陳 敏

（中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司水電科學(xué)研究院，四川 成都 610000）

1 引言

電力能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，水電占比不斷上升，截至2018 年底，我國水電裝機(jī)超過 3.5 億kW（含抽水蓄能裝機(jī)約3 000 萬kW），年發(fā)電量1.24 萬億kW·h，在建裝機(jī)規(guī)模約5 000 萬kW。隨著白鶴灘世界最大單機(jī)1 000 MW 巨型水輪機(jī)的即將投運(yùn)，標(biāo)志著我國水電機(jī)組設(shè)備制造技術(shù)邁上了新臺(tái)階。

水電資源開發(fā)的差異化布局，決定了各個(gè)電站的水輪機(jī)組都是量身定制的，機(jī)組選型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝施工等各個(gè)環(huán)節(jié)都存在差異，這給設(shè)備制造和安裝增加了難度。憑借著制造技術(shù)的快速發(fā)展和積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，對機(jī)組設(shè)備部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝不斷進(jìn)行優(yōu)化，部件之間較多采用螺栓連接，可以有效降低大尺寸設(shè)備所帶來的制造和安裝難度，同時(shí)，分段式設(shè)計(jì)也給運(yùn)輸帶來了便利，縮短了設(shè)備制造工期。包括發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)、供水管、供油管等主輔機(jī)設(shè)備都較多采用螺栓連接，螺栓與被連接件所組成的系統(tǒng)的可靠性也直接影響機(jī)組的安全穩(wěn)定。

水電廠因螺栓斷裂造成的事故時(shí)有發(fā)生，著名的俄羅斯“薩揚(yáng)事故”，就是由于水輪機(jī)頂蓋螺栓松動(dòng)后發(fā)生斷裂，導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組被甩出機(jī)坑，事故造成75 人死亡，廠房被摧毀、直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)130 億美元[1]。百龍灘電站先后兩次因水輪機(jī)聯(lián)軸螺栓斷裂造成水淹廠房的事故。因此，根據(jù)螺栓對機(jī)組安全的影響程度、使用場景、失效機(jī)制等，制定相應(yīng)的管控策略，確保螺栓在服役狀態(tài)下的安全可靠具有重要意義。以下從螺栓質(zhì)量管控、運(yùn)行狀態(tài)下螺栓松動(dòng)狀態(tài)的健康監(jiān)測及不同型式機(jī)組螺栓的策略選擇3 個(gè)方面進(jìn)行分析。

2 質(zhì)量管控

質(zhì)量管控覆蓋螺栓制造、服役周期的拆裝及檢測，在嚴(yán)控工藝的基礎(chǔ)上，保持對螺栓全壽命周期的質(zhì)量管控，對螺栓的長期安全使用非常重要。

2.1 制造質(zhì)量

制造是質(zhì)量管控第一環(huán)節(jié)，具有標(biāo)準(zhǔn)化、批量化程度高的特點(diǎn)[2]。制造質(zhì)量跟制造廠的設(shè)備條件、工藝管控及技術(shù)人員水平緊密相關(guān)，嚴(yán)格管控制造工藝是確保螺栓質(zhì)量達(dá)標(biāo)的基本要求。目前，水電廠螺栓采購的質(zhì)量依據(jù)多為制造商提供的自檢報(bào)告或第三方檢測報(bào)告，此種驗(yàn)收方式存在潛在隱患，作為補(bǔ)充，電廠應(yīng)請具備檢驗(yàn)資質(zhì)的專業(yè)檢測機(jī)構(gòu)對到貨螺栓進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，從化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、加工質(zhì)量等方面，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行核驗(yàn)。因螺栓本身制造質(zhì)量問題而出現(xiàn)提前失效的情況時(shí)有發(fā)生，主要原因是在冶金、機(jī)加工和熱處理過程中工藝管控不到位所致。

