液壓啟閉機機架螺栓破壞機理分析

鄒今春,王海峰,彭哲凱

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;2.江蘇武進液壓啟閉機有限公司,常州 213100)

0 前 言

液壓啟閉機以其結構緊湊、自動化運行水平高、滿足多種布置需要等優點，廣泛應用于水電水利、航道運輸等行業閘門啟閉操作[1]。從20世紀80年代開始，特別是近20 a以來中國液壓啟閉機設計、制造、安裝綜合實力及規范化水平快速提升，液壓啟閉機的整體應用水平已處于國際領先[2]。然而部分大中型老舊電站其液壓啟閉機服役時間已經超過30 a，其運行狀態監測與健康管理應得到重點關注。本文以一起泄洪系統工作弧門搖擺式液壓啟閉機機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態變化和封閉腔體油液溫度變化對缸內壓力的影響，分析液壓啟閉機機架螺栓失效機理,結合液壓啟閉機設計特點，提出液壓啟閉機在不同環境條件下的運行維護建議。

1 工程背景

本案例中的液壓啟閉機所屬電站為建成于20世紀90年代的I等大(1)型工程。該液壓啟閉機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，啟閉機布置見圖1。油缸下端連接弧門單吊耳，中部支鉸固定在機架上方，機架通過16副M30地腳螺栓與閘室底板鋼筋混凝土連接，如圖2所示。該液壓啟閉機啟門力4 000 kN，下壓力500 kN，活塞桿直徑320 mm，油缸內徑630 mm，啟門時桿腔最大壓力19.8 MPa，下壓時無桿腔最大壓力4.03 MPa。

圖1 啟閉機布置 圖2 啟閉機油缸機架總成

事故發生后經現場勘察，發現機架大部分地腳螺栓完全失效，部分螺桿完全破斷，斷口表現明顯屈服拉斷特征(見圖3(a))，部分機架螺栓連接處出現局部壓潰，基礎混凝土破壞明顯(見圖3(b))。

圖3 機架破壞現場情況

2 機理分析

調研發現在事故發生之前，為防止弧門關閉后發生回彈以獲得更明顯封水效果，現場運維人員將油缸上下腔入口處截止閥手動關閉,液壓啟閉機原理見圖4。其時環境溫度約20 ℃，之后長時間未關注液壓啟閉機油缸、機架各部件狀態。發現問題時環境溫度約30℃，封閉腔體內溫差明顯，主要考慮油液溫升造成體積膨脹進而引起無桿腔壓力超限引起。

圖4 液壓啟閉機原理

溫度能引起液壓油體積膨脹，其膨脹系數：

(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,℃。

不同基礎溫度下，液壓油表現的膨脹特性是不一樣的，文獻[3]表明，當溫度20℃～30℃液壓油體積膨脹系數約為5×10-4/℃。

液壓油在一定壓力下表現出微量的壓縮性，液壓油有效體積彈性模量是表征壓縮特效的主要參數，其定義為引起液壓油發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為系統油液在壓力為p時的體積,mm3；Δp為作用于油液的壓力差,MPa；Δp=p-p0;ΔV為對應油液體積的變化量,mm3；p0為初始壓力,MPa；p為工作壓力,MPa。

液壓油有效體積彈性模量會在不同工作壓力、溫度、含氣量參數影響下發生變化。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，溫度對有效體積彈性模量的影響很小[5-6]。文獻[7]試驗給出0～30 MPa之間的工作壓力下46號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)

液壓啟閉機最后一次操作時溫度約20 ℃，無桿腔壓力4.03 MPa，由公式(4)計算在溫升10 ℃時封閉腔內對應的壓力：

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號抗磨液壓油有效體積彈性模量均值,MPa；5×10-4為對應的液壓油體積膨脹系數,/℃。

對應無桿腔推力：

(6)

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

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號抗磨液壓油有效體積彈性模量均值,MPa。

對應有桿腔推力：

=508.9 kN

(8)

綜合公式(6)、(8)得無桿腔實際推力：

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

(9)

圖5 機架螺栓分部及受力分析簡圖 單位：mm

下游側單個螺栓受力：

=205.9 kN

(10)

上游側單個螺栓受力：

=127.9 kN

(11)

地腳螺栓規格為M30，材質為Q235，屈服極限為225 MPa。

下游側單個螺栓截面應力：

σx?σs=225 MPa

(12)

公式(12)中:26.211為螺栓M30粗牙螺紋小徑，mm。

下游側螺栓截面應力遠大于螺栓材質屈服極限，螺栓發生塑性變形進而拉斷失效。上游側地腳螺栓因無法獨立承擔相應荷載也很快失效。部分機架基礎因局部承壓應力超過設計值也發生潰退、上拱。

目前電站運營方已根據原因分析，對機架結構進行了修復和檢驗，重新配制了機架螺栓，并對基礎進行了局部鑿除和重新澆筑處理，經驗收合格后該液壓啟閉機已正常投入使用。

3 運維建議

液壓啟閉機常被設計用于操作工作閘門進行洪水宣泄，擔負著保證大壩安全的重要職責。由于水電站工作特點，工作閘門雖然運行次數少，但操作可靠性要求極高，否則將可能釀成災難性后果。液壓啟閉機在水電水利行業應用比較晚，設備標準化程度較低，設計、制造、安裝以及運營的規范性仍然有很大發展空間[8-11]。 現場運行維護人員作為保證液壓啟閉機安全運行最后環節必須緊跟技術進步，提高運維、操作、管理規范化水平。具體建議如下：

(1) 詳細制定并嚴格執行運行維護手冊，堅決杜絕違規操作，特別是防止一些短期內看似有效、實則存在重大安全隱患的“土辦法”。 如案例中所述手動關閉油缸上下腔入口處截止閥雖然短時能抑制弧門反彈，但卻是引發液壓啟閉機螺栓及基礎破壞的直接原因。

(2) 結合設備本身特點及機械設備服役性能變化規律，動態開展設備安全性評價。特別是一些大中型老舊電站，對液壓啟閉機進行現行標準下定期安全評價，必要時對存在安全隱患的設備進行升級改造，確保設備服役期運行安全、可靠。

(3) 視情維護和定期維護相結合，強化液壓啟閉機運行狀態監測及健康管理。定期監測掌握設備規律性，視情維護解決重點、突發故障。關注環境條件變化對液壓啟閉機運行可能產生的影響，增強故障隱患排查力度。

(4) 增強設備整體安全觀，既關注重要設備、明顯部位服役性能變化，也應關注次要部件、隱蔽部位的變化。

4 結 語

封閉腔體油壓會受溫度影響，壓力變化的同時引起油液有效體積彈性模量動態變化。取一定溫度變化范圍內膨脹系數和彈性模量值，計算了封閉腔體油液溫度變化引起的缸內壓力變化值。依據液壓啟閉機機架螺栓分布，計算出各部位螺栓實際受力情況。從而揭示了該液壓啟閉機機架螺栓破壞的機理。結合案例分析及事故調查經驗，給出了液壓啟閉機運行狀態監測及健康管理建議。