桐柏抽水蓄能電站彈性支撐型推力瓦檢測方法研究

蔣池劍，何 秋，嚴天豪，趙 鋒，陳小強

（華東桐柏抽水蓄能發電責任有限公司，浙江省臺州市 317200）

0 引言

桐柏抽水蓄能電站推力瓦為單瓦結構[1]，采用彈性支撐型結構。其彈性支撐由彈性球面支柱及彈性托盤組成（簡稱支撐部件）。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）可發生少量位移；其支撐尺寸無法調整（見圖1）[8]。這種結構極為簡單，安裝方便，但對推力瓦及支撐部件尺寸及性能一致性要求極高，其設計對材料、熱處理、加工等均有較為特殊要求。要求機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，使其物理力學性能盡量一致，以確保安全機組穩定運行。

圖1 桐柏推力瓦及支撐部件結構圖Figure 1 Structural drawing of Tongbai thrust tile and supporting parts

目前國內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，常規電廠十余家，機組均為奧地利ANDRITZ HYDRO公司進口。

1 問題提出

桐柏抽水蓄能電站2005年12月第一臺機組并網，2006年4月2號機組并網。初期運行穩定，在2015年首次發現2號機組推力瓦溫度升高，其最高溫度達83℃（報警溫度），經檢查發現有一件彈性托盤局部機械疲勞裂紋，少數組別彈性托盤與彈性球面支柱接觸面出現凹弧面變形，變形量在0.005～0.01mm。初步處理整體更換了一批國產支撐部件[7]，整機試驗時推力瓦溫度高而且溫度分布差異較大；經分析認為，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。后整體更換主機廠ANDRITZ HYDRO公司提供的新支撐部件，經個別組別彈性球面支柱下部加墊調整后溫度達設計要求。第二年機組大修時整體更換經工藝改進的支撐部件，溫度滿足設計要求。

因抽水蓄能電站機組工況轉換頻繁，長期運行推力瓦各組別支撐部件物理力學性能差異顯現，使得部分瓦溫上升。此種形式的推力瓦結構彈性托盤幾乎承擔全部彈性變形，其物理力學性能穩定一致是保證機組安全運行的關鍵[5]，對彈性托盤性能進行靜態檢查和動態檢測十分必要。為此需要在定期檢修時對支撐部件和推力瓦疊加高度、支撐部件疊加高度、彈性托盤不同負荷下變形量進行檢查，消除安全隱患。桐柏抽水蓄能電站2019年針對彈性托盤支撐型推力瓦及支撐部件現場檢測裝置及檢測方法進行了研究，并提出相關檢測標準，以滿足運行需求。

2 檢測平臺及檢測方法研究

2.1 支撐部件及推力瓦組合疊加高度與變形量檢測裝置

為解決現場檢測問題，需研制支撐部件及推力瓦疊加高度與支撐部件不同負荷下變形量[2]檢測裝置（以下簡稱檢測裝置）。

（1）檢測裝置要求。

1）可靜態測量單塊瓦承受最大受力范圍內其彈性托盤彈性變形情況。桐柏公司發電機組最大水推力為9730kN，16塊推力瓦支撐，此處設計要求選擇65t。

2）可靜態測量支撐部件和推力瓦疊加高度[4]。

3）使用應變片現場對彈性托盤變形量和受力關系進行現場率定，為彈性托盤性能在線監測提供判別數據。

（2）檢測裝置設計。

本文設計的檢測裝置主要由工作平臺、中板和液壓裝置、控制系統、顯示系統和測量元件（傳感器）等組成（見圖2）。其液壓裝置提供和控制液缸壓力；控制顯示系統用于控制保持油壓，讀取和顯示數據。工作平臺在65t壓力下變形量小于0.005mm，中板與工作臺平行度小于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，確保壓力穩定。檢測裝置在65t工作壓力情況下重復精度0.01mm，工作壓力小于1MPa情況下重復精度0.002mm。系統采用精度為0.05%的力傳感器對工作壓力進行數據率定，率定后通過對應的高精度壓力傳感器數據參與系統控制。

