泗陽站4#上機架鏡板電蝕現象分析

摘 要：該文旨在探討水利工程中上機架鏡板電蝕現象的成因及解決方案，以提升水利工程的安全性和運行效能。通過對鏡板電蝕現象的機理分析，明確溶解腐蝕、電化學腐蝕和結構等因素綜合導致電蝕現象的發生。研究方法包括現場實測、材料特性分析和電化學原理探討，對泗陽站4#機組鏡板進行深入研究。結果顯示，電蝕現象會導致鏡板表面受損，增加安全隱患，加重經濟負擔，并縮短使用壽命。為改善這種情況，該文采用針對性的解決措施，如選用抗蝕材料替換原有鏡板材質，設計專門的鏡板吊裝翻轉流程，采用研磨臺精細化研磨處理，以及制定嚴格的定期維護和檢查制度。經過這些技術改造與維護策略的實施，泗陽站4#機組的鏡板電蝕現象得到有效控制，提高鏡板工作面的質量要求，確保鏡板與推力頭間絕緣電阻值高于40 MΩ，導軸瓦與瓦背間電阻值高于50 MΩ，并符合設計粗糙度要求。綜合來看，該研究提出的解決方案為類似水利工程中鏡板電蝕問題的防治提供有價值的參考案例。

關鍵詞：鏡板電蝕；上機架；抗蝕材料；研磨技術；水利工程；安全運行

中圖分類號：TV734 文獻標志碼：A 文章編號：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，導流結構扮演著核心角色，其對水流的有效引導與控制至關重要。然而，上機架鏡板時常會遭遇電蝕問題，這一現象不僅對導流結構自身的穩定性與安全性構成威脅，進而影響整個水電站機組的正常運行效能，同時也導致維護成本的顯著增加。因此，對水利設施中上機架鏡板電蝕現象處理技術的研究，無疑具有極其重大的現實意義與實用價值。

1 電蝕現象的機理分析

電蝕是一種由電化學作用引發的金屬表面腐蝕現象，其內在機制包含電化學反應和相關的物理過程。在水利工程中，導流鏡板由于特定工況下的多種因素，尤其易于遭受電蝕損害。電蝕的發生可歸因于以下幾種主要機理。

1.1 溶解腐蝕

在具備電化學條件的環境中，金屬表面的原子會釋放電子轉化為離子而溶解在溶液中，這種持續的表面溶解過程會導致金屬材質漸進性損耗。在水利工程的實際應用中，水體中的溶解氧含量、離子濃度以及pH等多種參數均會對溶解腐蝕速率產生直接影響。

1.2 電化學腐蝕

當同一金屬的不同部位暴露于不同的電位區時，會在金屬表面形成陽極和陰極區。在這2個區域內，伴隨電子轉移和化學反應的進行，將誘發微電池效應，產生局部電流，進而加速金屬表面的電化學腐蝕過程。在水利工程設備中，未及時監測和調控的電位差異是誘發此類腐蝕的關鍵因素之一。

綜合上述機理，水利工程中導流結構下端的電蝕現象往往是溶解腐蝕與電化學腐蝕等多種因素相互耦合的結果。以泗陽站4#機組為例，從整體立式大型水泵機組的結構剖析（圖1），長期運行導致的磨損、安裝角度偏差[1]以及其他可能的機械應力等因素，可能導致鏡板表面形態改變或選用材料的耐蝕性能不足，這些綜合性因素共同促成了電蝕問題的發生。

2 泗陽站4#機組鏡板電蝕現象

2.1 下機架

下機架為輻射式十字形結構，中間為下油槽，槽內裝有4塊下導軸瓦，與電機軸上的滑轉子接觸，導軸瓦由瓦架及抗重螺絲支承，背面及上下面均有絕緣板承托，以防軸電流引出。800 kW電動機的下機架安裝在定子下端面的內側，800 kW以上電動機的下機架裝在定子下端面的下面。鏡板就是在下機架的位置。具體結構如圖2所示。

