜丝，用平头和圆头工具能将其轻轻敲入，且低于工作面1 mm以下的；个别硬物嵌于表面，取出后并未穿透氟塑料层，且直径小于2 mm的。

6）瓦面磨损检查:瓦面刻有试验圈的推力瓦磨损检查：检查其瓦面上的试验圈的磨损状况（在瓦面出油边沿径向均匀刻有3组同心圆，每组同心圆由四个同心圆组成，每个圆所刻的深度相差0.05mm即最外圈深0.05mm，最内圈0.20mm），并做好记录；瓦面无试验圈推力瓦的磨损检查：用深度尺沿瓦面四周测量瓦面到基体的高度（瓦面四周每边各测两点），与设计高度相比并做好记录；瓦面磨损量初期运行3000h的磨损量应不超过0.10mm，以后每5年不超过0.10mm。

7）瓦与托瓦接触面检查及处理（主要针对新瓦更换）:在未加荷载时，接触面的间隙以0.03 mm塞尺检查通不过为准，不允许接触面有不平的现象；加转动部分重量后，接触面以0.02 mm塞尺检查通不过为准:如检查结果达不到上述标准应研磨接触面，研磨完毕后接触点至少应达到1点／cm2。

8）检查完毕后，用绸布及无水乙醇将瓦面以及瓦与瓦托接触面清扫干净，并将瓦面抹上干净的透平油，将瓦装回并装好挡块。

结束语

弹性金属塑料瓦的应用利多弊少，提高了机组运行的可靠性，缩短了检修工期，减轻了检修强度，但对它的性能特点要不断总结了解、深入研究提高，只有认识到位了，产品质量、性能提高了，其才能更好地为电力生产服务。以上只是笔者对弹性金属塑料瓦在水轮发电机应用中的一些浅陋认识，希望能与同仁相互交流。

作者简介：

管庆勇（1976- ）男，浙江江山人，大专学历，职称：助理工程师；现就职于浙江省江山市峡口水电站。