泗阳站4#上机架镜板电蚀现象分析

摘 要：该文旨在探讨水利工程中上机架镜板电蚀现象的成因及解决方案，以提升水利工程的安全性和运行效能。通过对镜板电蚀现象的机理分析，明确溶解腐蚀、电化学腐蚀和结构等因素综合导致电蚀现象的发生。研究方法包括现场实测、材料特性分析和电化学原理探讨，对泗阳站4#机组镜板进行深入研究。结果显示，电蚀现象会导致镜板表面受损，增加安全隐患，加重经济负担，并缩短使用寿命。为改善这种情况，该文采用针对性的解决措施，如选用抗蚀材料替换原有镜板材质，设计专门的镜板吊装翻转流程，采用研磨台精细化研磨处理，以及制定严格的定期维护和检查制度。经过这些技术改造与维护策略的实施，泗阳站4#机组的镜板电蚀现象得到有效控制，提高镜板工作面的质量要求，确保镜板与推力头间绝缘电阻值高于40 MΩ，导轴瓦与瓦背间电阻值高于50 MΩ，并符合设计粗糙度要求。综合来看，该研究提出的解决方案为类似水利工程中镜板电蚀问题的防治提供有价值的参考案例。

关键词：镜板电蚀；上机架；抗蚀材料；研磨技术；水利工程；安全运行

中图分类号：TV734 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）29-0118-04

Abstract： The purpose of this paper is to explore the causes and solutions of the electric erosion of the upper frame mirror plate in the water conservancy project， so as to improve the safety and operation efficiency of the water conservancy project. Through the analysis of the mechanism of electric erosion of mirror plate， it is clear that dissolution corrosion， electrochemical corrosion and structural factors lead to the occurrence of electric erosion. The research methods include field measurement， analysis of material characteristics and discussion of electrochemical principle， and an in-depth study on the mirror plate of Siyang station is carried out. The results show that electric erosion will lead to damage to the surface of the mirror plate， increase the hidden danger of safety， increase the economic burden， and shorten the service life. In order to improve this situation， this paper adopts targeted measures， such as selecting anti-corrosion materials to replace the original mirror plate material， designing a special mirror plate hoisting and flipping process， using a grinding table for fine grinding treatment， and establishing a strict regular maintenance and inspection system. After the implementation of these technical transformation and maintenance strategies， the electric erosion of the mirror plate of the Guang unit in Siyang Station has been effectively controlled， the quality requirements of the mirror plate working face have been improved， and the insulation resistance between the mirror plate and the thrust head is higher than 40 MΩ. The resistance between the guide bush and the back of the bush is higher than 50 MΩ， and meets the design roughness requirements. Generally speaking， the solution proposed in this study provides a valuable reference case for the prevention and control of mirror plate erosion in similar water conservancy projects.

Keywords： electric erosion of mirror plate; upper rack; corrosion resistant materials; grinding technology; hydraulic engineering; safe operation

在水利工程中，导流结构扮演着核心角色，其对水流的有效引导与控制至关重要。然而，上机架镜板时常会遭遇电蚀问题，这一现象不仅对导流结构自身的稳定性与安全性构成威胁，进而影响整个水电站机组的正常运行效能，同时也导致维护成本的显著增加。因此，对水利设施中上机架镜板电蚀现象处理技术的研究，无疑具有极其重大的现实意义与实用价值。

1 电蚀现象的机理分析

电蚀是一种由电化学作用引发的金属表面腐蚀现象，其内在机制包含电化学反应和相关的物理过程。在水利工程中，导流镜板由于特定工况下的多种因素，尤其易于遭受电蚀损害。电蚀的发生可归因于以下几种主要机理。

1.1 溶解腐蚀

在具备电化学条件的环境中，金属表面的原子会释放电子转化为离子而溶解在溶液中，这种持续的表面溶解过程会导致金属材质渐进性损耗。在水利工程的实际应用中，水体中的溶解氧含量、离子浓度以及pH等多种参数均会对溶解腐蚀速率产生直接影响。

1.2 电化学腐蚀

当同一金属的不同部位暴露于不同的电位区时，会在金属表面形成阳极和阴极区。在这2个区域内，伴随电子转移和化学反应的进行，将诱发微电池效应，产生局部电流，进而加速金属表面的电化学腐蚀过程。在水利工程设备中，未及时监测和调控的电位差异是诱发此类腐蚀的关键因素之一。

