桐柏抽水蓄能電站彈性支撐型推力瓦檢測(cè)方法研究

蔣池劍，何 秋，嚴(yán)天豪，趙 鋒，陳小強(qiáng)

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電責(zé)任有限公司，浙江省臺(tái)州市 317200）

0 引言

桐柏抽水蓄能電站推力瓦為單瓦結(jié)構(gòu)[1]，采用彈性支撐型結(jié)構(gòu)。其彈性支撐由彈性球面支柱及彈性托盤組成（簡(jiǎn)稱支撐部件）。該支撐部件其彈性托盤由Z形夾固定在推力瓦上；彈性球面支柱與彈性托盤接觸面（點(diǎn)）可發(fā)生少量位移；其支撐尺寸無(wú)法調(diào)整（見圖1）[8]。這種結(jié)構(gòu)極為簡(jiǎn)單，安裝方便，但對(duì)推力瓦及支撐部件尺寸及性能一致性要求極高，其設(shè)計(jì)對(duì)材料、熱處理、加工等均有較為特殊要求。要求機(jī)組支撐部件和推力瓦疊加高度差不得高于0.02mm，支撐部件疊加高度差不得高于0.002mm；同時(shí)要求彈性球面支柱、彈性托盤材料同爐精煉和同爐熱處理及相同的鍛造工藝，使其物理力學(xué)性能盡量一致，以確保安全機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 桐柏推力瓦及支撐部件結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structural drawing of Tongbai thrust tile and supporting parts

目前國(guó)內(nèi)使用彈性托盤推力瓦支撐方式的抽水蓄能電站有桐柏、瑯琊山和西藏羊湖三家，常規(guī)電廠十余家，機(jī)組均為奧地利ANDRITZ HYDRO公司進(jìn)口。

1 問(wèn)題提出

桐柏抽水蓄能電站2005年12月第一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)，2006年4月2號(hào)機(jī)組并網(wǎng)。初期運(yùn)行穩(wěn)定，在2015年首次發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組推力瓦溫度升高，其最高溫度達(dá)83℃（報(bào)警溫度），經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)有一件彈性托盤局部機(jī)械疲勞裂紋，少數(shù)組別彈性托盤與彈性球面支柱接觸面出現(xiàn)凹弧面變形，變形量在0.005～0.01mm。初步處理整體更換了一批國(guó)產(chǎn)支撐部件[7]，整機(jī)試驗(yàn)時(shí)推力瓦溫度高而且溫度分布差異較大；經(jīng)分析認(rèn)為，此次更換的支撐部件材料非同爐精煉和同爐熱處理，每組物理力學(xué)性能有差異，彈性變形量差值較大，使不同組別推力瓦受力差異較大，部分瓦溫上升。后整體更換主機(jī)廠ANDRITZ HYDRO公司提供的新支撐部件，經(jīng)個(gè)別組別彈性球面支柱下部加墊調(diào)整后溫度達(dá)設(shè)計(jì)要求。第二年機(jī)組大修時(shí)整體更換經(jīng)工藝改進(jìn)的支撐部件，溫度滿足設(shè)計(jì)要求。

因抽水蓄能電站機(jī)組工況轉(zhuǎn)換頻繁，長(zhǎng)期運(yùn)行推力瓦各組別支撐部件物理力學(xué)性能差異顯現(xiàn)，使得部分瓦溫上升。此種形式的推力瓦結(jié)構(gòu)彈性托盤幾乎承擔(dān)全部彈性變形，其物理力學(xué)性能穩(wěn)定一致是保證機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵[5]，對(duì)彈性托盤性能進(jìn)行靜態(tài)檢查和動(dòng)態(tài)檢測(cè)十分必要。為此需要在定期檢修時(shí)對(duì)支撐部件和推力瓦疊加高度、支撐部件疊加高度、彈性托盤不同負(fù)荷下變形量進(jìn)行檢查，消除安全隱患。桐柏抽水蓄能電站2019年針對(duì)彈性托盤支撐型推力瓦及支撐部件現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)裝置及檢測(cè)方法進(jìn)行了研究，并提出相關(guān)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，以滿足運(yùn)行需求。

2 檢測(cè)平臺(tái)及檢測(cè)方法研究

2.1 支撐部件及推力瓦組合疊加高度與變形量檢測(cè)裝置

為解決現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)問(wèn)題，需研制支撐部件及推力瓦疊加高度與支撐部件不同負(fù)荷下變形量[2]檢測(cè)裝置（以下簡(jiǎn)稱檢測(cè)裝置）。

