桐柏抽水蓄能电站弹性支撑型推力瓦检测方法研究

蒋池剑，何 秋，严天豪，赵 锋，陈小强

（华东桐柏抽水蓄能发电责任有限公司，浙江省台州市 317200）

0 引言

桐柏抽水蓄能电站推力瓦为单瓦结构[1]，采用弹性支撑型结构。其弹性支撑由弹性球面支柱及弹性托盘组成（简称支撑部件）。该支撑部件其弹性托盘由Z形夹固定在推力瓦上；弹性球面支柱与弹性托盘接触面（点）可发生少量位移；其支撑尺寸无法调整（见图1）[8]。这种结构极为简单，安装方便，但对推力瓦及支撑部件尺寸及性能一致性要求极高，其设计对材料、热处理、加工等均有较为特殊要求。要求机组支撑部件和推力瓦叠加高度差不得高于0.02mm，支撑部件叠加高度差不得高于0.002mm；同时要求弹性球面支柱、弹性托盘材料同炉精炼和同炉热处理及相同的锻造工艺，使其物理力学性能尽量一致，以确保安全机组稳定运行。

图1 桐柏推力瓦及支撑部件结构图Figure 1 Structural drawing of Tongbai thrust tile and supporting parts

目前国内使用弹性托盘推力瓦支撑方式的抽水蓄能电站有桐柏、琅琊山和西藏羊湖三家，常规电厂十余家，机组均为奥地利ANDRITZ HYDRO公司进口。

1 问题提出

桐柏抽水蓄能电站2005年12月第一台机组并网，2006年4月2号机组并网。初期运行稳定，在2015年首次发现2号机组推力瓦温度升高，其最高温度达83℃（报警温度），经检查发现有一件弹性托盘局部机械疲劳裂纹，少数组别弹性托盘与弹性球面支柱接触面出现凹弧面变形，变形量在0.005～0.01mm。初步处理整体更换了一批国产支撑部件[7]，整机试验时推力瓦温度高而且温度分布差异较大；经分析认为，此次更换的支撑部件材料非同炉精炼和同炉热处理，每组物理力学性能有差异，弹性变形量差值较大，使不同组别推力瓦受力差异较大，部分瓦温上升。后整体更换主机厂ANDRITZ HYDRO公司提供的新支撑部件，经个别组别弹性球面支柱下部加垫调整后温度达设计要求。第二年机组大修时整体更换经工艺改进的支撑部件，温度满足设计要求。

因抽水蓄能电站机组工况转换频繁，长期运行推力瓦各组别支撑部件物理力学性能差异显现，使得部分瓦温上升。此种形式的推力瓦结构弹性托盘几乎承担全部弹性变形，其物理力学性能稳定一致是保证机组安全运行的关键[5]，对弹性托盘性能进行静态检查和动态检测十分必要。为此需要在定期检修时对支撑部件和推力瓦叠加高度、支撑部件叠加高度、弹性托盘不同负荷下变形量进行检查，消除安全隐患。桐柏抽水蓄能电站2019年针对弹性托盘支撑型推力瓦及支撑部件现场检测装置及检测方法进行了研究，并提出相关检测标准，以满足运行需求。

2 检测平台及检测方法研究

2.1 支撑部件及推力瓦组合叠加高度与变形量检测装置

为解决现场检测问题，需研制支撑部件及推力瓦叠加高度与支撑部件不同负荷下变形量[2]检测装置（以下简称检测装置）。

（1）检测装置要求。

1）可静态测量单块瓦承受最大受力范围内其弹性托盘弹性变形情况。桐柏公司发电机组最大水推力为9730kN，16块推力瓦支撑，此处设计要求选择65t。

2）可静态测量支撑部件和推力瓦叠加高度[4]。

3）使用应变片现场对弹性托盘变形量和受力关系进行现场率定，为弹性托盘性能在线监测提供判别数据。

（2）检测装置设计。

本文设计的检测装置主要由工作平台、中板和液压装置、控制系统、显示系统和测量元件（传感器）等组成（见图2）。其液压装置提供和控制液缸压力；控制显示系统用于控制保持油压，读取和显示数据。工作平台在65t压力下变形量小于0.005mm，中板与工作台平行度小于0.02mm。

图2 支撑部件及推力瓦组合形变及叠加高度检测装置Figure 2 Device for detecting combined deformation and stacking height of support component and thrust shoe

采用大直径低压力油缸，配置高精度伺服泵阀组、高精度压力传感器（精度为0.05%）和高精度西门子PLC控制单元，确保压力稳定。检测装置在65t工作压力情况下重复精度0.01mm，工作压力小于1MPa情况下重复精度0.002mm。系统采用精度为0.05%的力传感器对工作压力进行数据率定，率定后通过对应的高精度压力传感器数据参与系统控制。

在检测前，需要通过高度误差小于0.001mm等高块分别率定上部和下部各4个位移传感器零位（见图3）。其中，4个上部高精度位移传感器（精度为0.001mm）用于测量支撑部件和推力瓦叠加高度和弹性托盘变形量；4个下部传感器用于复核上部位移传感器测量数据和测量弹性托盘和弹性支柱叠加高度。其叠加高度、力、变形量等数据均能实时显示和读取。

