某水電站閘門振動響應檢測及評價

丁 鵬，岳高峰，余鵬翔，楊傳晟，龔樹東，關 磊

(1.水利部產品質量標準研究所，浙江 杭州 310012；2.水利部杭州機械設計研究所，浙江 杭州 310012；3.浙江省水利水電裝備表面工程技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310012)

0 引 言

某水電站位于廣西壯族自治區紅水河干流上，共安裝8臺單機容量57 MW，總裝機容量456 MW的燈泡貫流式水輪發電機組，該水電站工程于2005年3月動工興建，2009年8臺機組全部投產發電。至今電站已安全運行10年，根據有關要求，該水電站金屬結構需要進行全面安全檢測。受電站主管部門委托，水利部水利機械質量檢驗測試中心承擔該水電站泄水閘閘門安全檢測工作，據運行管理人員反映，該電站1號閘門在啟閉過程中，能夠感到明顯振動，因此需要增加對1號閘門的振動測試。

SL101、DL835《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》中，結構振動的檢測主要包括振動響應檢測和動力特性檢測。其中振動響應檢測包括振動位移、速度、加速度和動應力等[1-2]。本次檢測主要針對振動響應檢測。

1 振動加速度測試

閘門在啟閉時，主要受水流影響產生強迫振動，并形成相應的振動加速度和振動能量[3]。閘門振動的加速度測試采用IMI608A11加速度傳感器，傳感器布置于閘門跨中位置，采集閘門從閉門狀態—提升至開度1 m保持—提升至開度2 m保持—提升至開度3 m保持—閉門整個流程的加速度數值。3個加速度傳感器分別布置于閘門跨中部位主梁翼板上。閘門啟閉整個流程加速度采集點(時間)—電壓(加速度)關系如圖1所示。

圖1 閘門啟閉過程的加速度曲線

1～3號傳感器各開度下加速度最大值為0.89 ～32.55 m/s2。其中，閘門在一定開度下保持過程中的加速度數值均比較小，3個通道在3個開度保持過程中的最大加速度均小于3 m/s2，最大加速度出現在閘門從關閉提升至1 m開度過程中。最大為32.55 m/s2。根據相關文獻[4- 8]及現場實測結果，閘門的振動加速度在安全范圍內。

2 位移測試

位移測試主要依靠位移傳感器或者加速度積分方式，通過測試分析發現，閘門布置位移傳感器布置方式不便且無法與振動加速度傳感器測試位置重合。通過系統軟件積分的位移值數據嚴重偏大。因此需要研究解決加速度積分到位移的形式，最終確定通過對加速度信號進行傅里葉變換轉換到頻域，頻域濾波后進行二次積分，再進行傅里葉逆變換，轉換為時域。為測試變換方法的可靠性，通過標準振源進行數據采集分析并進行驗證。

2.1 標準振源測試

標準手持振源的型號為Model 394C06，其工作頻率為159.2 Hz(±1%)，振動加速度有效值為9.81 m/s2(±3%)，振動速度有效值為9.81 mm/s，振動位移有效值9.81 μm。標準振源測試加速度如圖2所示。

圖2 標準振源加速度曲線

根據標準振源加速度曲線，測得加速度有效值為9.815 m/s2，頻率為159.1 Hz。與振源標稱數值一致。通過對加速度信號進行頻譜分析，并設置最小截止頻率80 Hz，最大截止頻率300 Hz，頻域濾波后進行二次積分，傅里葉逆變換之后得到的位移曲線如圖3所示。

圖3 標準振源位移曲線

由圖3可得，經過在頻域濾波后二次積分得到的位移曲線的有效值9.822 μm，與標準振源標稱值一致。通過標準振源的測試，驗證頻域積分的可行性與可靠性。

2.2 閘門測試

利用測得的閘門振動加速度數據，結合2.1的積分過程，測得閘門的振動位移最大值均小于0.5 mm，振動位移有效值均小于0.25 mm。但是閘門開啟過程中振動位移瞬時值0.715 mm，開啟至1 m持住時，振動位移瞬時值0.541 mm，閘門下降過程中，振動位移瞬時值2.459 mm。

根據美國Arkansas河閘門振動危害程度位移判斷依據[9-13]，當平均位移大于0.508 mm時屬于嚴重振動。因此，該閘門總體振動位移符合標準的要求，僅在起升初始階段等個別運行狀態的最大位移超過標準要求。

3 動應力測試

閘門振動應力是在脈動水壓力下產生的，采用“應變電測法”。通過粘貼在受力部位上的電阻應變計獲取信號，利用無線傳遞，實現遠距離測量。測試時，閘門上游水位82.87 m，下游水位65.51 m，設計水頭24 m，閘門實際作用水頭17.36 m。

對三向應變片，主應力

(1)

(2)

當量應力

(3)

式中，σ1，2為最大主應力和最小主應力；η為應變儀的靈敏系數；η1應變計的靈敏度系數；E為彈性模量(取2.06×105MPa)；μ為泊松比(鋼材中取0.3)；εx，εy，εxy分別為0°，90°，45°方向應變值；θ為主應力方向夾角。

測量對應位置的動態應力分別為129.9、146.1 MPa和153.2 MPa。均未超過閘門的許用應力(202.5 MPa)。

4 振動評價

結合閘門的加速度測試、位移測試和動應力測試，該閘門的振動加速度及動應力均未超過限值。閘門振動位移僅在起升初始階段等部分工況下的最大位移超過有關參考值，閘門振動位移有效值滿足要求。該閘門振動綜合評價滿足要求，建議啟閉過程中繼續觀測，出現明顯振動時可以做專題振動檢測，對閘門共振等進行分析。

5 結 論

利用加速度數據在頻域范圍內進行二次積分求位移具有較高的可靠性，能夠減少檢測現場的傳感器布置數量，同時加速度測試區域與位移測試的位

置得到了很好的對應。利用加速度、位移和動態應力對閘門綜合評價，避免單一評價方法造成的判斷誤差，能夠將更完整的閘門動態數據提交個閘門運行管理部門進行參考。