液壓啟閉機(jī)機(jī)架螺栓破壞機(jī)理分析

鄒今春,王海峰,彭哲凱

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2.江蘇武進(jìn)液壓啟閉機(jī)有限公司,常州 213100)

0 前 言

液壓啟閉機(jī)以其結(jié)構(gòu)緊湊、自動(dòng)化運(yùn)行水平高、滿足多種布置需要等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于水電水利、航道運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)閘門啟閉操作[1]。從20世紀(jì)80年代開始，特別是近20 a以來中國液壓啟閉機(jī)設(shè)計(jì)、制造、安裝綜合實(shí)力及規(guī)范化水平快速提升，液壓啟閉機(jī)的整體應(yīng)用水平已處于國際領(lǐng)先[2]。然而部分大中型老舊電站其液壓啟閉機(jī)服役時(shí)間已經(jīng)超過30 a，其運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測與健康管理應(yīng)得到重點(diǎn)關(guān)注。本文以一起泄洪系統(tǒng)工作弧門搖擺式液壓啟閉機(jī)機(jī)架螺栓破壞案例為例，綜合考慮液壓油有效體積彈性模量的動(dòng)態(tài)變化和封閉腔體油液溫度變化對(duì)缸內(nèi)壓力的影響，分析液壓啟閉機(jī)機(jī)架螺栓失效機(jī)理,結(jié)合液壓啟閉機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出液壓啟閉機(jī)在不同環(huán)境條件下的運(yùn)行維護(hù)建議。

1 工程背景

本案例中的液壓啟閉機(jī)所屬電站為建成于20世紀(jì)90年代的I等大(1)型工程。該液壓啟閉機(jī)布置在泄洪閘工作閘室，用于啟閉泄洪洞工作弧門，為中間支承的搖擺式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)布置見圖1。油缸下端連接弧門單吊耳，中部支鉸固定在機(jī)架上方，機(jī)架通過16副M30地腳螺栓與閘室底板鋼筋混凝土連接，如圖2所示。該液壓啟閉機(jī)啟門力4 000 kN，下壓力500 kN，活塞桿直徑320 mm，油缸內(nèi)徑630 mm，啟門時(shí)桿腔最大壓力19.8 MPa，下壓時(shí)無桿腔最大壓力4.03 MPa。

圖1 啟閉機(jī)布置 圖2 啟閉機(jī)油缸機(jī)架總成

事故發(fā)生后經(jīng)現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)機(jī)架大部分地腳螺栓完全失效，部分螺桿完全破斷，斷口表現(xiàn)明顯屈服拉斷特征(見圖3(a))，部分機(jī)架螺栓連接處出現(xiàn)局部壓潰，基礎(chǔ)混凝土破壞明顯(見圖3(b))。

圖3 機(jī)架破壞現(xiàn)場情況

2 機(jī)理分析

調(diào)研發(fā)現(xiàn)在事故發(fā)生之前，為防止弧門關(guān)閉后發(fā)生回彈以獲得更明顯封水效果，現(xiàn)場運(yùn)維人員將油缸上下腔入口處截止閥手動(dòng)關(guān)閉,液壓啟閉機(jī)原理見圖4。其時(shí)環(huán)境溫度約20 ℃，之后長時(shí)間未關(guān)注液壓啟閉機(jī)油缸、機(jī)架各部件狀態(tài)。發(fā)現(xiàn)問題時(shí)環(huán)境溫度約30℃，封閉腔體內(nèi)溫差明顯，主要考慮油液溫升造成體積膨脹進(jìn)而引起無桿腔壓力超限引起。

圖4 液壓啟閉機(jī)原理

溫度能引起液壓油體積膨脹，其膨脹系數(shù)：

(1)

公式(1)中:V為初始體積,mm3；ΔV為膨脹量,mm3；ΔT為溫度變化量,℃。

不同基礎(chǔ)溫度下，液壓油表現(xiàn)的膨脹特性是不一樣的，文獻(xiàn)[3]表明，當(dāng)溫度20℃～30℃液壓油體積膨脹系數(shù)約為5×10-4/℃。

液壓油在一定壓力下表現(xiàn)出微量的壓縮性，液壓油有效體積彈性模量是表征壓縮特效的主要參數(shù)，其定義為引起液壓油發(fā)生單位體積變化所需施加的壓力[4]：

(2)

公式(2)中：Ke為液壓油有效體積彈性模量,MPa；V為系統(tǒng)油液在壓力為p時(shí)的體積,mm3；Δp為作用于油液的壓力差,MPa；Δp=p-p0;ΔV為對(duì)應(yīng)油液體積的變化量,mm3；p0為初始?jí)毫?MPa；p為工作壓力,MPa。

液壓油有效體積彈性模量會(huì)在不同工作壓力、溫度、含氣量參數(shù)影響下發(fā)生變化。一般情況下，它隨壓力的增大而增大，隨溫度的升高而減小，但相比壓力變化的影響而言，溫度對(duì)有效體積彈性模量的影響很小[5-6]。文獻(xiàn)[7]試驗(yàn)給出0～30 MPa之間的工作壓力下46號(hào)抗磨液壓油有效體積彈性模量。

綜合公式(1)～(2)得出：

p-p0=Ke·αV·ΔT

(3)

p=Ke·αV·ΔT+p0

(4)

液壓啟閉機(jī)最后一次操作時(shí)溫度約20 ℃，無桿腔壓力4.03 MPa，由公式(4)計(jì)算在溫升10 ℃時(shí)封閉腔內(nèi)對(duì)應(yīng)的壓力：

pw=1232×5×10-4×10+4.03=10.2 MPa

(5)

