水工金屬結構設備實時在線監測系統運用及智能管控研究

李 林

(國電大渡河流域水電開發有限公司，四川成都610000)

1 水工金屬結構設備的重要性及實時在線監測的必要性

水工金屬結構設備通常包括閘門、啟閉機、引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼等，是水電站重要設備和設施，承擔著水電站泄洪、發電引水、農田灌溉等重要功能，一旦出現故障或事故，將對水電站發電效益和下游人民群眾的生命財產安全造成嚴重后果。

國內外水工金屬結構失事案例較多[1-3]。文獻[1]統計了部分國內外閘門的典型事故，對1941年～1999年期間發生在國外的28起弧形閘門事故，1958年～1989年期間發生在國內的43起平面閘門事故進行了事故描述和原因分析。文獻[1]收集了國內外閘門(或閥)事故實例70余則，介紹了事故發生的經過，對事故發生原因及其處理措施作了深入的分析和評述。文獻[2]收集了大量蘇聯國內及部分國外的水工金屬結構事故實例，不僅詳細地描述了事故發生前后的情況，而且對事故發生的原因進行了深入的分析。文獻[3]統計了15起輕型弧形鋼閘門事故破壞的狀況及原因。

因此水工金屬結構設備非常有必要進行實時在線監測，通過布置在設備上的傳感器，實時監測設備的運行狀態，當設備運行狀態異常時進行預警和報警，避免初期故障和事故的發生，確保設備的運行安全。

近期，國家能源集團國電大渡河公司在大崗山水電站實施了國內首批閘門實時在線監測系統，并開展了閘門智能管控實施研究，填補了國內水工金屬結構實時在線監測領域的空白。同時，考慮到水工金屬結構設備的重要性，對水工金屬結構設備系統化地實施實時在線監測運用的行業標準和管理進行了深入的研究和構思。

2 水工金屬結構在線監測系統研究

現階段，水電站水工金屬結構設備常規檢修手段為日常巡檢、定期檢查和專項安全評估檢測。這種常規檢修手段對設備的健康運行起了很大作用，但仍存在以下缺點和不足：①視聽判斷、根據經驗簡單檢測；②工作量大、效率低；③難以檢測、無法檢測；④檢測工作實施時安全風險大、相對辛苦；⑤受人的情緒影響，也受人的能力有所局限，有漏檢誤判的風險。

水工金屬結構實時在線監測研究的目的，是為研究水工金屬結構失效的內在原因，對水工金屬結構的關鍵參數進行實時監測，進而建立起完整的水工金屬結構實時在線監測的安全評價體系。據相關文獻統計，水工金屬結構設備失事破壞的主要形式有強度破壞、振動破壞、動力失穩、結構變形、主要部件失效等。對于閘門、啟閉機、引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼等不同類型的水工金屬結構設備，其失事破壞的主要原因各不相同，監測系統的關鍵參數需涵蓋主要故障源。

2.1 閘門實時在線監測關鍵參數

閘門事故原因主要有4個方面：流激振動破壞、閘門超標準運行、關鍵部件(如支鉸、定輪、鏈輪)失效、制造安裝質量及管理事故。由此引發閘門的應力接近屈服強度、結構共振、門葉卡阻、主要部件失效等問題，相應地，閘門實時在線監測的關鍵參數為：

(1)流激振動監測。監測出特征部位的振動加速度值、位移值、頻率值，在振動位移超標和振動頻率接近固有頻率時能夠預警和報警。

(2)應力監測。監測出主梁、支臂、吊耳等關鍵部位的工作應力值，并根據實測工作應力值解析出靜應力值和動應力值，在靜應力值和動應力值超標時能夠預警和報警。

(3)運行姿態監測。監測出閘門中心線在啟閉過程中的運行軌跡，計算出閘門門體到側軌之間的距離，當間隙超出特定值時能夠預警和報警。

(4)關鍵部件工作狀態監測。監測出弧門支鉸、定輪門定輪和鏈輪門鏈輪等關鍵部位的運行狀態，在運行狀態異常時(支鉸軸承抱死、定輪不旋轉等)能夠預警和報警。

2.2 啟閉機實時在線監測關鍵參數

啟閉機在各種工況條件下運行，出現各類微觀缺陷和不穩定的動態響應，包括疲勞、磨損、變形、制動器故障、減速器故障、鋼絲繩故障、保護盤跳電、變頻器故障及車輪與軌道故障等。相應地，啟閉機實時在線監測的關鍵參數為：