2.2 電蝕現象的原因技術分析

江蘇省泗陽閘站管理所坐落于江蘇省泗陽縣縣城（眾興鎮）東南約3 km處的中運河輸水線上，毗鄰泗陽船閘，擔負著泗陽第一抽水站、泗陽第二抽水站、泗陽節制閘3座大型水利工程的管理、運行任務，是淮北地區一座重要的水利樞紐工程。泗陽一站是南水北調東線一期工程的第四梯級抽水泵站，同時與泗陽二站共同組成江蘇省江水北調第四梯級、淮水北調第一梯級提水泵站泗陽樞紐。

鏡板設計參數如下：其外環直徑達230 cm，內環直徑則為138 cm，其間絲孔的中心距設定為180 cm，而絲孔本身的直徑規格為6.5 cm。為此，擬采用絕緣墊片對其進行適應性裁剪，確保墊片長度能覆蓋鏡板內外環半徑差，并保持約10～15 cm的適宜寬度，將其環繞置于鏡板架上，其間預留適當的間隙以保證運作空間。

針對泗陽站機組長期運行過程中鏡板出現的電侵蝕問題，通過對其位置特性和工作原理的深入分析，提出了以下幾項可能的原因：①電化學作用。鏡板表面可能發生氧化還原電化學反應，導致電化學腐蝕現象加劇，從而引發了嚴重的電蝕問題。②材料選型考量。若鏡板材料選擇不當，其抗電蝕性能可能不足，從而加劇了電蝕現象的發展。③結構變形因素。鏡板表面的變形可能源自制造工藝缺陷或安裝前處理不到位。特別是，若使用的絕緣墊片表面平整度欠佳，尤其是在經歷多次加工后的墊片，其不規則表面在鏡板與推力頭之間安裝并通過螺栓緊固后，可能導致鏡板發生額外變形。推力瓦面受力不均衡，高度位置偏差，使得鏡板在其上旋轉時，測得的擺動軌跡呈現梅花狀分布，這種情況亦能觸發電侵蝕現象的發生。

2.3 鏡板電蝕現象的危害

1）安全風險放大：鏡板電蝕狀況所引發的表面損毀，對于水利工程的正常運維構成了潛在威脅，嚴重時甚至可能導致工程結構受損，危及公眾的生命財產安全。

2）經濟效益折損：面對鏡板出現的電蝕現象，若未能及時采取修復或替換措施，則不僅將消耗大量人力、物力和財力資源，同時還將妨礙水利工程設施的正常使用效率，由此造成的經濟損失不容忽視。具體表現為泗陽站所發生的電蝕實例，如圖3所示。

3）服役壽命減縮：電蝕現象對鏡板表面產生的侵害不僅局限于即時的損傷，更會加速其自然磨損和老化進程。鑒于鏡板表層材料常具有一定的脆性，一旦受制于電蝕作用，其原有的防護層極易遭到破壞，從而使鏡板對外界環境侵蝕和損害的抵抗力顯著下降。這不僅削弱了鏡板的預期功能表現，更大幅度縮減了其有效使用壽命。極端情況下，電蝕可能致使鏡板在較短的時間內即告報廢，從而迫使頻繁地更換操作，進一步加重了維護成本和運營成本負擔。泗陽站鏡板電蝕現象的具體案例展示，如圖3所示。

3 泗陽站4#機組鏡板電蝕現象的解決方案探討與實踐

3.1 鏡板處理步驟

鏡板處理步驟需要分為2步：吊出鏡板和鏡板翻身。

第一步，吊出鏡板步驟如下：①抽出鏡板上的絕緣板；②使用2顆連接推力頭與鏡板之間的連接螺栓，分別安裝在鏡板外圈相對的2個方向，并旋緊（外圈共有4個絲孔），用一根吊帶，先連接在其中一個螺栓上，并掛于行車主鉤，由于鏡板和推力瓦之間有油膜，黏著吸附力較強，所以先從一個點起吊，吊起一些間隙后，使用1 cm厚的耐油橡膠墊塞入鏡板與推力瓦間隙中，放下主鉤，將另一端的螺栓上也安裝吊帶，掛在主鉤上，緩慢吊起整個鏡板。