公式(5)中:1232為4.1～10.5 MPa壓力下46號(hào)抗磨液壓油有效體積彈性模量均值,MPa；5×10-4為對(duì)應(yīng)的液壓油體積膨脹系數(shù),/℃。

對(duì)應(yīng)無桿腔推力：

(6)

公式(6)中:Aw為無桿腔壓力有效作用面積，落門時(shí)有桿腔壓力很小不計(jì)，僅考慮溫升10 ℃時(shí)封閉桿腔壓力約：

py=438×5×10-4×10+0=2.2 MPa

(7)

公式(7)中:438為0.2～2.7 MPa壓力下46號(hào)抗磨液壓油有效體積彈性模量均值,MPa。

對(duì)應(yīng)有桿腔推力：

=508.9 kN

(8)

綜合公式(6)、(8)得無桿腔實(shí)際推力：

F=Fw-Fy=3179.6-508.9=2670.7 kN

(9)

圖5 機(jī)架螺栓分部及受力分析簡圖 單位：mm

下游側(cè)單個(gè)螺栓受力：

=205.9 kN

(10)

上游側(cè)單個(gè)螺栓受力：

=127.9 kN

(11)

地腳螺栓規(guī)格為M30，材質(zhì)為Q235，屈服極限為225 MPa。

下游側(cè)單個(gè)螺栓截面應(yīng)力：

σx?σs=225 MPa

(12)

公式(12)中:26.211為螺栓M30粗牙螺紋小徑，mm。

下游側(cè)螺栓截面應(yīng)力遠(yuǎn)大于螺栓材質(zhì)屈服極限，螺栓發(fā)生塑性變形進(jìn)而拉斷失效。上游側(cè)地腳螺栓因無法獨(dú)立承擔(dān)相應(yīng)荷載也很快失效。部分機(jī)架基礎(chǔ)因局部承壓應(yīng)力超過設(shè)計(jì)值也發(fā)生潰退、上拱。

目前電站運(yùn)營方已根據(jù)原因分析，對(duì)機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修復(fù)和檢驗(yàn)，重新配制了機(jī)架螺栓，并對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行了局部鑿除和重新澆筑處理，經(jīng)驗(yàn)收合格后該液壓啟閉機(jī)已正常投入使用。

3 運(yùn)維建議

液壓啟閉機(jī)常被設(shè)計(jì)用于操作工作閘門進(jìn)行洪水宣泄，擔(dān)負(fù)著保證大壩安全的重要職責(zé)。由于水電站工作特點(diǎn)，工作閘門雖然運(yùn)行次數(shù)少，但操作可靠性要求極高，否則將可能釀成災(zāi)難性后果。液壓啟閉機(jī)在水電水利行業(yè)應(yīng)用比較晚，設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化程度較低，設(shè)計(jì)、制造、安裝以及運(yùn)營的規(guī)范性仍然有很大發(fā)展空間[8-11]。 現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員作為保證液壓啟閉機(jī)安全運(yùn)行最后環(huán)節(jié)必須緊跟技術(shù)進(jìn)步，提高運(yùn)維、操作、管理規(guī)范化水平。具體建議如下：

(1) 詳細(xì)制定并嚴(yán)格執(zhí)行運(yùn)行維護(hù)手冊(cè)，堅(jiān)決杜絕違規(guī)操作，特別是防止一些短期內(nèi)看似有效、實(shí)則存在重大安全隱患的“土辦法”。 如案例中所述手動(dòng)關(guān)閉油缸上下腔入口處截止閥雖然短時(shí)能抑制弧門反彈，但卻是引發(fā)液壓啟閉機(jī)螺栓及基礎(chǔ)破壞的直接原因。

(2) 結(jié)合設(shè)備本身特點(diǎn)及機(jī)械設(shè)備服役性能變化規(guī)律，動(dòng)態(tài)開展設(shè)備安全性評(píng)價(jià)。特別是一些大中型老舊電站，對(duì)液壓啟閉機(jī)進(jìn)行現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下定期安全評(píng)價(jià)，必要時(shí)對(duì)存在安全隱患的設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，確保設(shè)備服役期運(yùn)行安全、可靠。

(3) 視情維護(hù)和定期維護(hù)相結(jié)合，強(qiáng)化液壓啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及健康管理。定期監(jiān)測掌握設(shè)備規(guī)律性，視情維護(hù)解決重點(diǎn)、突發(fā)故障。關(guān)注環(huán)境條件變化對(duì)液壓啟閉機(jī)運(yùn)行可能產(chǎn)生的影響，增強(qiáng)故障隱患排查力度。

(4) 增強(qiáng)設(shè)備整體安全觀，既關(guān)注重要設(shè)備、明顯部位服役性能變化，也應(yīng)關(guān)注次要部件、隱蔽部位的變化。

4 結(jié) 語

封閉腔體油壓會(huì)受溫度影響，壓力變化的同時(shí)引起油液有效體積彈性模量動(dòng)態(tài)變化。取一定溫度變化范圍內(nèi)膨脹系數(shù)和彈性模量值，計(jì)算了封閉腔體油液溫度變化引起的缸內(nèi)壓力變化值。依據(jù)液壓啟閉機(jī)機(jī)架螺栓分布，計(jì)算出各部位螺栓實(shí)際受力情況。從而揭示了該液壓啟閉機(jī)機(jī)架螺栓破壞的機(jī)理。結(jié)合案例分析及事故調(diào)查經(jīng)驗(yàn)，給出了液壓啟閉機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及健康管理建議。