某抽水蓄能電站推力瓦無損檢測結(jié)果分析

杜建偉，李冬華，吳 靖，胡 棟

（國網(wǎng)新源控股有限公司檢修分公司杭州分部，浙江省杭州市 310000）

0 引言

推力瓦作為水輪發(fā)電機(jī)的重要部件，承受機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的全部重量和水流的軸向力，并傳遞給荷重機(jī)架。目前有資料顯示，推力瓦發(fā)生故障的原因可分為三個(gè)方面，一是推力瓦本身結(jié)構(gòu)尺寸不合理或加工制造質(zhì)量較差；二是機(jī)組運(yùn)行特性不良；三是安裝和運(yùn)行管理不善。狀態(tài)監(jiān)測作為跟蹤推力瓦運(yùn)行狀況的手段，通常采用RTD監(jiān)測其瓦溫，以判斷機(jī)組運(yùn)行過程中楔形油膜是否起到良好的作用，同時(shí)采用無損檢測監(jiān)測其材料質(zhì)量，防止在安裝、運(yùn)行管理和檢修等過程中因過程質(zhì)量把控不嚴(yán)造成推力瓦運(yùn)行條件惡化，導(dǎo)致推力瓦巴氏合金脫落。無損檢測可有效檢測出推力瓦巴氏合金層結(jié)合質(zhì)量。目前在抽水蓄能電站中對推力瓦的檢測有兩種常規(guī)檢測方法，分別是滲透檢測與超聲波檢測。對應(yīng)兩種判斷其是否合格的判據(jù)，滲透檢測要求對推力瓦巴氏合金表面及軸瓦合口面結(jié)合線按照NB/T 47013.5—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第5部分：滲透檢測》進(jìn)行。當(dāng)表面滲透探傷無缺陷，即檢測結(jié)果滿足NB/T 47013.5—2015其他部件質(zhì)量分級中等級Ⅰ的要求，邊緣帶缺陷累計(jì)長度占該邊緣長度的百分比≤4%、單個(gè)缺陷長度≤20mm，為合格；超聲波檢測要求巴氏合金與瓦基的接觸面應(yīng)不小于95%，單個(gè)缺陷不大于1%時(shí)為合格。某水電站推力瓦超聲波檢測結(jié)果出現(xiàn)多臺機(jī)多塊推力瓦脫殼的現(xiàn)象，并且部分滲透檢測表面出現(xiàn)缺陷，因此需要對檢測結(jié)果予以分析，提出建議。

1 推力瓦檢測過程

推力瓦超聲波檢測選用雙晶探頭，選用巴氏合金制作的階梯試塊作為對比試塊，檢測在推力瓦合金結(jié)合區(qū)域全部表面上進(jìn)行，平行掃查過程中重合探頭直徑的20%，結(jié)合界面回波高度、界面回波次數(shù)、背襯回波高度、回波位置、軸瓦結(jié)構(gòu)綜合考慮。測量脫殼邊界點(diǎn)，連接脫殼邊界點(diǎn)圍成脫殼區(qū)域。

2 推力瓦缺陷統(tǒng)計(jì)

本文統(tǒng)計(jì)了2016～2019年某抽水蓄能電站A、B、C、D四臺機(jī)組推力瓦的檢測情況和脫殼存在情況，如表1所示，在此時(shí)間區(qū)間內(nèi)，實(shí)施檢測的為同一家檢測單位，檢測結(jié)果具有對照性。

表1 歷年推力瓦檢測及脫殼情況統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of thrust tile detection and shelling over the years

通過該抽水蓄能電站了解到，推力瓦在這區(qū)間沒有發(fā)生過更換，因此可以看到，A、B、C三臺機(jī)組只要發(fā)生過檢測，就檢測到脫殼缺陷，D機(jī)組在2018年檢測中發(fā)現(xiàn)新增缺陷。