2.1.1 冶金

螺栓多為鍛件，化學(xué)成分和非金屬夾雜物對坯料的性能影響較大，如強(qiáng)化元素Mn 含量超標(biāo)時(shí)會(huì)促進(jìn)材料中裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，非金屬元素S、P 含量超標(biāo)將導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降。材料中非金屬夾雜物會(huì)破壞基體的連續(xù)性，導(dǎo)致材料性能不均，并易在非金屬夾雜物尖端處形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂紋缺陷[3]。因此，需嚴(yán)格控制冶煉過程中對材料性能影響較大的元素和非金屬夾雜物的含量。

2.1.2 機(jī)加工

螺紋加工時(shí)，表面留下的刀痕處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋源；工藝不合理可能破壞材料的金屬流線，導(dǎo)致力學(xué)性能下降；表面粗糙度超標(biāo)，在螺栓緊固過程中，易導(dǎo)致螺牙底部產(chǎn)生應(yīng)力集中，以上問題都可能導(dǎo)致螺栓發(fā)生提前失效，因此，需嚴(yán)格管控螺栓機(jī)加工工藝操作。

2.1.3 熱處理

熱處理分為坯料熱處理和最終熱處理，都是為改善材料組織性能。因材料熱處理工藝控制不到位而引起失效的占比較大，如水輪機(jī)大軸聯(lián)接螺栓所用鍛件坯料直徑很大，而熱處理過程中溫度、時(shí)間設(shè)定不合理，會(huì)造成心部與表面組織出現(xiàn)較大差異，組織性能不均勻，表面硬而脆，心部軟。機(jī)加工后的調(diào)質(zhì)處理，回火溫度過高，會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度偏低，回火溫度過低，會(huì)導(dǎo)致材料硬度超標(biāo)，脆性大等問題。合理的熱處理工藝路線，并確保實(shí)際操作嚴(yán)格按照路線執(zhí)行，是材料獲得優(yōu)異性能的重要條件。

2.2 拆裝工藝

螺栓拆裝質(zhì)量主要由拆裝工藝和施工人員的操作決定，制定合理可行的拆裝工藝，并嚴(yán)格要求現(xiàn)場施工人員遵照執(zhí)行，可以有效保障螺栓和被連接件不受損傷。而拆裝過程中螺紋表面清理不干凈、潤滑劑使用不當(dāng)、預(yù)緊力過大或過小、擰緊或旋松操作中使用大錘敲打等都可能導(dǎo)致螺栓提前失效[4，5]。以下從拆裝準(zhǔn)備、初裝、預(yù)緊拉伸3 個(gè)方面說明需要注意的問題。

2.2.1 拆裝準(zhǔn)備

螺栓拆卸前，對螺栓、螺帽及螺孔按順序編號(hào)，拆卸順序按照規(guī)程，一般選擇中分面間隙較大的中間開始對稱往兩側(cè)依次拆卸。對螺栓外露螺紋表面的雜質(zhì)或銹蝕進(jìn)行徹底清理，避免螺栓旋轉(zhuǎn)過程中損傷其他螺紋。特別是對于大軸聯(lián)接螺栓這樣螺紋表面精度要求較高的，要使用研磨的方式進(jìn)行處理。拆卸下來的螺栓，進(jìn)行外觀檢查，使用壓縮空氣對螺紋、加熱孔及被連接件螺孔進(jìn)行清掃，對螺紋或孔表面的毛刺，通過研磨予以修整，對爛牙予以修理，修理后無法達(dá)到技術(shù)要求的螺栓，要予以更換。

2.2.2 螺栓初裝

水電廠大型螺栓的安裝一般要經(jīng)過初裝和預(yù)緊拉伸兩個(gè)步驟，可使用繞繩法初裝六角頭螺栓和螺母，使用鏈條鉗法或吊環(huán)法初裝雙頭螺栓。裝配過程中螺栓與螺孔之間應(yīng)以輕松旋入為合格，禁止使用大錘敲打。

