顶盖螺栓轴力监测装置在柘林水电厂机组上的应用

刘政LIU Zheng

（国网江西省电力有限公司，九江 332000）

0 引言

水轮机顶盖是水轮机的重要组成部分，主要作用是保护水轮机内部部件，同时也能够调节水轮机的出力和水流的流向。顶盖通常由铸铁或钢板制成，具有较高的强度和耐磨性。但由于长期受到水流冲击和磨损的影响，顶盖表面会出现不同程度的磨损和腐蚀，导致水轮机的运行效率下降和安全性降低。

顶盖通过螺栓与固定导叶上端面固定，其强度以及松紧程度决定着顶盖是否可以可靠地工作。当发生顶盖螺栓断裂导致顶盖松动时，小则出现顶盖漏水；大则导致水流过大而水淹厂房。加强顶盖螺栓的状态监测对于当前水轮机组而言尤为重要。

柘林水电厂原设计总装机容量180MW（4×45MW），最大出力55.9MW，多年平均发电量6.3 亿kW·h，年利用小时3500h。于2002 年扩建完成2×120MW 机组，本电站最终总装机容量为420MW，上述各项发电指标也有相应的改变。

1 螺栓轴向力监测原理

螺栓是水轮发电机组顶盖上经常使用的紧固件，其紧固力度和强度对于机械设备的安全运行至关重要。所以对于顶盖螺栓的轴向力进行准确的测量是非常重要的。当今超声波（Ultrasonic）测量技术是一种非常可靠和有效的测量方法，可以用于测量螺栓的轴力。

超声探头发射超声波的原理是利用压电材料的压电效应。压电材料在受到外界电场的作用下，会产生机械应变。当外界电场频率与材料的固有频率相等时，压电材料会产生共振，从而使其产生较大的机械振动。超声探头中的压电晶体就是利用这个特性，当通过晶体施加高频电压时，晶体发生振动，从而产生超声波。

接收原理：

超声探头接收超声波信号的原理是利用压电材料的压电效应的逆过程。当超声波通过探头时，会使探头中的压电晶体振动，产生电荷。这些电荷会经过放大和滤波等电路处理后，最终转化为可视化的图像。压电晶体的振动会导致探头上的传感器发生变化，产生电信号，这个信号就是通过超声波在人体组织中传播并反射回来的信号。

超声波测量原理见图1。

超声波测量螺栓轴力的原理是利用超声波在物质中传播的速度与物质的密度和弹性模量有关的特性。当超声波通过螺栓时，会受到螺栓的弹性变形的影响，从而导致超声波传播速度的变化。通过测量超声波传播速度的变化，可以计算出螺栓的轴向应力。

超声波传感器特点及相关技术参数[6]：超声波外形图见图2。

特点：

①支持一路模拟量/二路开关量输出；

②适合于所有不透气的材料；

③无需人工调整校准；

④200K 超声波对射；

⑤0.05m/s 反应时间；

⑥检测范围6mm，检测精度0.05mm；

⑦自带偏移量显示。

技术参数：

跟踪方式：对边追踪；

电源输入：DC24V；

输出信号：0～5V/双路开关量信号；

检测范围：6mm（或者±3mm）；

检测精度：±0.05mm。

超声波测量螺栓轴力的实施方法如下：

步骤1：螺栓端面贴装超声传感器区域打磨；

步骤2：超声传感器贴装前，找信号最佳点（允许偏心）；

步骤3：超声传感器粘接，使用工装；

注意：贴片式超声传感器贴装时初步固化时间30min左右，完全固化要求8 小时以上，固化过程中切勿触碰探头，温度过低。固化后需要做信号采集预测试，验证信号灵敏度。

步骤4：胶水固化后信号复查（便携式仪器）；

步骤5：加装防护罩壳，如图3 所示。

图3 安装图

①防护罩密封槽打密封胶后，将防护罩套在螺帽外，底面胶水贴合底部，周围均匀三点用少许结构胶固定防止振动脱落。

②磁吸式吸附触头用探头线连接防护罩接口，将磁吸式吸附触头置于超声传感器上方并吸附在螺栓T 面，保证磁吸式吸附触头的锥形顶针与超声传感器中间圆形触点完全接触良好后，用仪器测试信号灵敏度，若超声回波灵敏度足够，吸附触头和螺栓接触面周边打上密封防水胶。