综合上述机理，水利工程中导流结构下端的电蚀现象往往是溶解腐蚀与电化学腐蚀等多种因素相互耦合的结果。以泗阳站4#机组为例，从整体立式大型水泵机组的结构剖析（图1），长期运行导致的磨损、安装角度偏差[1]以及其他可能的机械应力等因素，可能导致镜板表面形态改变或选用材料的耐蚀性能不足，这些综合性因素共同促成了电蚀问题的发生。

2 泗阳站4#机组镜板电蚀现象

2.1 下机架

下机架为辐射式十字形结构，中间为下油槽，槽内装有4块下导轴瓦，与电机轴上的滑转子接触，导轴瓦由瓦架及抗重螺丝支承，背面及上下面均有绝缘板承托，以防轴电流引出。800 kW电动机的下机架安装在定子下端面的内侧，800 kW以上电动机的下机架装在定子下端面的下面。镜板就是在下机架的位置。具体结构如图2所示。

2.2 电蚀现象的原因技术分析

江苏省泗阳闸站管理所坐落于江苏省泗阳县县城（众兴镇）东南约3 km处的中运河输水线上，毗邻泗阳船闸，担负着泗阳第一抽水站、泗阳第二抽水站、泗阳节制闸3座大型水利工程的管理、运行任务，是淮北地区一座重要的水利枢纽工程。泗阳一站是南水北调东线一期工程的第四梯级抽水泵站，同时与泗阳二站共同组成江苏省江水北调第四梯级、淮水北调第一梯级提水泵站泗阳枢纽。

镜板设计参数如下：其外环直径达230 cm，内环直径则为138 cm，其间丝孔的中心距设定为180 cm，而丝孔本身的直径规格为6.5 cm。为此，拟采用绝缘垫片对其进行适应性裁剪，确保垫片长度能覆盖镜板内外环半径差，并保持约10～15 cm的适宜宽度，将其环绕置于镜板架上，其间预留适当的间隙以保证运作空间。

针对泗阳站机组长期运行过程中镜板出现的电侵蚀问题，通过对其位置特性和工作原理的深入分析，提出了以下几项可能的原因：①电化学作用。镜板表面可能发生氧化还原电化学反应，导致电化学腐蚀现象加剧，从而引发了严重的电蚀问题。②材料选型考量。若镜板材料选择不当，其抗电蚀性能可能不足，从而加剧了电蚀现象的发展。③结构变形因素。镜板表面的变形可能源自制造工艺缺陷或安装前处理不到位。特别是，若使用的绝缘垫片表面平整度欠佳，尤其是在经历多次加工后的垫片，其不规则表面在镜板与推力头之间安装并通过螺栓紧固后，可能导致镜板发生额外变形。推力瓦面受力不均衡，高度位置偏差，使得镜板在其上旋转时，测得的摆动轨迹呈现梅花状分布，这种情况亦能触发电侵蚀现象的发生。

2.3 镜板电蚀现象的危害

1）安全风险放大：镜板电蚀状况所引发的表面损毁，对于水利工程的正常运维构成了潜在威胁，严重时甚至可能导致工程结构受损，危及公众的生命财产安全。

2）经济效益折损：面对镜板出现的电蚀现象，若未能及时采取修复或替换措施，则不仅将消耗大量人力、物力和财力资源，同时还将妨碍水利工程设施的正常使用效率，由此造成的经济损失不容忽视。具体表现为泗阳站所发生的电蚀实例，如图3所示。

3）服役寿命减缩：电蚀现象对镜板表面产生的侵害不仅局限于即时的损伤，更会加速其自然磨损和老化进程。鉴于镜板表层材料常具有一定的脆性，一旦受制于电蚀作用，其原有的防护层极易遭到破坏，从而使镜板对外界环境侵蚀和损害的抵抗力显著下降。这不仅削弱了镜板的预期功能表现，更大幅度缩减了其有效使用寿命。极端情况下，电蚀可能致使镜板在较短的时间内即告报废，从而迫使频繁地更换操作，进一步加重了维护成本和运营成本负担。泗阳站镜板电蚀现象的具体案例展示，如图3所示。