2.2.3 預(yù)緊拉伸

預(yù)緊力是螺栓發(fā)揮有效緊固作用的關(guān)鍵因素，預(yù)緊力大小主要由擰緊力矩、螺栓與螺母之間的摩擦力、螺母與被連接件之間的摩擦力決定。預(yù)緊力過大會(huì)導(dǎo)致螺栓出現(xiàn)咬死，結(jié)構(gòu)剛度變大，應(yīng)力增大，可能導(dǎo)致螺栓斷裂；預(yù)緊力過小，螺栓易松動(dòng)，導(dǎo)致緊固結(jié)構(gòu)失效。螺栓預(yù)緊通常使用力矩扳手、液壓拉伸、電加熱棒拉伸等方法，選用力矩扳手要選擇量程匹配的，否則將導(dǎo)致預(yù)緊力產(chǎn)生較大誤差；液壓拉伸的拉伸器使用時(shí)要放平，升壓過程應(yīng)緩慢，注意監(jiān)視液壓缸行程、螺栓伸長量和油壓，防止超行程超壓，避免損傷螺栓；電加熱法要選用合適功率的加熱棒，如加熱功率過大，造成升溫過快，對螺栓組織和性能會(huì)造成不利影響，加熱功率不足，加熱時(shí)間過長，會(huì)造成螺紋處因變形量過大而脹住，導(dǎo)致螺紋咬死。

2.3 檢測

螺栓在服役狀態(tài)下受到重力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力及外載荷的綜合作用，在倒角、螺紋根部及原生缺陷等位置易萌生微裂紋，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長，裂紋逐漸擴(kuò)展。為了防止裂紋擴(kuò)展造成螺栓斷裂進(jìn)而引發(fā)事故，結(jié)合機(jī)組檢修，運(yùn)用無損檢測對螺栓進(jìn)行檢測。主要檢測方法是超聲檢測、磁粉檢測、滲透檢測，超聲檢測是針對螺栓內(nèi)部裂紋或從表面往內(nèi)擴(kuò)展了一定深度的裂紋缺陷，磁粉、滲透檢測是針對螺桿和螺紋表面裂紋缺陷。

超聲檢測依據(jù)DL/T 694-2012《高溫緊固螺栓超聲波檢測技術(shù)導(dǎo)則》，主要采用小角度縱波檢測、縱波直探頭檢測、橫波檢測3 種方法，從螺栓端面和桿部位置進(jìn)行檢測。目前，常規(guī)超聲檢測（脈沖反射法）在實(shí)際螺栓檢測中存在以下問題：①受聲波能量限制，對受檢螺栓長度有限制，對于超出標(biāo)準(zhǔn)尺寸范圍的螺栓檢測，難以取得準(zhǔn)確結(jié)果；②由螺紋產(chǎn)生的反射回波及由螺栓中心孔產(chǎn)生的反射回波，易影響缺陷波的判定；③對于深度小于1 mm 的裂紋，超聲檢測較難發(fā)現(xiàn)；④受檢測人員技術(shù)水平影響較大。不過，通過采用定制探頭或相控陣檢測來輔助和驗(yàn)證螺栓檢測，可以彌補(bǔ)常規(guī)超聲檢測的一些不足。磁粉和滲透檢測對表面狀況要求較高，對于不銹鋼螺栓的適用性較高，而對于非不銹鋼螺栓，因在服役過程中產(chǎn)生銹蝕，處理不完全時(shí)會(huì)對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響[6]。

螺栓檢測作為質(zhì)量管控的重要一環(huán)，可以有效鑒別一定長度或深度的裂紋缺陷，但需要在機(jī)組檢修期間，完全將螺栓拆卸下來才能實(shí)施，這一方式還無法完全消除由于螺栓產(chǎn)生裂紋，快速擴(kuò)展進(jìn)而導(dǎo)致事故的安全隱患，而通過監(jiān)測螺栓結(jié)構(gòu)松動(dòng)狀態(tài)來反推螺栓安全性的方式被視為一種有效可靠的手段。

