水工金属结构设备实时在线监测系统运用及智能管控研究

李 林

(国电大渡河流域水电开发有限公司，四川成都610000)

1 水工金属结构设备的重要性及实时在线监测的必要性

水工金属结构设备通常包括闸门、启闭机、引水压力钢管、钢岔管、机组蜗壳等，是水电站重要设备和设施，承担着水电站泄洪、发电引水、农田灌溉等重要功能，一旦出现故障或事故，将对水电站发电效益和下游人民群众的生命财产安全造成严重后果。

国内外水工金属结构失事案例较多[1-3]。文献[1]统计了部分国内外闸门的典型事故，对1941年～1999年期间发生在国外的28起弧形闸门事故，1958年～1989年期间发生在国内的43起平面闸门事故进行了事故描述和原因分析。文献[1]收集了国内外闸门(或阀)事故实例70余则，介绍了事故发生的经过，对事故发生原因及其处理措施作了深入的分析和评述。文献[2]收集了大量苏联国内及部分国外的水工金属结构事故实例，不仅详细地描述了事故发生前后的情况，而且对事故发生的原因进行了深入的分析。文献[3]统计了15起轻型弧形钢闸门事故破坏的状况及原因。

因此水工金属结构设备非常有必要进行实时在线监测，通过布置在设备上的传感器，实时监测设备的运行状态，当设备运行状态异常时进行预警和报警，避免初期故障和事故的发生，确保设备的运行安全。

近期，国家能源集团国电大渡河公司在大岗山水电站实施了国内首批闸门实时在线监测系统，并开展了闸门智能管控实施研究，填补了国内水工金属结构实时在线监测领域的空白。同时，考虑到水工金属结构设备的重要性，对水工金属结构设备系统化地实施实时在线监测运用的行业标准和管理进行了深入的研究和构思。

2 水工金属结构在线监测系统研究

现阶段，水电站水工金属结构设备常规检修手段为日常巡检、定期检查和专项安全评估检测。这种常规检修手段对设备的健康运行起了很大作用，但仍存在以下缺点和不足：①视听判断、根据经验简单检测；②工作量大、效率低；③难以检测、无法检测；④检测工作实施时安全风险大、相对辛苦；⑤受人的情绪影响，也受人的能力有所局限，有漏检误判的风险。

水工金属结构实时在线监测研究的目的，是为研究水工金属结构失效的内在原因，对水工金属结构的关键参数进行实时监测，进而建立起完整的水工金属结构实时在线监测的安全评价体系。据相关文献统计，水工金属结构设备失事破坏的主要形式有强度破坏、振动破坏、动力失稳、结构变形、主要部件失效等。对于闸门、启闭机、引水压力钢管、钢岔管、机组蜗壳等不同类型的水工金属结构设备，其失事破坏的主要原因各不相同，监测系统的关键参数需涵盖主要故障源。

2.1 闸门实时在线监测关键参数

闸门事故原因主要有4个方面：流激振动破坏、闸门超标准运行、关键部件(如支铰、定轮、链轮)失效、制造安装质量及管理事故。由此引发闸门的应力接近屈服强度、结构共振、门叶卡阻、主要部件失效等问题，相应地，闸门实时在线监测的关键参数为：

(1)流激振动监测。监测出特征部位的振动加速度值、位移值、频率值，在振动位移超标和振动频率接近固有频率时能够预警和报警。

(2)应力监测。监测出主梁、支臂、吊耳等关键部位的工作应力值，并根据实测工作应力值解析出静应力值和动应力值，在静应力值和动应力值超标时能够预警和报警。

(3)运行姿态监测。监测出闸门中心线在启闭过程中的运行轨迹，计算出闸门门体到侧轨之间的距离，当间隙超出特定值时能够预警和报警。

(4)关键部件工作状态监测。监测出弧门支铰、定轮门定轮和链轮门链轮等关键部位的运行状态，在运行状态异常时(支铰轴承抱死、定轮不旋转等)能够预警和报警。

2.2 启闭机实时在线监测关键参数

启闭机在各种工况条件下运行，出现各类微观缺陷和不稳定的动态响应，包括疲劳、磨损、变形、制动器故障、减速器故障、钢丝绳故障、保护盘跳电、变频器故障及车轮与轨道故障等。相应地，启闭机实时在线监测的关键参数为：

(1)主要构件工作应力实时在线监测。监测出主梁、卷筒轴承座支撑梁等部位的工作应力值，在工作应力值超标时能够预警和报警。

(2)起升机构的状态监测和故障诊断。起升机构为典型的旋转机械，状态监测和故障诊断适用于旋转机械的振动频谱分析法。起升机构的制造、安装误差和运行工况是振动的激励源。振动诊断技术是利用正常机构的动态性(如固有频率、振型、传递函数等)与异常机构动态特性的不同，来判断机构是否存在故障的技术。起升机构故障诊断可诊断的故障类型有：安装基础不良(基础松动、基础焊缝开裂)、轴系不对中、转动部件不平衡、齿轮故障、滚动轴承故障、机械配合不良、共振等。