3 泗阳站4#机组镜板电蚀现象的解决方案探讨与实践

3.1 镜板处理步骤

镜板处理步骤需要分为2步：吊出镜板和镜板翻身。

第一步，吊出镜板步骤如下：①抽出镜板上的绝缘板；②使用2颗连接推力头与镜板之间的连接螺栓，分别安装在镜板外圈相对的2个方向，并旋紧（外圈共有4个丝孔），用一根吊带，先连接在其中一个螺栓上，并挂于行车主钩，由于镜板和推力瓦之间有油膜，黏着吸附力较强，所以先从一个点起吊，吊起一些间隙后，使用1 cm厚的耐油橡胶垫塞入镜板与推力瓦间隙中，放下主钩，将另一端的螺栓上也安装吊带，挂在主钩上，缓慢吊起整个镜板。

第二步，镜板翻身步骤如下：①先将主钩和副钩同时落下，用一根吊带从镜板一侧中间的底部穿过（2颗螺栓将镜板分为2个半圆，任选一个半圆的中间部位即可），再绕过来从其上部穿过，打一个结，使吊带紧扣在镜板上，将吊带穿出的一头挂在副钩上。②缓慢抬升副钩，直至吊带拉直，再继续向上拉，使镜板从水平变成垂直，点动副钩（由于主钩的吊带拉在2颗螺栓上，防止副钩拉动镜板，导致主钩上的吊带不受力，而松动脱落），直至镜板大约接近垂直于地面时，放下副钩，由于主钩挂的2根吊带紧紧拉在螺栓的根部，与镜板外圈相接，摩擦力很大，所以放下副钩也不会导致镜板转回水平位置。③拆掉镜板上端的吊带，使用同样的方法将吊带挂在镜板底部，并拉紧，用副钩缓慢拉升，将镜板的底部拉过最低点，并再次上提，从而使镜板另一面翻上来，直至拉至镜板处于水平位置，再降下副钩，取下吊带。④将镜板吊运至镜板研磨台上。

3.2 改善方法

通过对原因的分析，可以采用相应对策处理可能存在的问题。

3.2.1 采用研磨台研磨镜板

镜板作为高精度、高表面质量的关键部件，其在运输存储过程中极易因微小不慎而出现锈斑等问题。因此，在安装前，镜板需经过严格的研磨抛光工序以确保其性能。

通常，安装部门配备自行设计的研磨设备，如图4所示。该设备主体为钢结构的方形工作台，底部安装有一台功率为1 kW的异步电动机，通过变速箱变速后，输出轴转速可达31 r/min，驱动轴顶端的横担组件。横担两端固定有铸铁圆盘，圆盘外包覆有海军呢或毛毡，在镜板表面转动研磨。研磨过程中，需适时使用排笔添加研磨膏以辅助润滑和磨光。研磨膏通常是由粒度不低于400号的研磨粉与透平油调配而成。若研磨除锈较为困难时，可在研磨膏中适量加入2%的盐酸助剂以加快锈蚀去除速度。锈蚀清除后，镜板需进一步清洗，并使用普通研磨膏再进行一轮研磨处理。镜板表面锈蚀严重，易形成大面积锈斑并破坏金属表面的情况，若抛光机研磨无法达到要求，可考虑在当地寻找磨床进行精细研磨；若条件不具备，应及时送回制造厂家进行重新加工，以免延误工程进度。

针对泗阳主机泵转环的研磨需求，鉴于其外径达2.3 m，内径1.4 m，重量高达1.7 t，因此需要定制专用研磨工具。研磨平台采用了2.8 kW减速齿轮电动机作为动力源，并将其安装在台座下方，通过中央向上伸出的传动轴提供动力。在研磨转环时，磨头上包裹毛呢绒布，转环下部衬垫羊毛毡，并采用研磨膏混合46#透平油的方式进行细致研磨作业[3]。

3.2.2 使用标准注意事项

在零件处理过程中，应严格禁止对加工面进行敲击或造成任何物理损伤，若发现有损坏情况，务必立即执行修复操作。经清洗后的零部件应按类别妥善存放，对于精密加工面如镜板面等，应在清洁干燥后涂抹防锈油，并覆以毛毡加以保护；其余零部件则宜采用洁净木板或橡胶垫作为支撑，以防接触碰撞而受损，上方应覆盖布料或毛巾，以防止尘埃杂质入侵；对于体积较大的零部件，应使用木方或其他支撑物垫妥，确保不会压损零部件加工面或下方地面。