制造、拆裝及檢測的質(zhì)量管控措施屬于螺栓長期安全使用的充分條件，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問題都可能導(dǎo)致螺栓發(fā)生提前失效。

3 健康監(jiān)測

螺栓正常服役狀態(tài)下受到重力、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、轉(zhuǎn)動(dòng)部件的扭矩等作用力，螺紋承受巨大應(yīng)力作用，牙頂或牙底的位置易產(chǎn)生應(yīng)力集中。水電機(jī)組頻繁啟停所帶來的交變應(yīng)力和機(jī)組長期運(yùn)行后，在應(yīng)力集中位置產(chǎn)生疲勞裂紋，導(dǎo)致螺栓預(yù)緊力下降，螺栓結(jié)構(gòu)發(fā)生松動(dòng)，如不及時(shí)采取措施，可能導(dǎo)致重大事故。如蝸殼和尾水管人孔門螺栓斷裂，可能造成尾水倒灌、水淹廠房；水輪機(jī)頂蓋螺栓斷裂，可能造成頂蓋與座環(huán)連接處漏水，嚴(yán)重時(shí)會(huì)掀翻頂蓋，出現(xiàn)損壞機(jī)組和水淹廠房的嚴(yán)重事故。這些位置的螺栓，在加強(qiáng)質(zhì)量管控的同時(shí)，應(yīng)采用更精確的技術(shù)對螺栓的緊固狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，在螺栓結(jié)構(gòu)發(fā)生松動(dòng)之初能及時(shí)發(fā)出預(yù)警[7]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者就機(jī)械結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測開展了廣泛研究，其中壓電陶瓷作為廣泛使用的傳感器材料，較多的應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。Liang C首先提出利用壓電陶瓷的壓電阻抗特性與結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的關(guān)系作為依據(jù)，來對結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行研判；Ritdumrongkul S 使用壓電陶瓷對多個(gè)螺栓連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了損傷定位和損傷程度的評價(jià)研究；Peair D M 就如何提高壓電阻抗技術(shù)的精確度做了相關(guān)研究。此外，吳建利用干簧開關(guān)特性對管道內(nèi)部螺栓松動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行了研究；王濤基于Greenwood和Williamson 模型和時(shí)間反演原理對聚焦信號(hào)幅值與螺栓預(yù)緊力的理論關(guān)系，提出時(shí)間反演法的螺栓松動(dòng)監(jiān)測方法；閆航瑞研究了利用小波分析法對法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)的松動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測[8-10]。

螺栓結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測通過布置在螺栓上的信號(hào)源發(fā)射一激勵(lì)信號(hào)，作用于螺栓結(jié)構(gòu)，分析接收的反饋信號(hào)，當(dāng)螺栓結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生損傷或預(yù)緊力下降時(shí)，反饋信號(hào)會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化，依據(jù)特征信號(hào)的變化情況或與螺栓結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)下的特征進(jìn)行對比，以此來評估螺栓的健康狀態(tài)。

對于已投運(yùn)機(jī)組，根據(jù)機(jī)組設(shè)備部件的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)監(jiān)測裝置，而對于新建機(jī)組，可考慮將監(jiān)測裝置加入到機(jī)組設(shè)備的設(shè)計(jì)中或采用智能螺栓。

