頂蓋螺栓軸力監測裝置在柘林水電廠機組上的應用

劉政LIU Zheng

（國網江西省電力有限公司，九江 332000）

0 引言

水輪機頂蓋是水輪機的重要組成部分，主要作用是保護水輪機內部部件，同時也能夠調節水輪機的出力和水流的流向。頂蓋通常由鑄鐵或鋼板制成，具有較高的強度和耐磨性。但由于長期受到水流沖擊和磨損的影響，頂蓋表面會出現不同程度的磨損和腐蝕，導致水輪機的運行效率下降和安全性降低。

頂蓋通過螺栓與固定導葉上端面固定，其強度以及松緊程度決定著頂蓋是否可以可靠地工作。當發生頂蓋螺栓斷裂導致頂蓋松動時，小則出現頂蓋漏水；大則導致水流過大而水淹廠房。加強頂蓋螺栓的狀態監測對于當前水輪機組而言尤為重要。

柘林水電廠原設計總裝機容量180MW（4×45MW），最大出力55.9MW，多年平均發電量6.3 億kW·h，年利用小時3500h。于2002 年擴建完成2×120MW 機組，本電站最終總裝機容量為420MW，上述各項發電指標也有相應的改變。

1 螺栓軸向力監測原理

螺栓是水輪發電機組頂蓋上經常使用的緊固件，其緊固力度和強度對于機械設備的安全運行至關重要。所以對于頂蓋螺栓的軸向力進行準確的測量是非常重要的。當今超聲波（Ultrasonic）測量技術是一種非常可靠和有效的測量方法，可以用于測量螺栓的軸力。

超聲探頭發射超聲波的原理是利用壓電材料的壓電效應。壓電材料在受到外界電場的作用下，會產生機械應變。當外界電場頻率與材料的固有頻率相等時，壓電材料會產生共振，從而使其產生較大的機械振動。超聲探頭中的壓電晶體就是利用這個特性，當通過晶體施加高頻電壓時，晶體發生振動，從而產生超聲波。

接收原理：

超聲探頭接收超聲波信號的原理是利用壓電材料的壓電效應的逆過程。當超聲波通過探頭時，會使探頭中的壓電晶體振動，產生電荷。這些電荷會經過放大和濾波等電路處理后，最終轉化為可視化的圖像。壓電晶體的振動會導致探頭上的傳感器發生變化，產生電信號，這個信號就是通過超聲波在人體組織中傳播并反射回來的信號。

超聲波測量原理見圖1。

超聲波測量螺栓軸力的原理是利用超聲波在物質中傳播的速度與物質的密度和彈性模量有關的特性。當超聲波通過螺栓時，會受到螺栓的彈性變形的影響，從而導致超聲波傳播速度的變化。通過測量超聲波傳播速度的變化，可以計算出螺栓的軸向應力。

超聲波傳感器特點及相關技術參數[6]：超聲波外形圖見圖2。

特點：

①支持一路模擬量/二路開關量輸出；

②適合于所有不透氣的材料；

③無需人工調整校準；

④200K 超聲波對射；

⑤0.05m/s 反應時間；

⑥檢測范圍6mm，檢測精度0.05mm；

⑦自帶偏移量顯示。

技術參數：

跟蹤方式：對邊追蹤；

電源輸入：DC24V；

輸出信號：0～5V/雙路開關量信號；

檢測范圍：6mm（或者±3mm）；

檢測精度：±0.05mm。

超聲波測量螺栓軸力的實施方法如下：

步驟1：螺栓端面貼裝超聲傳感器區域打磨；

步驟2：超聲傳感器貼裝前，找信號最佳點（允許偏心）；

步驟3：超聲傳感器粘接，使用工裝；

注意：貼片式超聲傳感器貼裝時初步固化時間30min左右，完全固化要求8 小時以上，固化過程中切勿觸碰探頭，溫度過低。固化后需要做信號采集預測試，驗證信號靈敏度。

步驟4：膠水固化后信號復查（便攜式儀器）；

步驟5：加裝防護罩殼，如圖3 所示。

圖3 安裝圖

①防護罩密封槽打密封膠后，將防護罩套在螺帽外，底面膠水貼合底部，周圍均勻三點用少許結構膠固定防止振動脫落。

②磁吸式吸附觸頭用探頭線連接防護罩接口，將磁吸式吸附觸頭置于超聲傳感器上方并吸附在螺栓T 面，保證磁吸式吸附觸頭的錐形頂針與超聲傳感器中間圓形觸點完全接觸良好后，用儀器測試信號靈敏度，若超聲回波靈敏度足夠，吸附觸頭和螺栓接觸面周邊打上密封防水膠。