3 推力瓦脫殼面積采集與處理

在役機(jī)組檢測過程與檢測結(jié)果分析，是按照標(biāo)準(zhǔn)要求檢測，按照標(biāo)準(zhǔn)判斷檢測結(jié)果。推力瓦使用巴氏合金澆鑄在鋼襯基體上，兩種金屬材料通過金屬鍵連接，兩種金屬屬不同的相，結(jié)合部位仍然為力學(xué)性能薄弱點(diǎn)。實(shí)際遇到的推力瓦結(jié)構(gòu)損壞事件，也多是巴氏合金脫落。因此，標(biāo)準(zhǔn)中將脫殼面積作為推力瓦能否使用的判據(jù)。

對于抽水蓄能電站軸瓦脫殼缺陷現(xiàn)場檢測時(shí)邊界點(diǎn)測量確定的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)確認(rèn)，但是對于邊界點(diǎn)測量的數(shù)量一直處于空白狀態(tài)，通過現(xiàn)有檢測人員了解到，檢測時(shí)邊界點(diǎn)測量數(shù)量在4～8點(diǎn)之間，隨機(jī)性較大，結(jié)合機(jī)組檢修統(tǒng)計(jì)了邊界點(diǎn)4點(diǎn)到邊界點(diǎn)為8點(diǎn)的共64個(gè)脫殼缺陷脫殼測量值的變化，如圖1所示。可以明顯觀察到，隨著邊界點(diǎn)數(shù)測量數(shù)量的增加，測量相對誤差值出現(xiàn)明顯降低。

圖1 在不同測點(diǎn)數(shù)下脫殼面積測量值與真實(shí)值相對誤差Figure 1 The relative error between the measured value of shelling area and the real value under different number of measuring points

本文缺陷面積統(tǒng)計(jì)選用imageJ軟件。使用imageJ對推力瓦脫殼面積進(jìn)行采集，實(shí)際測量面積誤差均在5%以內(nèi)，使用軟件計(jì)算面積，極大地提高了脫殼面積統(tǒng)計(jì)的精確性。軟件測量脫殼面積誤差統(tǒng)計(jì)表見表2。

表2 軟件測量脫殼面積誤差統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistical table of software measurement of shelling area error

4 歷年數(shù)據(jù)展示

本文統(tǒng)計(jì)了2017～2019年A、B、C、D四臺機(jī)組脫殼總面積，如圖2所示。

圖2 各機(jī)組脫殼面積（單位：mm2）Figure 2 Shelling area（unit：mm2）

從圖2可以看到，由于對邊界點(diǎn)選點(diǎn)過少造成的誤差，使C機(jī)組出現(xiàn)了總脫殼面積減小的情況。本次檢測所使用得分析數(shù)據(jù)選用B機(jī)組數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)處理

B機(jī)組推力瓦共有10塊，為了體現(xiàn)出數(shù)據(jù)的趨勢性，搜集了2009年B機(jī)組的脫殼數(shù)據(jù)，具體數(shù)值如圖3、圖4所示。

圖3 B機(jī)組各推力瓦脫殼總面積（單位：mm2）Figure 3 The total area of each thrust tile shell of unit B（unit：mm2）

在2009年推力瓦超聲檢測中，只發(fā)現(xiàn)了6號瓦脫殼，在2017年新發(fā)現(xiàn)1、3、8、9號瓦脫殼，原因可能是2009年未對其他推力瓦進(jìn)行檢測，也可能是在使用中新出現(xiàn)了脫殼推力瓦。由圖4還可看到，6號推力瓦2017年脫殼顯示相比2009年出現(xiàn)了下降。經(jīng)分析，一是超聲檢測中使用的對比試塊不同造成，即檢測靈敏度不同造成；二是缺陷面積的統(tǒng)計(jì)方法不同造成。由于缺陷面積的統(tǒng)計(jì)方法不同，1、3、9號瓦2019年相比于2017年也存在脫殼面積下降的現(xiàn)象，在現(xiàn)場檢測中，較多第三方檢測單位會使用表格法統(tǒng)計(jì)缺陷面積，這種會放大脫殼面積，所以會出現(xiàn)脫殼面積大幅下降的現(xiàn)象。