第二步，鏡板翻身步驟如下：①先將主鉤和副鉤同時落下，用一根吊帶從鏡板一側中間的底部穿過（2顆螺栓將鏡板分為2個半圓，任選一個半圓的中間部位即可），再繞過來從其上部穿過，打一個結，使吊帶緊扣在鏡板上，將吊帶穿出的一頭掛在副鉤上。②緩慢抬升副鉤，直至吊帶拉直，再繼續向上拉，使鏡板從水平變成垂直，點動副鉤（由于主鉤的吊帶拉在2顆螺栓上，防止副鉤拉動鏡板，導致主鉤上的吊帶不受力，而松動脫落），直至鏡板大約接近垂直于地面時，放下副鉤，由于主鉤掛的2根吊帶緊緊拉在螺栓的根部，與鏡板外圈相接，摩擦力很大，所以放下副鉤也不會導致鏡板轉回水平位置。③拆掉鏡板上端的吊帶，使用同樣的方法將吊帶掛在鏡板底部，并拉緊，用副鉤緩慢拉升，將鏡板的底部拉過最低點，并再次上提，從而使鏡板另一面翻上來，直至拉至鏡板處于水平位置，再降下副鉤，取下吊帶。④將鏡板吊運至鏡板研磨臺上。

3.2 改善方法

通過對原因的分析，可以采用相應對策處理可能存在的問題。

3.2.1 采用研磨臺研磨鏡板

鏡板作為高精度、高表面質量的關鍵部件，其在運輸存儲過程中極易因微小不慎而出現銹斑等問題。因此，在安裝前，鏡板需經過嚴格的研磨拋光工序以確保其性能。

通常，安裝部門配備自行設計的研磨設備，如圖4所示。該設備主體為鋼結構的方形工作臺，底部安裝有一臺功率為1 kW的異步電動機，通過變速箱變速后，輸出軸轉速可達31 r/min，驅動軸頂端的橫擔組件。橫擔兩端固定有鑄鐵圓盤，圓盤外包覆有海軍呢或毛氈，在鏡板表面轉動研磨。研磨過程中，需適時使用排筆添加研磨膏以輔助潤滑和磨光。研磨膏通常是由粒度不低于400號的研磨粉與透平油調配而成。若研磨除銹較為困難時，可在研磨膏中適量加入2%的鹽酸助劑以加快銹蝕去除速度。銹蝕清除后，鏡板需進一步清洗，并使用普通研磨膏再進行一輪研磨處理。鏡板表面銹蝕嚴重，易形成大面積銹斑并破壞金屬表面的情況，若拋光機研磨無法達到要求，可考慮在當地尋找磨床進行精細研磨；若條件不具備，應及時送回制造廠家進行重新加工，以免延誤工程進度。

針對泗陽主機泵轉環的研磨需求，鑒于其外徑達2.3 m，內徑1.4 m，重量高達1.7 t，因此需要定制專用研磨工具。研磨平臺采用了2.8 kW減速齒輪電動機作為動力源，并將其安裝在臺座下方，通過中央向上伸出的傳動軸提供動力。在研磨轉環時，磨頭上包裹毛呢絨布，轉環下部襯墊羊毛氈，并采用研磨膏混合46#透平油的方式進行細致研磨作業[3]。

3.2.2 使用標準注意事項

在零件處理過程中，應嚴格禁止對加工面進行敲擊或造成任何物理損傷，若發現有損壞情況，務必立即執行修復操作。經清洗后的零部件應按類別妥善存放，對于精密加工面如鏡板面等，應在清潔干燥后涂抹防銹油，并覆以毛氈加以保護；其余零部件則宜采用潔凈木板或橡膠墊作為支撐，以防接觸碰撞而受損，上方應覆蓋布料或毛巾，以防止塵埃雜質入侵；對于體積較大的零部件，應使用木方或其他支撐物墊妥，確保不會壓損零部件加工面或下方地面。