3.2.3 材料选用原则

选取具有优良抗蚀性能的金属材料是减轻电蚀影响的关键策略之一。例如不锈钢和铝合金等材料因其出色的抗蚀性能，能在很大程度上降低电蚀现象的发生强度，从而有效提高工件的耐久性能。

3.2.4 定期维护及其重要性

定期维护是确保水利工程安全稳定运行的核心环节之一。在水利工程大修作业中，对镜板的定期维护显得尤为重要，应密切关注并及时处置镜板表面可能出现的电蚀问题，以防止潜在的安全事故。具体措施包括：①制定并执行定期检查制度，对镜板进行周期性检查，发现问题时迅速采取措施。②发现镜板表面出现电蚀迹象时，应第一时间进行修复或必要时进行更换，以保障水利工程设施的安全运行。③建立完善的镜板维护记录管理体系，详细记录每次维护过程和发现的问题，为今后的维护工作提供科学依据。

3.2.5 利用模拟与仿真技术优化解决方案

采用模拟与仿真技术手段，有助于深入理解和有效优化对电蚀问题的解决方案。通过构建电蚀现象的数值模型，可以在不同材料类型、电解液成分和加工参数的虚拟环境下模拟电蚀过程，从而为实际生产中电蚀防治方案的选择和改进提供有力支持。另外，借助计算机辅助设计软件，可以迅速评估各类防护涂层和表面处理方案的实效性，为工程技术人员的设计决策提供量化参考依据。

4 泗阳站4# 立式机组镜板整改处理评价

泗阳站的镜板电蚀现象的解决不仅仅是一项技术问题，更是一项综合性工程。此次通过优化材料、采用研磨台研磨镜板、定期维护等措施，可以有效解决镜板电蚀现象，保障水利工程的安全运行。符合立式机组镜板工作面的检修工艺和质量要求，标准见表1所示的镜板工作面的检修工艺和质量要求。

整改并符合镜板与推力头之间绝缘电阻值应在40 MΩ以上，导轴瓦与瓦背之间绝缘电阻值应在50 MΩ以上。镜板工作面无伤痕和锈蚀，粗糙度应符合设计要求。综上，此次整改经验为所有镜板出现电侵蚀现象提供方案。

5 结束语

泗阳站4#机组的水利工程大修中镜板电蚀现象的解决是一个综合性工程，需要材料选用以及定期维护等多个方面综合考虑，采取综合措施，确保水利工程的安全运行。综合以上措施的应用，可以有效降低电蚀对工件的影响，提高加工质量和效率，延长工件的使用寿命。在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的解决措施，并进行适当调整和优化，以达到最佳的效果。

当前，我国水利工程大修中镜板电蚀现象的解决已取得一定成效，但也面临着一些挑战，如施工难度大等。尽管已经提出了一系列具体的解决措施，但电蚀问题的解决仍然面临着一些挑战和限制。例如，不同材料和工艺条件下的电蚀机理可能存在差异，需要进一步深入研究。此外，随着科学技术的不断进步，新的材料和加工工艺也会不断涌现，电蚀问题的解决方案也需要不断地更新和优化。

未来，可以通过加强科技研发，推动新材料、新工艺的应用，提高水利工程抗蚀性能，进一步保障水利工程的安全稳定运行，促进我国水利事业的发展。同时，还需要加强水利工程管理部门、设计单位、施工单位和社会公众的协作，共同维护水利工程的安全，为经济社会的发展提供可靠的水利保障。

参考文献：

[1] 廖姣，刘彬.采用镜板泵的水电机组推力轴承油循环系统的流动特性研究[J].四川水力发电，2022，41（5）：123-128.

[2] 张衡，李江涛，卢宝江.可逆式水轮发电机组镜板形貌视觉测量方法研究[J].微型电脑应用，2022，38（8）：39-42.

[3] 杨庆文，梁智昆，王秀然，等.抽水蓄能电站镜板下端轴一体式机组下机架预装工艺研究[Z].中国水利水电第十四工程局有限公司，2022-07-21.