在檢測前，需要通過高度誤差小于0.001mm等高塊分別率定上部和下部各4個位移傳感器零位（見圖3）。其中，4個上部高精度位移傳感器（精度為0.001mm）用于測量支撐部件和推力瓦疊加高度和彈性托盤變形量；4個下部傳感器用于復核上部位移傳感器測量數據和測量彈性托盤和彈性支柱疊加高度。其疊加高度、力、變形量等數據均能實時顯示和讀取。

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

2.2 彈性托盤現場在線檢測方案研究

為實現對彈性托盤的實時監控，保證彈性托盤在工作時始終保持正常工作狀態，本文設計了一套彈性托盤現場在線檢測方案，將貼有電阻應變片的彈性托盤率定好相關參數并安裝到機組中，應變片輸出數據，通過對數據的讀取和處理實現對彈性托盤的彈性變形實時監測。

具體方案是在彈性托盤凹部粘貼電阻應變片（見圖4），由檢測裝置對每組彈性托盤加載，利用放大器讀取不同負載電阻應變片應變量，完成機組每個彈性托盤負載和變形關系現場率定，形成負載與應變片輸出電參數的對應關系，通過數據處理實現彈性托盤性能在線檢測。運行時其應變量與率定數據比較，即可根據每組彈性托盤負載情況，比較各組受力、溫度情況，從而對其安全隱患作出預判。在線檢測采用德國HBM公司的電阻應變片、放大器和數據處理系統。

圖4 應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 檢測結果分析

2.3.1 不同材料彈性托盤變形量測試結果及分析

彈性托盤材料為調質51CrV4，外徑280mm，內徑260mm，總厚度40mm，槽深5mm。最大負荷9730kN加在16個彈性托盤上，每個彈性托盤受力608.1kN，均布加載在其邊緣環面上。設計計算取值彈性模量為2.1GPa，密度為7.8×103kg/m3；材料屈服強度為1180MPa，抗拉強度為1370～1670MPa。按有限元分析及理論計算，最大變形量發生在彈性托盤的邊緣，其負載和最大變形量關系理論線如圖5所示。

圖5 推力（負載）與變形關系理論線Figure 5 Theoretical line of relationship between thrust （load） and deformation

靜態檢測其推力瓦和平臺中板（相當于實際工況中的推力鏡板）為一體（見圖2），避免了實際運行時推力瓦負荷變形和熱變形影響，使彈性托盤變形量能被精準測量[3，4]；經計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，該靜態彈性托盤變形量測量具有非常高的準確性。位移傳感器顯示的位移量即為彈性托盤的變形量。

選擇6個組別彈性托盤和彈性球面支柱進行測試，其每個組別高度差不大于0.002mm。其中組別一和組別二為國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內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產非同爐精煉和同爐熱處理材料（但熱處理工藝一樣）；測試力為0～60t，按機組運行不同工況受力點位測試，同一點位要求壓力差小于50kg。每個組別測試6次，取平均值進行比較。

測試前先按圖3對壓力傳感器和位移傳感器分別進行率定；測試時，保持測量環境和測量溫度在相同條件下，按圖2安裝試件，操作控制系統，通過液壓裝置對試件進行加載，讀取顯示系統相關數據。靜態測試不同工況下數據見表1。

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

檢測結果分析：

（1）每組彈性托盤受的力和變形關系基本滿足線性關系；其變形量比理論計算值稍大，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位變形量差最大達0.035mm。

2.3.2 疊加高度檢測結果分析

（1）利用檢測裝置測量疊加高度差：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。靜態檢測時，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，滿足靜態檢測條件。選用4組別行其疊加高度差靜態檢測，每組測量6次；檢測結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。與實驗室測定數據一致。

（2）現場高度儀測試疊加高度：為避免測試平臺重力和重復精度影響，考慮地下溫度變化小，現場選用超高精度平臺和超高精度高度儀對其支撐部件和推力瓦疊加高度和支撐部件疊加高度進行測量[5-6]，其測量精度達0.002mm。現場4組測量結果與實驗室測定數據一致。

3 結論

桐柏抽水蓄能電廠通過本項目研究，實現了對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，研制出測量平臺及受力分析平臺，經試驗檢測是可靠的。目前對于抽水蓄能機組，推力軸承的推力瓦彈性托盤和推力瓦受力分布分析進行研究的公開文獻較少。本項目的研究，為國內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題提供了技術支持。