圖4 B機(jī)組6號推力瓦脫殼總面積（單位：mm2）Figure 4 Total area of No. 6 thrust tile shelling of unit B（unit：mm2）

為了驗(yàn)證上述原因，統(tǒng)計(jì)了2009年與2019年A機(jī)組的推力瓦脫殼面積，如圖5所示。

圖5 A機(jī)組各推力瓦脫殼總面積（單位：mm2）Figure 5 The total area of each thrust tile shell of unit A（unit：mm2）

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，2009年出現(xiàn)大面積脫殼的1、8、10號瓦在2019年都出現(xiàn)了脫殼面積下降的現(xiàn)象，而2、4、5、7號瓦則因?yàn)?009年未出現(xiàn)脫殼現(xiàn)象或者脫殼面積較小而出現(xiàn)脫殼面積上升。可以印證，脫殼面積會因面積統(tǒng)計(jì)方法或者檢測靈敏度不同而出現(xiàn)脫殼面積下降的現(xiàn)象。

綜上所述，使用本文所述脫殼面積的采集及處理方法可有效避免缺陷面積測量精度不高的弊端，進(jìn)而能夠增強(qiáng)歷次檢測缺陷測量的數(shù)據(jù)對比性。

6 數(shù)據(jù)分析

從圖6的檢測圖像、檢測年份及人員對比來看，B機(jī)組8號瓦從檢測到缺陷統(tǒng)計(jì)相對更有對照性，因此選取8號瓦做數(shù)據(jù)分析。

圖6 B機(jī)組8號推力瓦超聲波檢測脫殼面積記錄圖（單位：mm2）Figure 6 B unit No. 8 thrust tile ultrasonic detection shelling area record（unit：mm2）

推力瓦缺陷數(shù)據(jù)存在三種情況，一是脫殼面積遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，二是在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值范圍左右，三是遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，缺陷值在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值范圍左右的推力瓦能否繼續(xù)使用是困擾運(yùn)行管理人員的一個(gè)問題。

為此，統(tǒng)計(jì)了B機(jī)組4個(gè)月來每日額定負(fù)荷時(shí)推力瓦溫的平均溫度最大值。由圖7可以看到，推力瓦工作溫度基本在75℃以上。推力瓦承托機(jī)組的重量，由圖8、圖9可以看到，推力瓦存在振動，可以預(yù)見受到交變力的作用。11-6巴氏合金是一種低熔點(diǎn)合金，在這種溫度及應(yīng)力作用下，對軸承的潤滑性能及壽命會產(chǎn)生不可忽略的影響，朱錦艷等[2]通過對巴氏合金表面劃痕缺陷進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)劃痕系金屬與金屬接觸發(fā)生咬合和劃傷，現(xiàn)場無損檢測也發(fā)現(xiàn)了劃傷現(xiàn)象。

圖7 B機(jī)組推力瓦溫Figure 7 Unit B thrust tile temperature

圖8 B機(jī)組推力瓦X方向振動Figure 8 B Thrust tile vibration direction X

圖9 B機(jī)組推力瓦Y方向振動Figure 9 B Thrust tile vibration direction Y

王建梅等[3]在對巴氏合金蠕變的分析中觀察到發(fā)生蠕變后，合金內(nèi)的β相、ε相減少，這降低了合金的力學(xué)性能，并利用Graham蠕變方程描述蠕變過程，蠕變方程如下：