(3)卷筒、制动器轴向窜动监测。监测制动盘和卷筒在旋转过程中出现的最大摆动量(端面跳动量)，当制动盘和卷筒旋转摆动量(端面跳动量)超过设定的阈值，给出报警信号。

(4)钢丝绳断丝和截面积损失监测。钢丝绳缺陷检测传感器为一体式套筒结构，钢丝绳运行时从套筒内非接触通过，传感器(见图1)内部分为激励和信号采集两部分，采用电磁或永磁激励，通过测量磁通量的变化量或漏磁量大小，计算出钢丝绳磨损和截面积减少。钢丝绳缺陷检测传感器采集钢丝绳磨损、断丝、缩径等数据(见图2)，分析和诊断钢丝绳的安全性。当出现磨损量增大、断丝、缩径比例增大等异常时，报警并提供异常报警原因。

图1 钢丝绳缺陷检测传感器

图2 钢丝绳断丝信号

2.3 引水压力钢管、钢岔管、机组蜗壳实时在线监测关键参数

引水压力钢管、钢岔管、机组蜗壳事故原因主要有：焊缝或板材内部微小缺陷扩展导致的开裂或渗漏、内水或外水压力导致的失稳、高速含沙水流导致的管壁磨损、腐蚀导致管壁厚度减薄，由此引发引水压力钢管、钢岔管、机组蜗壳承载能力降低、渗漏、开裂、失稳等问题。相应地，引水压力钢管、钢岔管、机组蜗壳实时在线监测的关键参数为：

(1)缺陷扩展监测。内部微缺陷在外力或内力作用下产生扩展时，会以弹性波的形式释放应变能，弹性波在弹性介质中的传播现象即为声发射现象。采用声发射检测传感器可以监测出缺陷扩展的信号(见图3)，当监测发现缺陷扩展信号、萌生裂纹、渗流等异常时，给出报警信号。

图3 声发射断铅试验(模拟缺陷扩展的信号)

(2)应力监测。通过布置应变传感器测点，采集压力钢管、钢岔管及蜗壳主要受力部位的工作应力数据，分析压力钢管、钢岔管及蜗壳结构强度的安全性。当测试数据超限时，应报警并提供异常报警原因。

(3)结构振动。通过布置加速度传感器测点，采集压力钢管、钢岔管及蜗壳运行状态的动态响应数据，分析和判断压力钢管、钢岔管及蜗壳运行的稳定性。当管壁出现振动幅值、动应力值增大等异常时，报警并提供异常报警原因。

(4)管壁厚度监测。采用电涡流或超声波传感器，测量某几个典型部位的钢板厚度，当壁厚减薄至一定数值或比例时，给出报警信号。

在这里需要特别说明的是，采用什么监测方法，运用什么原理，或者选择哪些传感器，都不是唯一的，完全不必拘泥于文中提到的监测方法。随着技术的发展，各类传感器的升级换代，或创新方法和原理的应用，一定会找到更加先进、更加科学的监测方法，使得数据检测更加方便、更加真实、更加精准。同时，其他行业或专业成熟的监测方法和技术，也值得学习和借鉴。

3 水工金属结构实时在线监测标准体系的研究

目前，水工金属结构设备的实时在线监测系统尚无国家标准、行业标准或地方标准，国电大渡河流域水电开发有限公司已牵头开始着手NB/T类行业标准的编制工作。该行业标准申报名称为《水电工程金属结构设备状态在线监测系统技术条件》(以下简称“在编标准”)。该在编标准将以规范水电站工作闸门、启闭机设备及压力钢管等大型结构，传动机构的状态实时在线监测技术条件和状态评定技术为原则，采用已在工程实际中应用的实时在线监测新技术、新工艺、新材料及常规、通用、成熟的技术知识，并参考国内外相关行业领域的技术要求，使得该在编标准能够作为水电站工作闸门、启闭机及压力钢管状态实时在线监测系统的设计、制造、安装和维护的技术要求。

在编标准的主要创新点有：①首次系统性地提出了水工金属结构实时在线监测的技术方法和安全评价体系。②全面总结了水工金属结构设备事故的主要原因，科学设置了各种水工金属结构实时在线监测的主要功能模块。③系统研究了现有标准、规程，科学设置了各种监测参数的评价标准，为监测决策提供理论依据。④在统一的监测标准体系之下，为建立金结设备行业大数据管控平台、打造业界先进的数据库打下基础。

4 水工金属结构在线监测技术在大岗山水电站的运用

大岗山闸门实时在线监测系统综合了结构实时应力监测、振动模态监测、运行姿态监测和支铰轴承故障监测等功能模块，监测界面见图4。

图4 监测界面

图4左侧显示的为应力值，中间上部为测点示例图，中间下部为支铰轴承声发射监测值，右侧上半部分为流激振动监测值，右侧下部分为闸门运行姿态和支铰轴转动监测值。

大岗山闸门实时在线监测系统的“频率扫描法”识别水工金属结构自振频率和声振技术监测支铰轴承故障属国内首创技术，对破解国内水电工程金属结构设备状态在线监测领域难题具有较大推进作用。