4 策略制定

水電廠的螺栓種類繁多，各類型螺栓結(jié)構(gòu)型式、材質(zhì)、規(guī)格等存在差異，現(xiàn)以一臺(tái)單機(jī)160 MW 的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組所使用的螺栓為例，根據(jù)螺栓使用場景、拆卸頻次、更換成本等條件將其分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，如表1 所示。Ⅰ類為核心螺栓，對機(jī)組設(shè)備整體結(jié)構(gòu)和電廠安全影響很大，用于主機(jī)部件，如轉(zhuǎn)輪、大軸、頂蓋等，一般只在機(jī)組大修時(shí)拆卸，且更換成本很高；Ⅱ類為重要螺栓，對機(jī)組某一設(shè)備部件安全影響較大，用于單個(gè)設(shè)備部件，如槳葉、機(jī)架、操作架等，一般在機(jī)組B 級(jí)以上檢修或技改時(shí)拆卸，該類螺栓數(shù)量較多，更換會(huì)帶來較大成本；Ⅲ類為一般螺栓，主要對設(shè)備部件的局部安全產(chǎn)生影響，用于設(shè)備部件的局部區(qū)域，如擋風(fēng)板、操作油管、人孔門等，此類螺栓一般尺寸小，材料等級(jí)低，更換成本低，根據(jù)機(jī)組檢修時(shí)螺栓質(zhì)量情況采取分批次更換。

表1 軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組螺栓分類

水電機(jī)組不同位置的螺栓所受應(yīng)力不同，對結(jié)構(gòu)安全的影響程度也不一樣，對于主要承受靜載荷的螺栓，發(fā)生失效的概率相對較小，失效后對機(jī)組設(shè)備安全的影響也相對較小。而主要承受動(dòng)載荷的螺栓，多用于聯(lián)接轉(zhuǎn)動(dòng)部件，如果質(zhì)量管控不到位，螺栓出現(xiàn)失效的風(fēng)險(xiǎn)就大大的增加，并且對機(jī)組的安全穩(wěn)定影響很大。因此，針對機(jī)組使用的不同類型的螺栓，制定相應(yīng)的質(zhì)量管控策略，綜合考慮機(jī)組安全、運(yùn)行需要及電廠經(jīng)營成本等因素。

軸流式水輪機(jī)組 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類螺栓的安全管控策略如表2 所示，Ⅰ類核心螺栓，因其對機(jī)組安全的重要性，采取入場驗(yàn)收100%外觀檢查、50%無損檢測及10%抽樣機(jī)械性能試驗(yàn)和理化檢驗(yàn)；螺栓拆裝須制定相應(yīng)的工藝規(guī)范，細(xì)化操作流程及技術(shù)參數(shù)，并嚴(yán)格遵照執(zhí)行；螺栓服役周期內(nèi)，在機(jī)組檢修期間對其進(jìn)行超聲、磁粉等無損檢測，以確定是否產(chǎn)生裂紋缺陷；配套實(shí)時(shí)在線監(jiān)測裝置，有效消除如頂蓋螺栓、主軸聯(lián)接螺栓發(fā)生突然失效而導(dǎo)致重大事故的隱患。Ⅱ類重要螺栓，采取跟Ⅰ類螺栓一樣的入廠驗(yàn)收、拆裝工藝、服役檢驗(yàn)的管控策略，但綜合評估Ⅱ類螺栓對機(jī)組安全的影響程度及失效幾率等因素，可不采用在線監(jiān)測。Ⅲ類一般螺栓，通常規(guī)格小、材質(zhì)等級(jí)低、技術(shù)要求不高，并且造價(jià)低，采取入廠驗(yàn)收100%外觀檢查，基本使用常規(guī)工具拆裝，結(jié)合機(jī)組檢修周期和螺栓的質(zhì)量情況進(jìn)行分批次定期更換的方式進(jìn)行管控。

表2 螺栓管控策略

5 結(jié)論

水電機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，較多的使用螺栓緊固件，制定相應(yīng)的安全管控措施對于保障機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。從螺栓制造、拆裝及檢測等多方面對其使用安全進(jìn)行管控，結(jié)合在線監(jiān)測裝置，可以更加有效地消除因核心螺栓突然失效導(dǎo)致重大事故的安全隱患。文中以軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組為例，對所用螺栓進(jìn)行分類，并制定安全管控策略，可供其他型式機(jī)組進(jìn)行參考。