③所有測試檢查完成后封裝防護罩，防護罩蓋子連接處打上防松膠。

④待玻璃膠固化后（預計用時3 小時），并且整個機組所有檢修維護工作結束后，將線纜連接到主監控柜內。

2 螺栓軸向力監測系統構成

螺栓軸向力監測系統包括螺栓監測數據采集單元、螺栓監測與診斷系統等。數據采集單元通過傳感器采集并分析得到頂蓋-座環螺栓軸力數據，通過光纖通信將數據傳輸到電站機房的數據服務器存儲，結合機組的工況數據和狀態監測數據可以進一步診斷。采集單元配置1 套超聲波測力儀器、工業電腦、顯示屏、光電信號轉換裝置等。

安裝方式：當法蘭系統某顆螺栓斷裂后，附近螺栓的應力將會產生相應的變化，因此，從技術原理和經濟性上考慮，固定部件螺栓沒有必要全部監測。系統將根據設備設計機理和現場臨時測試，確定最終合理的測點數量和布置方位。螺栓測力柜安裝在水車室內壁或外壁合適位置（如圖4）。

圖4 頂蓋一座環螺栓測點布置圖

3 螺栓軸向力監測診斷系統

智能機組診斷系統采用云+邊的系統架構，云側私有化、集群化，邊側邊緣化、單機化，可以實現邊緣、機旁、集群等多模式靈活部署。系統可以提供機組級診斷系統，作為智慧電站平臺的子系統，向上提供實時數據和診斷結論。也可以直接將智能診斷系統作為站級平臺，集成其他專業人員的專業分析系統。

系統具有較強的擴展能力，提供標準的RestfulAPI、Webservice 等接口，支持各種定制通訊協議和通信模式，可快速集成各類專業化的智能監測診斷產品的分析能力，為現場提供集成化、專業化的全面機組診斷和運行服務。

系統基于互聯網經典體系框架設計，以“國家信息系統安全等保二級”要求為基準，設計和實現了系統的信息安全體系全面解決方案，確保滿足國家電力二次系統安全防護要求。

診斷系統以狀態評估和故障診斷模型為核心來構建功能布局，這是與其他信息系統的本質區別。

4 可視化系統數據展示

系統提供機組穩定性、溫度概覽等數據，以及各功能部套下的關鍵測點實時查看功能。每個數據查看功能以獨立頁面形式開發，便于用戶多監視器對關注部件實時監盤。實時數據展示和查看需要數據支撐，具體展示內容根據接入數據范圍調整。

診斷模型覆蓋了水電機組典型的故障，以APP 形式部署。診斷報告包括故障信息、診斷依據、故障原因、建議措施、類似案例等。系統支持操作人員進行忽略、確認、填寫真實原因和措施等操作，歸檔后形成新的案例庫。操作人員可以定制方案，按需選用模塊以及智能化精細程度，定制個性化機組智能診斷系統。（如圖5）。

圖5 故障診斷模塊示意圖

柘林智慧機組設置了頂蓋螺栓功能模塊，具體如表1所示。

表1 柘林電廠螺栓軸向力監測故障診斷模塊

5 總結

超聲波測量螺栓軸力的優點是非常明顯的。首先，它是一種非接觸式的測量方法，不會對螺栓造成任何損傷。其次，它可以在不拆卸螺栓的情況下進行測量，非常方便。最后，它的測量精度非常高，可以達到很高的精度要求。

建立水輪機頂蓋螺栓軸力狀態評估系統能夠有效地防止機組頂蓋螺栓松動、斷裂等而導致水淹廠房，避免了事故的擴大化。實時在線監測系統可將事故防患于未然，極大地保證了柘林水電廠的機組安全可靠運行。