云峰水電站過筏壩段起重機檢測及改造

劉 浩，李昱蓉，李一馥，謝振鋒

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春130021；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京210031）

1 過筏起重機現(xiàn)狀

云峰水電站1號、3號過筏起重機投產(chǎn)使用，迄今已運行55年以上?，F(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)3號起重機由于磨損腐蝕嚴重、保養(yǎng)不良、年久失修已經(jīng)報廢。1982年增補1臺吉林水工機械廠生產(chǎn)的2號起重機，至今也已運行近35年。1號機的起重臂及支臂的主要支撐桿件已經(jīng)發(fā)生了較為明顯的屈曲和變形，1號機的回轉(zhuǎn)傳動齒輪出現(xiàn)嚴重的損壞，軌道面出現(xiàn)嚴重的銹蝕磨損和損壞，表明1號起重機已經(jīng)不滿足其安全使用要求。

起重機的多數(shù)電氣設(shè)備使用年限超過30年，設(shè)備老化、落后嚴重，維修困難，逐漸暴露出很多不適應(yīng)工程安全運行的問題，電氣零件多數(shù)已屬于落后淘汰產(chǎn)品，電源開關(guān)等多處金屬裸露，存在不同程度的安全隱患。起重機的高壓配電裝置、電氣控制系統(tǒng)均設(shè)置在操作室中，但是未見單獨的接地裝置。上述問題均不符合《水利水電勞動與工業(yè)衛(wèi)生設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定。

另外，減速器、電動機、制動器等零部件已屬落后淘汰產(chǎn)品，多年前國內(nèi)已不生產(chǎn)，檢修及維護極不方便。目前，對一些損壞的零部件采用土辦法維持使用，存在較大安全隱患。司機室設(shè)在啟閉室內(nèi)，礙于啟閉室的高程和所處大壩的位置，操作人員在操作門機時無法看清壩面、庫區(qū)及左右的情況，存在調(diào)度指揮和操作盲區(qū)，多次造成門機與附近水工建筑物碰撞，不僅存在安全問題，一定程度上也降低工作效率。

2 過筏壩段平臺金屬結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀

2.1 外觀狀態(tài)

云峰過筏壩段共有24支起重機軌道支撐梁，經(jīng)外觀檢查，起重機軌道及支撐梁存在年久失修、防腐涂層失效、銹蝕嚴重、變形位移超過規(guī)范要求、固定支撐斷裂、支撐梁上留存雜物、軌道損傷斷裂、運行異響的現(xiàn)象，24支門機軌道支撐梁整體狀況較差，存在安全隱患，主要外觀缺陷：軌道軌面開裂破損，軌道支撐梁錯位，軌道腹板開裂，軌道支撐梁側(cè)向支撐斷裂等。

2.2 防腐層狀態(tài)

對24支起重機軌道支撐梁涂層厚度做了檢測，起重機軌道支撐鋼梁均年久失修，防腐層失效，構(gòu)件銹蝕剝落，銹蝕嚴重，最大銹蝕坑超過3 mm，90%以上構(gòu)件表面銹蝕。防腐涂層厚度均不滿足SL105-2007《水工金屬結(jié)構(gòu)防腐規(guī)范》標準的要求。

2.3 焊縫狀態(tài)

對起重機軌道支撐梁的一、二類焊縫進行了超聲波檢測，主要檢測部位為翼板和腹板對接焊縫。焊縫超聲波抽檢結(jié)果表明：按照GB 11345-1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及探傷質(zhì)量分級》評判，所抽檢的24支門機軌道支撐梁翼板對接焊縫均存在未焊透、未熔合等嚴重超標缺陷，所抽檢的腹板對接焊縫未發(fā)現(xiàn)有超標缺陷存在。

2.4 軌道支撐梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力

受現(xiàn)場工況和檢測條件限制，現(xiàn)場檢測只對部分門機軌道支撐梁進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測，加載重量約為設(shè)計載荷的1/3（10 t）。結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測采用傳統(tǒng)的電測方法，通過粘貼在受力構(gòu)件上的電阻應(yīng)變計獲取信號，利用導(dǎo)線傳遞，實現(xiàn)遠距離測量。

門機駛離測試軌道支撐梁，在空載狀態(tài)下無線應(yīng)變儀調(diào)零，起重支臂位于過筏壩段下游側(cè)垂直位置，門機約掛載10 t載荷；門機在開始采集數(shù)據(jù)后駛上測試支撐梁至最大應(yīng)力部位停止，保持30 s后，通過駛離測試支撐梁，無線應(yīng)變儀采集此過程應(yīng)變曲線。根據(jù)現(xiàn)場工況，檢測進行3次，3次檢測的數(shù)據(jù)重現(xiàn)性較好，其中一次過程曲線如圖1，2所示。

圖1 7號上游側(cè)門機軌道支撐梁應(yīng)力測試曲線

圖2 7號下游側(cè)門機軌道支撐梁應(yīng)力測試曲線

由測量結(jié)果可知，門機軌道支撐梁在約10 t的載荷下，最大工作應(yīng)力為45.7 MPa，小于其材料許用應(yīng)力136.8 MPa，強度滿足要求。

利用ANSYS有限元軟件計算，30 t載荷下軌道支撐梁的應(yīng)力，計算結(jié)果如圖3，4所示。

圖3 門機軌道支撐梁加載30t位移圖

圖4 門機軌道支撐梁加載30t應(yīng)力圖

經(jīng)有限元分析計算，在30 t載荷下門機軌道支撐梁主要結(jié)構(gòu)件應(yīng)力最大值為47.11 MPa，其應(yīng)力值小于Q235材料的許用應(yīng)力136.8 MPa，主要構(gòu)件的最大變形值2.63 mm，小于其許用剛度值。