(1)主要構件工作應力實時在線監測。監測出主梁、卷筒軸承座支撐梁等部位的工作應力值，在工作應力值超標時能夠預警和報警。

(2)起升機構的狀態監測和故障診斷。起升機構為典型的旋轉機械，狀態監測和故障診斷適用于旋轉機械的振動頻譜分析法。起升機構的制造、安裝誤差和運行工況是振動的激勵源。振動診斷技術是利用正常機構的動態性(如固有頻率、振型、傳遞函數等)與異常機構動態特性的不同，來判斷機構是否存在故障的技術。起升機構故障診斷可診斷的故障類型有：安裝基礎不良(基礎松動、基礎焊縫開裂)、軸系不對中、轉動部件不平衡、齒輪故障、滾動軸承故障、機械配合不良、共振等。

(3)卷筒、制動器軸向竄動監測。監測制動盤和卷筒在旋轉過程中出現的最大擺動量(端面跳動量)，當制動盤和卷筒旋轉擺動量(端面跳動量)超過設定的閾值，給出報警信號。

(4)鋼絲繩斷絲和截面積損失監測。鋼絲繩缺陷檢測傳感器為一體式套筒結構，鋼絲繩運行時從套筒內非接觸通過，傳感器(見圖1)內部分為激勵和信號采集兩部分，采用電磁或永磁激勵，通過測量磁通量的變化量或漏磁量大小，計算出鋼絲繩磨損和截面積減少。鋼絲繩缺陷檢測傳感器采集鋼絲繩磨損、斷絲、縮徑等數據(見圖2)，分析和診斷鋼絲繩的安全性。當出現磨損量增大、斷絲、縮徑比例增大等異常時，報警并提供異常報警原因。

圖1 鋼絲繩缺陷檢測傳感器

圖2 鋼絲繩斷絲信號

2.3 引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼實時在線監測關鍵參數

引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼事故原因主要有：焊縫或板材內部微小缺陷擴展導致的開裂或滲漏、內水或外水壓力導致的失穩、高速含沙水流導致的管壁磨損、腐蝕導致管壁厚度減薄，由此引發引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼承載能力降低、滲漏、開裂、失穩等問題。相應地，引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼實時在線監測的關鍵參數為：

(1)缺陷擴展監測。內部微缺陷在外力或內力作用下產生擴展時，會以彈性波的形式釋放應變能，彈性波在彈性介質中的傳播現象即為聲發射現象。采用聲發射檢測傳感器可以監測出缺陷擴展的信號(見圖3)，當監測發現缺陷擴展信號、萌生裂紋、滲流等異常時，給出報警信號。

圖3 聲發射斷鉛試驗(模擬缺陷擴展的信號)

(2)應力監測。通過布置應變傳感器測點，采集壓力鋼管、鋼岔管及蝸殼主要受力部位的工作應力數據，分析壓力鋼管、鋼岔管及蝸殼結構強度的安全性。當測試數據超限時，應報警并提供異常報警原因。

(3)結構振動。通過布置加速度傳感器測點，采集壓力鋼管、鋼岔管及蝸殼運行狀態的動態響應數據，分析和判斷壓力鋼管、鋼岔管及蝸殼運行的穩定性。當管壁出現振動幅值、動應力值增大等異常時，報警并提供異常報警原因。

