頂蓋螺栓軸力監(jiān)測裝置在柘林水電廠機(jī)組上的應(yīng)用

劉政LIU Zheng

（國網(wǎng)江西省電力有限公司，九江 332000）

0 引言

水輪機(jī)頂蓋是水輪機(jī)的重要組成部分，主要作用是保護(hù)水輪機(jī)內(nèi)部部件，同時也能夠調(diào)節(jié)水輪機(jī)的出力和水流的流向。頂蓋通常由鑄鐵或鋼板制成，具有較高的強(qiáng)度和耐磨性。但由于長期受到水流沖擊和磨損的影響，頂蓋表面會出現(xiàn)不同程度的磨損和腐蝕，導(dǎo)致水輪機(jī)的運(yùn)行效率下降和安全性降低。

頂蓋通過螺栓與固定導(dǎo)葉上端面固定，其強(qiáng)度以及松緊程度決定著頂蓋是否可以可靠地工作。當(dāng)發(fā)生頂蓋螺栓斷裂導(dǎo)致頂蓋松動時，小則出現(xiàn)頂蓋漏水；大則導(dǎo)致水流過大而水淹廠房。加強(qiáng)頂蓋螺栓的狀態(tài)監(jiān)測對于當(dāng)前水輪機(jī)組而言尤為重要。

柘林水電廠原設(shè)計總裝機(jī)容量180MW（4×45MW），最大出力55.9MW，多年平均發(fā)電量6.3 億kW·h，年利用小時3500h。于2002 年擴(kuò)建完成2×120MW 機(jī)組，本電站最終總裝機(jī)容量為420MW，上述各項發(fā)電指標(biāo)也有相應(yīng)的改變。

1 螺栓軸向力監(jiān)測原理

螺栓是水輪發(fā)電機(jī)組頂蓋上經(jīng)常使用的緊固件，其緊固力度和強(qiáng)度對于機(jī)械設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。所以對于頂蓋螺栓的軸向力進(jìn)行準(zhǔn)確的測量是非常重要的。當(dāng)今超聲波（Ultrasonic）測量技術(shù)是一種非?？煽亢陀行У臏y量方法，可以用于測量螺栓的軸力。

超聲探頭發(fā)射超聲波的原理是利用壓電材料的壓電效應(yīng)。壓電材料在受到外界電場的作用下，會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變。當(dāng)外界電場頻率與材料的固有頻率相等時，壓電材料會產(chǎn)生共振，從而使其產(chǎn)生較大的機(jī)械振動。超聲探頭中的壓電晶體就是利用這個特性，當(dāng)通過晶體施加高頻電壓時，晶體發(fā)生振動，從而產(chǎn)生超聲波。

接收原理：

超聲探頭接收超聲波信號的原理是利用壓電材料的壓電效應(yīng)的逆過程。當(dāng)超聲波通過探頭時，會使探頭中的壓電晶體振動，產(chǎn)生電荷。這些電荷會經(jīng)過放大和濾波等電路處理后，最終轉(zhuǎn)化為可視化的圖像。壓電晶體的振動會導(dǎo)致探頭上的傳感器發(fā)生變化，產(chǎn)生電信號，這個信號就是通過超聲波在人體組織中傳播并反射回來的信號。

超聲波測量原理見圖1。

超聲波測量螺栓軸力的原理是利用超聲波在物質(zhì)中傳播的速度與物質(zhì)的密度和彈性模量有關(guān)的特性。當(dāng)超聲波通過螺栓時，會受到螺栓的彈性變形的影響，從而導(dǎo)致超聲波傳播速度的變化。通過測量超聲波傳播速度的變化，可以計算出螺栓的軸向應(yīng)力。

超聲波傳感器特點(diǎn)及相關(guān)技術(shù)參數(shù)[6]：超聲波外形圖見圖2。

特點(diǎn)：

①支持一路模擬量/二路開關(guān)量輸出；

②適合于所有不透氣的材料；

③無需人工調(diào)整校準(zhǔn)；

④200K 超聲波對射；

⑤0.05m/s 反應(yīng)時間；

⑥檢測范圍6mm，檢測精度0.05mm；

⑦自帶偏移量顯示。

技術(shù)參數(shù)：

跟蹤方式：對邊追蹤；

電源輸入：DC24V；

輸出信號：0～5V/雙路開關(guān)量信號；

檢測范圍：6mm（或者±3mm）；

檢測精度：±0.05mm。

超聲波測量螺栓軸力的實(shí)施方法如下：

步驟1：螺栓端面貼裝超聲傳感器區(qū)域打磨；

步驟2：超聲傳感器貼裝前，找信號最佳點(diǎn)（允許偏心）；

步驟3：超聲傳感器粘接，使用工裝；

注意：貼片式超聲傳感器貼裝時初步固化時間30min左右，完全固化要求8 小時以上，固化過程中切勿觸碰探頭，溫度過低。固化后需要做信號采集預(yù)測試，驗(yàn)證信號靈敏度。

步驟4：膠水固化后信號復(fù)查（便攜式儀器）；

步驟5：加裝防護(hù)罩殼，如圖3 所示。

圖3 安裝圖

①防護(hù)罩密封槽打密封膠后，將防護(hù)罩套在螺帽外，底面膠水貼合底部，周圍均勻三點(diǎn)用少許結(jié)構(gòu)膠固定防止振動脫落。

②磁吸式吸附觸頭用探頭線連接防護(hù)罩接口，將磁吸式吸附觸頭置于超聲傳感器上方并吸附在螺栓T 面，保證磁吸式吸附觸頭的錐形頂針與超聲傳感器中間圓形觸點(diǎn)完全接觸良好后，用儀器測試信號靈敏度，若超聲回波靈敏度足夠，吸附觸頭和螺栓接觸面周邊打上密封防水膠。