3 過筏起重機設(shè)計

通過對云峰水電站過筏壩段起重機及軌道支撐梁的檢測，因該工程已運行超過50年，且構(gòu)件年久失修，所檢構(gòu)件存在防腐涂層失效、局部鋼材裂紋、鋼軌破損斷裂、固定螺栓松動脫落、焊縫超標缺陷、構(gòu)件固定支撐連接斷裂、沉降位移和變形超標等嚴重缺陷，過筏起重機運行過程中振動和異響嚴重。存在較大安全隱患，已不滿足正常使用要求。因此，重新對過筏起重機及其支撐進行設(shè)計制造。

3.1 金屬結(jié)構(gòu)部分

起重機的金屬結(jié)構(gòu)部分主要由以下幾部分構(gòu)成：

1）門架：由底梁、縱梁、斜梁、斜撐以及中心架采用螺栓聯(lián)接組成的門形鋼架，上平臺為7 m正方形，放置直徑為7 m針齒回轉(zhuǎn)盤，在中心架上放置回轉(zhuǎn)中心軸，底梁與走行臺車相連接。

2）豎塔：由立架、斜拉組成，豎塔頂部裝有滑輪組，立架下部與機臺連接處有φ100的安裝孔，作為安裝豎塔時的鉸接支撐點，斜拉下端與配重箱立板相連接，構(gòu)成三角形鋼架，各部位均采用螺栓連接。

3）起重臂：共分成4節(jié)，各節(jié)均用螺栓連接，頭部有一組拉桿組成的變幅滑輪組及平衡滑輪，起重臂頂部設(shè)有3個起重滑輪，起重臂根部設(shè)有軸承并與φ100軸鉸接，起重臂一側(cè)設(shè)有走臺，便于檢修和維護滑輪組。

4）機臺：由前、后主體和兩側(cè)前后機翼組成，并采用螺栓連接。機臺下面裝有4個回轉(zhuǎn)臺車，支撐在門架的回轉(zhuǎn)盤軌道上，圍繞回轉(zhuǎn)中心軸滾動，上部回轉(zhuǎn)部分均裝于機臺上。

5）機械室：由多塊鋼板及型鋼由螺栓連接組成剛性框架，在機械室尾部設(shè)有配重箱，操作室較原位置提高至機械室房頂以上的起重臂右側(cè)，四面設(shè)玻璃窗，提高司機操作視野，機械室門側(cè)設(shè)有走臺。

3.2 機械設(shè)備部分

起重機主要有起重、變幅、回轉(zhuǎn)、走行四個動作，并分別由單獨的傳動機構(gòu)實現(xiàn)。

1）起重機構(gòu)：固定式卷揚啟閉機，包括基座、電動機、減速箱、卷筒、鋼絲繩、制動器等。起重機構(gòu)的鋼絲繩一端固定在卷筒上，另一端固定在起重臂頭部載重量限制器桅桿上，根據(jù)不同的起重量采用10 t或30 t起重鉤。

2）變幅機構(gòu)：由基座、電動機、減速箱、卷筒、鋼絲繩、制動器、行程限制器等構(gòu)成。在卷筒上繞有兩股鋼絲繩，并與起重臂頭部的變幅滑輪組相連接。

3）回轉(zhuǎn)機構(gòu)：由回轉(zhuǎn)立柱、電動機、制動器、減速器、回轉(zhuǎn)盤、聯(lián)軸器等構(gòu)成。

4）走行機構(gòu)：由4套單獨傳動機構(gòu)的走行臺車分別安裝在門架的4個腳架上，走行臺車是由電動機、減速箱、走輪、車架、制動器、鎖定裝置等組成。在軌道上設(shè)置擋塊以限制走行機構(gòu)的工作范圍，起重機在非工作狀態(tài)下，將臺車鎖定在平臺上。

5）起重鉤：由吊鉤和滑輪組成，有10 t和30 t兩類起重鉤。

6）輔助設(shè)備：包括電纜絞盤、載重量限制器、變幅指示裝置、吊鉤高度限位器等。

3.3 電氣設(shè)備部分

在起重機平臺上設(shè)置獨立的箱式變電站，引入電源采用朝方10 kV/60 Hz高壓電（箱式變電站10 kV電源接入部分不在此次改造范圍內(nèi)），通過變電站轉(zhuǎn)化為380 V/50 Hz工作電壓。工作電纜通過電纜絞盤引入到機械室內(nèi)，供各個電氣部分使用。

在機械室內(nèi)設(shè)置電氣控制系統(tǒng)，電氣控制系統(tǒng)包含起重機構(gòu)的電氣控制、變幅機構(gòu)的電氣控制、回轉(zhuǎn)機構(gòu)的電氣控制、走行機構(gòu)的電氣控制。

操作室內(nèi)設(shè)有風扇和電暖氣，機體配有適當?shù)恼彰鳠艟咭怨┮归g工作照明。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場檢測，確定云峰大壩3臺過筏起重機不具備安全作業(yè)狀態(tài)，其中1號、3號過筏起重機報廢并拆除，設(shè)計1臺新式過筏起重機；對2號過筏起重機進行應(yīng)急性檢修，作為新過筏起重機投入使用前過渡期使用。全新設(shè)計的過筏起重機，在參考原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從結(jié)構(gòu)、電氣、運行管理等方面提出新的設(shè)計方案。為云峰電站過筏壩段安全長期穩(wěn)定運行，提供保障。