（1）檢測(cè)裝置要求。

1）可靜態(tài)測(cè)量單塊瓦承受最大受力范圍內(nèi)其彈性托盤彈性變形情況。桐柏公司發(fā)電機(jī)組最大水推力為9730kN，16塊推力瓦支撐，此處設(shè)計(jì)要求選擇65t。

2）可靜態(tài)測(cè)量支撐部件和推力瓦疊加高度[4]。

3）使用應(yīng)變片現(xiàn)場(chǎng)對(duì)彈性托盤變形量和受力關(guān)系進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)率定，為彈性托盤性能在線監(jiān)測(cè)提供判別數(shù)據(jù)。

（2）檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)裝置主要由工作平臺(tái)、中板和液壓裝置、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和測(cè)量元件（傳感器）等組成（見圖2）。其液壓裝置提供和控制液缸壓力；控制顯示系統(tǒng)用于控制保持油壓，讀取和顯示數(shù)據(jù)。工作平臺(tái)在65t壓力下變形量小于0.005mm，中板與工作臺(tái)平行度小于0.02mm。

圖2 支撐部件及推力瓦組合形變及疊加高度檢測(cè)裝置Figure 2 Device for detecting combined deformation and stacking height of support component and thrust shoe

采用大直徑低壓力油缸，配置高精度伺服泵閥組、高精度壓力傳感器（精度為0.05%）和高精度西門子PLC控制單元，確保壓力穩(wěn)定。檢測(cè)裝置在65t工作壓力情況下重復(fù)精度0.01mm，工作壓力小于1MPa情況下重復(fù)精度0.002mm。系統(tǒng)采用精度為0.05%的力傳感器對(duì)工作壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)率定，率定后通過(guò)對(duì)應(yīng)的高精度壓力傳感器數(shù)據(jù)參與系統(tǒng)控制。

在檢測(cè)前，需要通過(guò)高度誤差小于0.001mm等高塊分別率定上部和下部各4個(gè)位移傳感器零位（見圖3）。其中，4個(gè)上部高精度位移傳感器（精度為0.001mm）用于測(cè)量支撐部件和推力瓦疊加高度和彈性托盤變形量；4個(gè)下部傳感器用于復(fù)核上部位移傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量彈性托盤和彈性支柱疊加高度。其疊加高度、力、變形量等數(shù)據(jù)均能實(shí)時(shí)顯示和讀取。

圖3 位移傳感器率定示意圖Figure 3 Schematic diagram of displacement sensor calibration

2.2 彈性托盤現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)方案研究

為實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性托盤的實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證彈性托盤在工作時(shí)始終保持正常工作狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)了一套彈性托盤現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)方案，將貼有電阻應(yīng)變片的彈性托盤率定好相關(guān)參數(shù)并安裝到機(jī)組中，應(yīng)變片輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取和處理實(shí)現(xiàn)對(duì)彈性托盤的彈性變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

具體方案是在彈性托盤凹部粘貼電阻應(yīng)變片（見圖4），由檢測(cè)裝置對(duì)每組彈性托盤加載，利用放大器讀取不同負(fù)載電阻應(yīng)變片應(yīng)變量，完成機(jī)組每個(gè)彈性托盤負(fù)載和變形關(guān)系現(xiàn)場(chǎng)率定，形成負(fù)載與應(yīng)變片輸出電參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)彈性托盤性能在線檢測(cè)。運(yùn)行時(shí)其應(yīng)變量與率定數(shù)據(jù)比較，即可根據(jù)每組彈性托盤負(fù)載情況，比較各組受力、溫度情況，從而對(duì)其安全隱患作出預(yù)判。在線檢測(cè)采用德國(guó)HBM公司的電阻應(yīng)變片、放大器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖4 應(yīng)變片率定彈性托盤受力示意圖Figure 4 Stress diagram of strain gauge calibrated elastic tray

2.3 檢測(cè)結(jié)果分析

2.3.1 不同材料彈性托盤變形量測(cè)試結(jié)果及分析

彈性托盤材料為調(diào)質(zhì)51CrV4，外徑280mm，內(nèi)徑260mm，總厚度40mm，槽深5mm。最大負(fù)荷9730kN加在16個(gè)彈性托盤上，每個(gè)彈性托盤受力608.1kN，均布加載在其邊緣環(huán)面上。設(shè)計(jì)計(jì)算取值彈性模量為2.1GPa，密度為7.8×103kg/m3；材料屈服強(qiáng)度為1180MPa，抗拉強(qiáng)度為1370～1670MPa。按有限元分析及理論計(jì)算，最大變形量發(fā)生在彈性托盤的邊緣，其負(fù)載和最大變形量關(guān)系理論線如圖5所示。