③所有測試檢查完成后封裝防護(hù)罩，防護(hù)罩蓋子連接處打上防松膠。

④待玻璃膠固化后（預(yù)計用時3 小時），并且整個機(jī)組所有檢修維護(hù)工作結(jié)束后，將線纜連接到主監(jiān)控柜內(nèi)。

2 螺栓軸向力監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成

螺栓軸向力監(jiān)測系統(tǒng)包括螺栓監(jiān)測數(shù)據(jù)采集單元、螺栓監(jiān)測與診斷系統(tǒng)等。數(shù)據(jù)采集單元通過傳感器采集并分析得到頂蓋-座環(huán)螺栓軸力數(shù)據(jù)，通過光纖通信將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娬緳C(jī)房的數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲，結(jié)合機(jī)組的工況數(shù)據(jù)和狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以進(jìn)一步診斷。采集單元配置1 套超聲波測力儀器、工業(yè)電腦、顯示屏、光電信號轉(zhuǎn)換裝置等。

安裝方式：當(dāng)法蘭系統(tǒng)某顆螺栓斷裂后，附近螺栓的應(yīng)力將會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，因此，從技術(shù)原理和經(jīng)濟(jì)性上考慮，固定部件螺栓沒有必要全部監(jiān)測。系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)備設(shè)計機(jī)理和現(xiàn)場臨時測試，確定最終合理的測點(diǎn)數(shù)量和布置方位。螺栓測力柜安裝在水車室內(nèi)壁或外壁合適位置（如圖4）。

圖4 頂蓋一座環(huán)螺栓測點(diǎn)布置圖

3 螺栓軸向力監(jiān)測診斷系統(tǒng)

智能機(jī)組診斷系統(tǒng)采用云+邊的系統(tǒng)架構(gòu)，云側(cè)私有化、集群化，邊側(cè)邊緣化、單機(jī)化，可以實(shí)現(xiàn)邊緣、機(jī)旁、集群等多模式靈活部署。系統(tǒng)可以提供機(jī)組級診斷系統(tǒng)，作為智慧電站平臺的子系統(tǒng)，向上提供實(shí)時數(shù)據(jù)和診斷結(jié)論。也可以直接將智能診斷系統(tǒng)作為站級平臺，集成其他專業(yè)人員的專業(yè)分析系統(tǒng)。

系統(tǒng)具有較強(qiáng)的擴(kuò)展能力，提供標(biāo)準(zhǔn)的RestfulAPI、Webservice 等接口，支持各種定制通訊協(xié)議和通信模式，可快速集成各類專業(yè)化的智能監(jiān)測診斷產(chǎn)品的分析能力，為現(xiàn)場提供集成化、專業(yè)化的全面機(jī)組診斷和運(yùn)行服務(wù)。

系統(tǒng)基于互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)典體系框架設(shè)計，以“國家信息系統(tǒng)安全等保二級”要求為基準(zhǔn)，設(shè)計和實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的信息安全體系全面解決方案，確保滿足國家電力二次系統(tǒng)安全防護(hù)要求。

診斷系統(tǒng)以狀態(tài)評估和故障診斷模型為核心來構(gòu)建功能布局，這是與其他信息系統(tǒng)的本質(zhì)區(qū)別。

4 可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示

系統(tǒng)提供機(jī)組穩(wěn)定性、溫度概覽等數(shù)據(jù)，以及各功能部套下的關(guān)鍵測點(diǎn)實(shí)時查看功能。每個數(shù)據(jù)查看功能以獨(dú)立頁面形式開發(fā)，便于用戶多監(jiān)視器對關(guān)注部件實(shí)時監(jiān)盤。實(shí)時數(shù)據(jù)展示和查看需要數(shù)據(jù)支撐，具體展示內(nèi)容根據(jù)接入數(shù)據(jù)范圍調(diào)整。

診斷模型覆蓋了水電機(jī)組典型的故障，以APP 形式部署。診斷報告包括故障信息、診斷依據(jù)、故障原因、建議措施、類似案例等。系統(tǒng)支持操作人員進(jìn)行忽略、確認(rèn)、填寫真實(shí)原因和措施等操作，歸檔后形成新的案例庫。操作人員可以定制方案，按需選用模塊以及智能化精細(xì)程度，定制個性化機(jī)組智能診斷系統(tǒng)。（如圖5）。

圖5 故障診斷模塊示意圖

柘林智慧機(jī)組設(shè)置了頂蓋螺栓功能模塊，具體如表1所示。

表1 柘林電廠螺栓軸向力監(jiān)測故障診斷模塊

5 總結(jié)

超聲波測量螺栓軸力的優(yōu)點(diǎn)是非常明顯的。首先，它是一種非接觸式的測量方法，不會對螺栓造成任何損傷。其次，它可以在不拆卸螺栓的情況下進(jìn)行測量，非常方便。最后，它的測量精度非常高，可以達(dá)到很高的精度要求。

建立水輪機(jī)頂蓋螺栓軸力狀態(tài)評估系統(tǒng)能夠有效地防止機(jī)組頂蓋螺栓松動、斷裂等而導(dǎo)致水淹廠房，避免了事故的擴(kuò)大化。實(shí)時在線監(jiān)測系統(tǒng)可將事故防患于未然，極大地保證了柘林水電廠的機(jī)組安全可靠運(yùn)行。