式中：ε——蠕變應(yīng)變，100%；

σ——材料所受應(yīng)力，Pa；

t——時(shí)間，h；

T——溫度，℃；

C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8——蠕變系數(shù)，100%。

如圖10所示，材料蠕變一般經(jīng)歷三個(gè)階段，研究表明，Graham蠕變模型對第二階段有較好模擬，為此，引用王建梅等[4]試驗(yàn)中，對ZChSnSb11-6在15MPa-65℃和10MPa-65℃擬合函數(shù)：

圖10 材料蠕變曲線Figure 10 Material creep curve

式中：ε——蠕變應(yīng)變，100%；

σ——材料所受應(yīng)力，Pa；

t——時(shí)間，h。

建立10MPa、15MPa、20MPa蠕變應(yīng)變時(shí)間函數(shù)圖，如圖11所示。

圖11 蠕變應(yīng)變時(shí)間函數(shù)圖Figure 11 Creep strain time function diagram

在機(jī)組運(yùn)行過程中，推力瓦與鏡板形成滑動摩擦，在推力瓦上的油膜厚度是不均勻的，推力瓦整個(gè)瓦面應(yīng)力大小不同，在形成的應(yīng)力場中，推測蠕變應(yīng)變達(dá)到一定值即會脫殼。現(xiàn)場檢測也多發(fā)現(xiàn)在如圖12所示受力區(qū)發(fā)生脫殼。應(yīng)變達(dá)到300%，在10MPa時(shí)約需要3000天，在15MPa時(shí)約需要317天，而在20MPa時(shí)則需要不到36天。壓力的下降會極大地放緩脫殼時(shí)間。B機(jī)組8號推力瓦脫殼面積時(shí)間圖如圖13所示。

圖12 推力瓦脫殼位置圖Figure 12 Thrust tile shelling position map

圖13 B機(jī)組8號推力瓦脫殼面積時(shí)間圖Figure 13 B unit of No. 8 thrust tile shelling area of time

在2009年發(fā)現(xiàn)B機(jī)組8號瓦脫殼，2009～2017年脫殼平均擴(kuò)展速率較2017～2019年大，有對滑動摩擦軸承應(yīng)力場分布研究指出，在同一種工況中，壓力下降速率是放緩的，綜上所述，脫殼面積增加速率應(yīng)是放緩的，這與B機(jī)組8號瓦觀察到的脫殼現(xiàn)象一致。

在水電機(jī)組檢修技術(shù)規(guī)范以及水電機(jī)組金屬監(jiān)督規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中都有對軸瓦脫殼面積的要求，當(dāng)軸瓦脫殼面積達(dá)到一定值時(shí)，即判斷為檢測結(jié)果不合格，不建議使用，說明在脫殼面積邊緣的小的等效應(yīng)力區(qū)的巴氏合金蠕變應(yīng)變或者疲勞損傷已經(jīng)達(dá)到一定值，如果繼續(xù)使用，疲勞損傷會累積增加[4]，進(jìn)而發(fā)生危險(xiǎn)。因此，可將結(jié)合面面積的大小作為軸瓦能否繼續(xù)使用的標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)論

推力瓦出現(xiàn)脫殼缺陷后，脫殼缺陷的進(jìn)展情況受到運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行條件的綜合影響，鏡板、推力頭的安裝精度，潤滑油的質(zhì)量，機(jī)組的振動以及機(jī)組負(fù)荷的大小都會影響推力瓦的壽命。因此，定期檢測仍是監(jiān)測推力瓦質(zhì)量的重要手段，推力瓦無損檢測結(jié)果可以判斷巴氏合金與推力瓦鋼襯的結(jié)合質(zhì)量。無損檢測應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行檢測標(biāo)準(zhǔn)中要求的各個(gè)步驟，按照接觸面占比判斷能否繼續(xù)使用。另外，從預(yù)防推力瓦脫殼面積擴(kuò)大角度來看，應(yīng)減小機(jī)組振動，減小推力瓦局部應(yīng)力增大，降低瓦溫，提高推力瓦壽命。