圖5 推力（負(fù)載）與變形關(guān)系理論線Figure 5 Theoretical line of relationship between thrust （load） and deformation

靜態(tài)檢測(cè)其推力瓦和平臺(tái)中板（相當(dāng)于實(shí)際工況中的推力鏡板）為一體（見圖2），避免了實(shí)際運(yùn)行時(shí)推力瓦負(fù)荷變形和熱變形影響，使彈性托盤變形量能被精準(zhǔn)測(cè)量[3，4]；經(jīng)計(jì)算彈性托盤純溫度向下變形量為0.0007mm，可以忽略熱變形量，所以，該靜態(tài)彈性托盤變形量測(cè)量具有非常高的準(zhǔn)確性。位移傳感器顯示的位移量即為彈性托盤的變形量。

選擇6個(gè)組別彈性托盤和彈性球面支柱進(jìn)行測(cè)試，其每個(gè)組別高度差不大于0.002mm。其中組別一和組別二為國(guó)外同爐精煉和同爐熱處理及相同的鍛造工藝材料，組別三和組別四為國(guó)內(nèi)同爐精煉和同爐熱處理及相同的鍛造工藝材料，組別五和組別六為國(guó)產(chǎn)非同爐精煉和同爐熱處理材料（但熱處理工藝一樣）；測(cè)試力為0～60t，按機(jī)組運(yùn)行不同工況受力點(diǎn)位測(cè)試，同一點(diǎn)位要求壓力差小于50kg。每個(gè)組別測(cè)試6次，取平均值進(jìn)行比較。

測(cè)試前先按圖3對(duì)壓力傳感器和位移傳感器分別進(jìn)行率定；測(cè)試時(shí)，保持測(cè)量環(huán)境和測(cè)量溫度在相同條件下，按圖2安裝試件，操作控制系統(tǒng)，通過(guò)液壓裝置對(duì)試件進(jìn)行加載，讀取顯示系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)。靜態(tài)測(cè)試不同工況下數(shù)據(jù)見表1。

表1 各組別支撐部件變形測(cè)量值Table 1 Deformation measurement values of support parts of each group μm

檢測(cè)結(jié)果分析：

（1）每組彈性托盤受的力和變形關(guān)系基本滿足線性關(guān)系；其變形量比理論計(jì)算值稍大，最大超0.04mm。

（2）同批次同爐精煉同爐熱處理及相同鍛件工藝彈性托盤在相同負(fù)載下不同組別其變形量誤差范圍在±0.008mm。

（3）不同批次彈性托盤同點(diǎn)位變形量差最大達(dá)0.035mm。

2.3.2 疊加高度檢測(cè)結(jié)果分析

（1）利用檢測(cè)裝置測(cè)量疊加高度差：由高度誤差小于0.001mm、高度為205mm和50mm等高塊率定上下位移傳感器零位。靜態(tài)檢測(cè)時(shí)，其推力瓦承受的力為15.9kN，托盤彈性托盤變形量0.024mm，變形誤差為0.0004mm，滿足靜態(tài)檢測(cè)條件。選用4組別行其疊加高度差靜態(tài)檢測(cè)，每組測(cè)量6次；檢測(cè)結(jié)果支撐部件高度差小于0.001mm，支撐部件和推力瓦高度差為0.01mm。與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定數(shù)據(jù)一致。

（2）現(xiàn)場(chǎng)高度儀測(cè)試疊加高度：為避免測(cè)試平臺(tái)重力和重復(fù)精度影響，考慮地下溫度變化小，現(xiàn)場(chǎng)選用超高精度平臺(tái)和超高精度高度儀對(duì)其支撐部件和推力瓦疊加高度和支撐部件疊加高度進(jìn)行測(cè)量[5-6]，其測(cè)量精度達(dá)0.002mm?，F(xiàn)場(chǎng)4組測(cè)量結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測(cè)定數(shù)據(jù)一致。

3 結(jié)論

桐柏抽水蓄能電廠通過(guò)本項(xiàng)目研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)彈性托盤支撐型推力瓦的疊加高度及受力分析的研究目標(biāo)，研制出測(cè)量平臺(tái)及受力分析平臺(tái)，經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè)是可靠的。目前對(duì)于抽水蓄能機(jī)組，推力軸承的推力瓦彈性托盤和推力瓦受力分布分析進(jìn)行研究的公開文獻(xiàn)較少。本項(xiàng)目的研究，為國(guó)內(nèi)外采用彈性托盤支撐推力瓦的類似研究提供了思路和借鑒，為桐柏抽水蓄能電站解決推力瓦溫度高問(wèn)題提供了技術(shù)支持。