③所有测试检查完成后封装防护罩，防护罩盖子连接处打上防松胶。

④待玻璃胶固化后（预计用时3 小时），并且整个机组所有检修维护工作结束后，将线缆连接到主监控柜内。

2 螺栓轴向力监测系统构成

螺栓轴向力监测系统包括螺栓监测数据采集单元、螺栓监测与诊断系统等。数据采集单元通过传感器采集并分析得到顶盖-座环螺栓轴力数据，通过光纤通信将数据传输到电站机房的数据服务器存储，结合机组的工况数据和状态监测数据可以进一步诊断。采集单元配置1 套超声波测力仪器、工业电脑、显示屏、光电信号转换装置等。

安装方式：当法兰系统某颗螺栓断裂后，附近螺栓的应力将会产生相应的变化，因此，从技术原理和经济性上考虑，固定部件螺栓没有必要全部监测。系统将根据设备设计机理和现场临时测试，确定最终合理的测点数量和布置方位。螺栓测力柜安装在水车室内壁或外壁合适位置（如图4）。

图4 顶盖一座环螺栓测点布置图

3 螺栓轴向力监测诊断系统

智能机组诊断系统采用云+边的系统架构，云侧私有化、集群化，边侧边缘化、单机化，可以实现边缘、机旁、集群等多模式灵活部署。系统可以提供机组级诊断系统，作为智慧电站平台的子系统，向上提供实时数据和诊断结论。也可以直接将智能诊断系统作为站级平台，集成其他专业人员的专业分析系统。

系统具有较强的扩展能力，提供标准的RestfulAPI、Webservice 等接口，支持各种定制通讯协议和通信模式，可快速集成各类专业化的智能监测诊断产品的分析能力，为现场提供集成化、专业化的全面机组诊断和运行服务。

系统基于互联网经典体系框架设计，以“国家信息系统安全等保二级”要求为基准，设计和实现了系统的信息安全体系全面解决方案，确保满足国家电力二次系统安全防护要求。

诊断系统以状态评估和故障诊断模型为核心来构建功能布局，这是与其他信息系统的本质区别。

4 可视化系统数据展示

系统提供机组稳定性、温度概览等数据，以及各功能部套下的关键测点实时查看功能。每个数据查看功能以独立页面形式开发，便于用户多监视器对关注部件实时监盘。实时数据展示和查看需要数据支撑，具体展示内容根据接入数据范围调整。

诊断模型覆盖了水电机组典型的故障，以APP 形式部署。诊断报告包括故障信息、诊断依据、故障原因、建议措施、类似案例等。系统支持操作人员进行忽略、确认、填写真实原因和措施等操作，归档后形成新的案例库。操作人员可以定制方案，按需选用模块以及智能化精细程度，定制个性化机组智能诊断系统。（如图5）。

图5 故障诊断模块示意图

柘林智慧机组设置了顶盖螺栓功能模块，具体如表1所示。

表1 柘林电厂螺栓轴向力监测故障诊断模块

5 总结

超声波测量螺栓轴力的优点是非常明显的。首先，它是一种非接触式的测量方法，不会对螺栓造成任何损伤。其次，它可以在不拆卸螺栓的情况下进行测量，非常方便。最后，它的测量精度非常高，可以达到很高的精度要求。

建立水轮机顶盖螺栓轴力状态评估系统能够有效地防止机组顶盖螺栓松动、断裂等而导致水淹厂房，避免了事故的扩大化。实时在线监测系统可将事故防患于未然，极大地保证了柘林水电厂的机组安全可靠运行。