3.2.3 材料選用原則

選取具有優良抗蝕性能的金屬材料是減輕電蝕影響的關鍵策略之一。例如不銹鋼和鋁合金等材料因其出色的抗蝕性能，能在很大程度上降低電蝕現象的發生強度，從而有效提高工件的耐久性能。

3.2.4 定期維護及其重要性

定期維護是確保水利工程安全穩定運行的核心環節之一。在水利工程大修作業中，對鏡板的定期維護顯得尤為重要，應密切關注并及時處置鏡板表面可能出現的電蝕問題，以防止潛在的安全事故。具體措施包括：①制定并執行定期檢查制度，對鏡板進行周期性檢查，發現問題時迅速采取措施。②發現鏡板表面出現電蝕跡象時，應第一時間進行修復或必要時進行更換，以保障水利工程設施的安全運行。③建立完善的鏡板維護記錄管理體系，詳細記錄每次維護過程和發現的問題，為今后的維護工作提供科學依據。

3.2.5 利用模擬與仿真技術優化解決方案

采用模擬與仿真技術手段，有助于深入理解和有效優化對電蝕問題的解決方案。通過構建電蝕現象的數值模型，可以在不同材料類型、電解液成分和加工參數的虛擬環境下模擬電蝕過程，從而為實際生產中電蝕防治方案的選擇和改進提供有力支持。另外，借助計算機輔助設計軟件，可以迅速評估各類防護涂層和表面處理方案的實效性，為工程技術人員的設計決策提供量化參考依據。

4 泗陽站4# 立式機組鏡板整改處理評價

泗陽站的鏡板電蝕現象的解決不僅僅是一項技術問題，更是一項綜合性工程。此次通過優化材料、采用研磨臺研磨鏡板、定期維護等措施，可以有效解決鏡板電蝕現象，保障水利工程的安全運行。符合立式機組鏡板工作面的檢修工藝和質量要求，標準見表1所示的鏡板工作面的檢修工藝和質量要求。

整改并符合鏡板與推力頭之間絕緣電阻值應在40 MΩ以上，導軸瓦與瓦背之間絕緣電阻值應在50 MΩ以上。鏡板工作面無傷痕和銹蝕，粗糙度應符合設計要求。綜上，此次整改經驗為所有鏡板出現電侵蝕現象提供方案。

5 結束語

泗陽站4#機組的水利工程大修中鏡板電蝕現象的解決是一個綜合性工程，需要材料選用以及定期維護等多個方面綜合考慮，采取綜合措施，確保水利工程的安全運行。綜合以上措施的應用，可以有效降低電蝕對工件的影響，提高加工質量和效率，延長工件的使用壽命。在實際應用中，需要根據具體情況選擇合適的解決措施，并進行適當調整和優化，以達到最佳的效果。

當前，我國水利工程大修中鏡板電蝕現象的解決已取得一定成效，但也面臨著一些挑戰，如施工難度大等。盡管已經提出了一系列具體的解決措施，但電蝕問題的解決仍然面臨著一些挑戰和限制。例如，不同材料和工藝條件下的電蝕機理可能存在差異，需要進一步深入研究。此外，隨著科學技術的不斷進步，新的材料和加工工藝也會不斷涌現，電蝕問題的解決方案也需要不斷地更新和優化。

未來，可以通過加強科技研發，推動新材料、新工藝的應用，提高水利工程抗蝕性能，進一步保障水利工程的安全穩定運行，促進我國水利事業的發展。同時，還需要加強水利工程管理部門、設計單位、施工單位和社會公眾的協作，共同維護水利工程的安全，為經濟社會的發展提供可靠的水利保障。

參考文獻：

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[3] 楊慶文，梁智昆，王秀然，等.抽水蓄能電站鏡板下端軸一體式機組下機架預裝工藝研究[Z].中國水利水電第十四工程局有限公司，2022-07-21.