图3 位移传感器率定示意图Figure 3 Schematic diagram of displacement sensor calibration

2.2 弹性托盘现场在线检测方案研究

为实现对弹性托盘的实时监控，保证弹性托盘在工作时始终保持正常工作状态，本文设计了一套弹性托盘现场在线检测方案，将贴有电阻应变片的弹性托盘率定好相关参数并安装到机组中，应变片输出数据，通过对数据的读取和处理实现对弹性托盘的弹性变形实时监测。

具体方案是在弹性托盘凹部粘贴电阻应变片（见图4），由检测装置对每组弹性托盘加载，利用放大器读取不同负载电阻应变片应变量，完成机组每个弹性托盘负载和变形关系现场率定，形成负载与应变片输出电参数的对应关系，通过数据处理实现弹性托盘性能在线检测。运行时其应变量与率定数据比较，即可根据每组弹性托盘负载情况，比较各组受力、温度情况，从而对其安全隐患作出预判。在线检测采用德国HBM公司的电阻应变片、放大器和数据处理系统。

图4 应变片率定弹性托盘受力示意图Figure 4 Stress diagram of strain gauge calibrated elastic tray

2.3 检测结果分析

2.3.1 不同材料弹性托盘变形量测试结果及分析

弹性托盘材料为调质51CrV4，外径280mm，内径260mm，总厚度40mm，槽深5mm。最大负荷9730kN加在16个弹性托盘上，每个弹性托盘受力608.1kN，均布加载在其边缘环面上。设计计算取值弹性模量为2.1GPa，密度为7.8×103kg/m3；材料屈服强度为1180MPa，抗拉强度为1370～1670MPa。按有限元分析及理论计算，最大变形量发生在弹性托盘的边缘，其负载和最大变形量关系理论线如图5所示。

图5 推力（负载）与变形关系理论线Figure 5 Theoretical line of relationship between thrust （load） and deformation

静态检测其推力瓦和平台中板（相当于实际工况中的推力镜板）为一体（见图2），避免了实际运行时推力瓦负荷变形和热变形影响，使弹性托盘变形量能被精准测量[3，4]；经计算弹性托盘纯温度向下变形量为0.0007mm，可以忽略热变形量，所以，该静态弹性托盘变形量测量具有非常高的准确性。位移传感器显示的位移量即为弹性托盘的变形量。

选择6个组别弹性托盘和弹性球面支柱进行测试，其每个组别高度差不大于0.002mm。其中组别一和组别二为国外同炉精炼和同炉热处理及相同的锻造工艺材料，组别三和组别四为国内同炉精炼和同炉热处理及相同的锻造工艺材料，组别五和组别六为国产非同炉精炼和同炉热处理材料（但热处理工艺一样）；测试力为0～60t，按机组运行不同工况受力点位测试，同一点位要求压力差小于50kg。每个组别测试6次，取平均值进行比较。

测试前先按图3对压力传感器和位移传感器分别进行率定；测试时，保持测量环境和测量温度在相同条件下，按图2安装试件，操作控制系统，通过液压装置对试件进行加载，读取显示系统相关数据。静态测试不同工况下数据见表1。

表1 各组别支撑部件变形测量值Table 1 Deformation measurement values of support parts of each group μm

检测结果分析：

（1）每组弹性托盘受的力和变形关系基本满足线性关系；其变形量比理论计算值稍大，最大超0.04mm。

（2）同批次同炉精炼同炉热处理及相同锻件工艺弹性托盘在相同负载下不同组别其变形量误差范围在±0.008mm。

（3）不同批次弹性托盘同点位变形量差最大达0.035mm。

2.3.2 叠加高度检测结果分析

（1）利用检测装置测量叠加高度差：由高度误差小于0.001mm、高度为205mm和50mm等高块率定上下位移传感器零位。静态检测时，其推力瓦承受的力为15.9kN，托盘弹性托盘变形量0.024mm，变形误差为0.0004mm，满足静态检测条件。选用4组别行其叠加高度差静态检测，每组测量6次；检测结果支撑部件高度差小于0.001mm，支撑部件和推力瓦高度差为0.01mm。与实验室测定数据一致。

（2）现场高度仪测试叠加高度：为避免测试平台重力和重复精度影响，考虑地下温度变化小，现场选用超高精度平台和超高精度高度仪对其支撑部件和推力瓦叠加高度和支撑部件叠加高度进行测量[5-6]，其测量精度达0.002mm。现场4组测量结果与实验室测定数据一致。

3 结论

桐柏抽水蓄能电厂通过本项目研究，实现了对弹性托盘支撑型推力瓦的叠加高度及受力分析的研究目标，研制出测量平台及受力分析平台，经试验检测是可靠的。目前对于抽水蓄能机组，推力轴承的推力瓦弹性托盘和推力瓦受力分布分析进行研究的公开文献较少。本项目的研究，为国内外采用弹性托盘支撑推力瓦的类似研究提供了思路和借鉴，为桐柏抽水蓄能电站解决推力瓦温度高问题提供了技术支持。