4.1 “频率扫描法”识别水工金属结构自振频率技术[5]

采用带偏心质量块的变频电机在设备特征部位实施激振，激振频率从0逐步升高至200 Hz，识别出闸门的共振点，为科学设定闸门振动监测阈值(振动位移值、振动频率值)奠定基础。图5为测试现场，可以测得的振动频率-加速度曲线。

图5 测试现场

表1为弧形闸门在流激振动条件下的动态响应测试数据。可以看出，当闸门振动响应频率低于40 Hz、且位移小于0.09 mm时，闸门的振动响应处于安全范围。当闸门振动响应频率接近40 Hz时，应有二级报警提示；当响应频率接近50 Hz时，闸门受泄流引起的振动已经具有危害性，应三级报警并采取措施；当闸门响应频率接近52 Hz，就处于严重危害的级别，不允许发生。

表1 激振器激振频率与弧形闸门的动态响应

从测试数据上分析，三级报警距离四级报警的间隔很近，这提示阈值设定的运行软件，一旦出现三级报警，必须采取措施，防止闸门的振动响应出现恶化趋势。

4.2 声振技术监测支铰轴承故障[5-9]

监测滚动轴承(高速)故障的典型手段是使用加速度传感器，这有国际通行的方法和标准。但是，支铰轴承属于低速、重载的滑动轴承，加速度传感器不能准确、定性诊断其故障。加速度传感器和声发射传感器复合在一起，组成声振传感器。声振传感器具有带宽大、灵敏度高等特点，可较为准确地检测出滑动轴承的剥落、裂纹、压痕、腐蚀凹坑和胶合等缺陷，较好地进行故障定性和诊断。图6为典型轴承摩擦的声发射监测信号。

图6 典型轴承摩擦的声发射监测信号

5 水工金属结构实时在线监测的管理研究

水工金属结构实时在线监测对于设备全生命周期管理具有重要的意义，可起到改善设备运行状态、延长设备服役时间、提高设备资产价值等作用。

(1)设备设计选型阶段。在线监测系统数据分析、挖掘必然会对金属结构的设计有所反馈，对于金属结构设备选型和结构优化会起到借鉴和促进作用。根据实时在线监测系统的运行数据和专家分析系统，可以指导设计选型、优化结构形式，对设备的设计选型起到技术支持作用。

(2)设备制造阶段。制造环节常见毛病的多次出现一定会引发在设备制造过程中加强制造方法和工艺的改进，实时在线监测系统可以进行产品质量评价、指导制造工艺改进，对设备制造质量提升起到促进作用。

(3)设备安装调试阶段。安装、调试、验收过程中的原始数据对制定科学、优化的运行方案，建立数学模型、设置监测阈值等具有重要的参照借鉴作用。

(4)设备运行阶段。实时在线监测系统可以实时、准确、全面地掌握设备的运行状态，可识别出设备的健康状态，可以实现真正意义上的无人值班运行。

(5)设备检修阶段。实时在线监测系统可实现设备维修管理从现行的计划检修(TBM)向状态检修(CBM)转变，可提高设备的利用率，减少维修时间，降低维修费用，同时也可压缩备件库存量，减少不必要的浪费、损耗。

(6)设备报废阶段。实时在线监测系统实现可预测设备的使用寿命，可以为设备的报废和重建提供数据支撑。

6 水工金属结构实时在线监测的智能管控思考

利用实时在线监测技术对水工金属结构设备性能、运行特性和健康状态实施全过程跟踪，是一项刚刚起步的技术创新，还需在未来的实践运用中不断完善和改进。因此，还需做好以下3方面的工作：

(1)监测要有的放矢、抓住主要矛盾。监测重点设备的关键部位，而不是遍地开花、眉毛胡子一把抓，造成资源浪费、运行检修复杂，或者造成无效的预警，甚至是错误的预判，即监测什么、在监测哪里、用什么方法、是否值得监测等，都需要有科学的判断和智慧的考量；同时，水工金属结构设备实时在线监测技术既要体现出每个水电工程的共性，也要满足不同工程、不同部位的特殊性。

(2)整合专业资源、强化管理队伍。推广实施金属结构设备在线监测新技术，需要进行金属结构运行维护的专业培训，强化实时在线监测的技术应用及智能管控队伍建设，并注意整合整个流域的金属结构设备管理资源。不妨将单个电站的大坝金属结构管理资源整合成流域层面的金属结构设备管理中心，培养出一支既能掌握实时在线监测技术应用，也能对设备维护运行实施智能管控的专业队伍。

(3)搭建数据平台、推进行业进步。收集整理金属结构各类经典案例、新技术应用实例，进行在同类工程、同类设备之间的比对，通过案例分析和理论研讨，建立水工金属结构经典案例数据平台；在此基础上，加快水工金属结构实时在线监测技术应用，建立技术应用标准体系，提升金属结构设备智能管控软硬件开发水平，完善设计规程和验收规范等技术文件，推动整个水电行业金属结构设备运行、维护管理的技术进步。