(4)管壁厚度監測。采用電渦流或超聲波傳感器，測量某幾個典型部位的鋼板厚度，當壁厚減薄至一定數值或比例時，給出報警信號。

在這里需要特別說明的是，采用什么監測方法，運用什么原理，或者選擇哪些傳感器，都不是唯一的，完全不必拘泥于文中提到的監測方法。隨著技術的發展，各類傳感器的升級換代，或創新方法和原理的應用，一定會找到更加先進、更加科學的監測方法，使得數據檢測更加方便、更加真實、更加精準。同時，其他行業或專業成熟的監測方法和技術，也值得學習和借鑒。

3 水工金屬結構實時在線監測標準體系的研究

目前，水工金屬結構設備的實時在線監測系統尚無國家標準、行業標準或地方標準，國電大渡河流域水電開發有限公司已牽頭開始著手NB/T類行業標準的編制工作。該行業標準申報名稱為《水電工程金屬結構設備狀態在線監測系統技術條件》(以下簡稱“在編標準”)。該在編標準將以規范水電站工作閘門、啟閉機設備及壓力鋼管等大型結構，傳動機構的狀態實時在線監測技術條件和狀態評定技術為原則，采用已在工程實際中應用的實時在線監測新技術、新工藝、新材料及常規、通用、成熟的技術知識，并參考國內外相關行業領域的技術要求，使得該在編標準能夠作為水電站工作閘門、啟閉機及壓力鋼管狀態實時在線監測系統的設計、制造、安裝和維護的技術要求。

在編標準的主要創新點有：①首次系統性地提出了水工金屬結構實時在線監測的技術方法和安全評價體系。②全面總結了水工金屬結構設備事故的主要原因，科學設置了各種水工金屬結構實時在線監測的主要功能模塊。③系統研究了現有標準、規程，科學設置了各種監測參數的評價標準，為監測決策提供理論依據。④在統一的監測標準體系之下，為建立金結設備行業大數據管控平臺、打造業界先進的數據庫打下基礎。

4 水工金屬結構在線監測技術在大崗山水電站的運用

大崗山閘門實時在線監測系統綜合了結構實時應力監測、振動模態監測、運行姿態監測和支鉸軸承故障監測等功能模塊，監測界面見圖4。

圖4 監測界面

圖4左側顯示的為應力值，中間上部為測點示例圖，中間下部為支鉸軸承聲發射監測值，右側上半部分為流激振動監測值，右側下部分為閘門運行姿態和支鉸軸轉動監測值。

大崗山閘門實時在線監測系統的“頻率掃描法”識別水工金屬結構自振頻率和聲振技術監測支鉸軸承故障屬國內首創技術，對破解國內水電工程金屬結構設備狀態在線監測領域難題具有較大推進作用。

4.1 “頻率掃描法”識別水工金屬結構自振頻率技術[5]

采用帶偏心質量塊的變頻電機在設備特征部位實施激振，激振頻率從0逐步升高至200 Hz，識別出閘門的共振點，為科學設定閘門振動監測閾值(振動位移值、振動頻率值)奠定基礎。圖5為測試現場，可以測得的振動頻率-加速度曲線。

圖5 測試現場

表1為弧形閘門在流激振動條件下的動態響應測試數據。可以看出，當閘門振動響應頻率低于40 Hz、且位移小于0.09 mm時，閘門的振動響應處于安全范圍。當閘門振動響應頻率接近40 Hz時，應有二級報警提示；當響應頻率接近50 Hz時，閘門受泄流引起的振動已經具有危害性，應三級報警并采取措施；當閘門響應頻率接近52 Hz，就處于嚴重危害的級別，不允許發生。

表1 激振器激振頻率與弧形閘門的動態響應

從測試數據上分析，三級報警距離四級報警的間隔很近，這提示閾值設定的運行軟件，一旦出現三級報警，必須采取措施，防止閘門的振動響應出現惡化趨勢。

4.2 聲振技術監測支鉸軸承故障[5-9]

監測滾動軸承(高速)故障的典型手段是使用加速度傳感器，這有國際通行的方法和標準。但是，支鉸軸承屬于低速、重載的滑動軸承，加速度傳感器不能準確、定性診斷其故障。加速度傳感器和聲發射傳感器復合在一起，組成聲振傳感器。聲振傳感器具有帶寬大、靈敏度高等特點，可較為準確地檢測出滑動軸承的剝落、裂紋、壓痕、腐蝕凹坑和膠合等缺陷，較好地進行故障定性和診斷。圖6為典型軸承摩擦的聲發射監測信號。

圖6 典型軸承摩擦的聲發射監測信號

5 水工金屬結構實時在線監測的管理研究

水工金屬結構實時在線監測對于設備全生命周期管理具有重要的意義，可起到改善設備運行狀態、延長設備服役時間、提高設備資產價值等作用。

(1)設備設計選型階段。在線監測系統數據分析、挖掘必然會對金屬結構的設計有所反饋，對于金屬結構設備選型和結構優化會起到借鑒和促進作用。根據實時在線監測系統的運行數據和專家分析系統，可以指導設計選型、優化結構形式，對設備的設計選型起到技術支持作用。

(2)設備制造階段。制造環節常見毛病的多次出現一定會引發在設備制造過程中加強制造方法和工藝的改進，實時在線監測系統可以進行產品質量評價、指導制造工藝改進，對設備制造質量提升起到促進作用。

(3)設備安裝調試階段。安裝、調試、驗收過程中的原始數據對制定科學、優化的運行方案，建立數學模型、設置監測閾值等具有重要的參照借鑒作用。

(4)設備運行階段。實時在線監測系統可以實時、準確、全面地掌握設備的運行狀態，可識別出設備的健康狀態，可以實現真正意義上的無人值班運行。

(5)設備檢修階段。實時在線監測系統可實現設備維修管理從現行的計劃檢修(TBM)向狀態檢修(CBM)轉變，可提高設備的利用率，減少維修時間，降低維修費用，同時也可壓縮備件庫存量，減少不必要的浪費、損耗。

(6)設備報廢階段。實時在線監測系統實現可預測設備的使用壽命，可以為設備的報廢和重建提供數據支撐。

6 水工金屬結構實時在線監測的智能管控思考

利用實時在線監測技術對水工金屬結構設備性能、運行特性和健康狀態實施全過程跟蹤，是一項剛剛起步的技術創新，還需在未來的實踐運用中不斷完善和改進。因此，還需做好以下3方面的工作：

(1)監測要有的放矢、抓住主要矛盾。監測重點設備的關鍵部位，而不是遍地開花、眉毛胡子一把抓，造成資源浪費、運行檢修復雜，或者造成無效的預警，甚至是錯誤的預判，即監測什么、在監測哪里、用什么方法、是否值得監測等，都需要有科學的判斷和智慧的考量；同時，水工金屬結構設備實時在線監測技術既要體現出每個水電工程的共性，也要滿足不同工程、不同部位的特殊性。

(2)整合專業資源、強化管理隊伍。推廣實施金屬結構設備在線監測新技術，需要進行金屬結構運行維護的專業培訓，強化實時在線監測的技術應用及智能管控隊伍建設，并注意整合整個流域的金屬結構設備管理資源。不妨將單個電站的大壩金屬結構管理資源整合成流域層面的金屬結構設備管理中心，培養出一支既能掌握實時在線監測技術應用，也能對設備維護運行實施智能管控的專業隊伍。

(3)搭建數據平臺、推進行業進步。收集整理金屬結構各類經典案例、新技術應用實例，進行在同類工程、同類設備之間的比對，通過案例分析和理論研討，建立水工金屬結構經典案例數據平臺；在此基礎上，加快水工金屬結構實時在線監測技術應用，建立技術應用標準體系，提升金屬結構設備智能管控軟硬件開發水平，完善設計規程和驗收規范等技術文件，推動整個水電行業金屬結構設備運行、維護管理的技術進步。