某電站機(jī)組改造前力特性試驗(yàn)分析

林 非，韋正鵬，張棟林，林善亮

(1.福建華電福瑞能源有限公司池潭水力發(fā)電廠，福建 三明 354400；2.華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310000)

0 引言

水電站運(yùn)行機(jī)組的零部件由于形狀和受力情況很復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常只能把模型試驗(yàn)或中間機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算成真機(jī)的受力情況，或是對(duì)其結(jié)構(gòu)和受力狀況進(jìn)行簡(jiǎn)化處理后計(jì)算而得[1-3]。因此，所得數(shù)據(jù)和結(jié)果都只能是近似的，此外，有些零部件結(jié)構(gòu)模型復(fù)雜或中間機(jī)組試驗(yàn)耗費(fèi)人力、財(cái)力且得不到準(zhǔn)確的結(jié)果，受力分析計(jì)算亦很難得到準(zhǔn)確的結(jié)果，故只有依靠現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法才能獲得較為可靠的答案[4]。

本文針對(duì)某電站機(jī)組進(jìn)行力特性試驗(yàn)，分析機(jī)組各個(gè)關(guān)鍵部位在不同的運(yùn)行狀態(tài)下的受力情況，確認(rèn)機(jī)組關(guān)鍵部位受力情況是否超標(biāo)，為機(jī)組改造可行性與改造范圍提供可靠的支撐依據(jù)。

1 分析方法

1.1 試驗(yàn)原理

采用動(dòng)靜態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)，利用電阻應(yīng)變片測(cè)定零部件或結(jié)構(gòu)指定部位的表面應(yīng)變，再根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式，確定構(gòu)件表面應(yīng)力狀態(tài)[5]。測(cè)量時(shí)，將電阻應(yīng)變片(以下簡(jiǎn)稱應(yīng)變片)固定在被測(cè)構(gòu)件上，當(dāng)構(gòu)件變形時(shí)，應(yīng)變片的電阻值發(fā)生相應(yīng)的變化[6]。

電阻應(yīng)變法測(cè)量可以用下式表示。

(1)

式中：ε為應(yīng)變儀測(cè)得的應(yīng)變值；dR/R為應(yīng)變片阻值隨構(gòu)件變形而發(fā)生的相對(duì)變化；k為比例系數(shù)(靈敏系數(shù))。

1.2 應(yīng)力計(jì)算公式

各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變片沿主應(yīng)力方向布置，因此各測(cè)點(diǎn)的“應(yīng)力-應(yīng)變”關(guān)系可以按單向應(yīng)變計(jì)算公式或者按照兩向變片計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算分析[7]，即：

σ=Eε

(2)

(3)

式中：E為被測(cè)材料的彈性模量；μ為被測(cè)材料的泊松比。

2 試驗(yàn)儀器及測(cè)點(diǎn)布置

2.1 試驗(yàn)儀器

1)應(yīng)變片：本次檢測(cè)采用的是箔式電阻應(yīng)變片，雙向垂直應(yīng)變片為BFH120-3BA-Q30高精度應(yīng)變片，敏感柵尺寸3 mm×2 mm，基底尺寸10.3 mm×10.3 mm，靈敏系數(shù)2.0±1%；單向應(yīng)變片為B120-3AA-Q30高精度應(yīng)變片，敏感柵尺寸6 mm×4 mm，基底尺寸11 mm×6 mm，靈敏系數(shù)2.0±1%。

2)應(yīng)變儀：本次試驗(yàn)采用北京必創(chuàng)科技股份有限公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試分析系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集采用無(wú)線實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

3)測(cè)量導(dǎo)線：由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在電磁等干擾，數(shù)據(jù)采集過(guò)程中采用標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)采集屏蔽線，減少測(cè)量誤差。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)采用電阻應(yīng)變測(cè)量法(即電測(cè)法)直接測(cè)定機(jī)組運(yùn)行時(shí)零部件(下機(jī)架、頂蓋關(guān)鍵受力部件)的實(shí)際受力狀態(tài)和特性規(guī)律，為校核結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和安全可靠性提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以確定其實(shí)際安全狀態(tài)。另外，根據(jù)應(yīng)力測(cè)試的特性要求，為了消除溫度的影響，在材料與被測(cè)結(jié)構(gòu)相同的環(huán)境中布置了溫度補(bǔ)償片[8]。

試驗(yàn)中考慮到上、下機(jī)架各向同性的特點(diǎn)，在6個(gè)上機(jī)架和4個(gè)下機(jī)架中挑選3個(gè)相鄰上機(jī)架和2個(gè)相鄰下機(jī)架，選擇測(cè)點(diǎn)位置布置雙向應(yīng)變片(垂直與圓周方向)并進(jìn)行編號(hào)。考慮到下機(jī)架與定子機(jī)座在同一工作平面，在定子機(jī)座與下機(jī)架同方向下部圓環(huán)位置布置2個(gè)單向應(yīng)變片，應(yīng)變片沿環(huán)向分布。各部件測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.3 材料參數(shù)

查找電廠提供的圖紙和相關(guān)資料，得到被測(cè)各部件材料型號(hào)和相關(guān)的材料參數(shù)，如表1所示。

表1 材料參數(shù)

3 試驗(yàn)內(nèi)容及步驟

在機(jī)組靜止?fàn)顟B(tài)下布置各測(cè)點(diǎn)，同時(shí)將各測(cè)點(diǎn)接入應(yīng)變儀，調(diào)試設(shè)備(調(diào)零)，然后機(jī)組開(kāi)機(jī)，并進(jìn)行空轉(zhuǎn)、空載、帶負(fù)荷等運(yùn)行工況下的數(shù)據(jù)采集分析。

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)的準(zhǔn)備主要包括傳感器(應(yīng)變片)的安裝、接線、調(diào)試。

1)選擇應(yīng)變片位置：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際條件，選擇好貼片位置。

2)打磨清洗：對(duì)選擇好的構(gòu)件位置表面待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行除銹、除漆打磨處理，打磨后表面應(yīng)平整光滑，無(wú)銹斑等，然后用浸有丙酮或酒精的藥棉清洗預(yù)測(cè)部位表面，清除油垢灰塵，保持清潔干凈。

3)畫(huà)線：在被測(cè)點(diǎn)精確地用鋼針畫(huà)好十字交叉線以便定位。

4)粘貼：將選好的應(yīng)變片背面均勻地涂上一層膠黏劑(本次試驗(yàn)選用502膠水)，膠層厚度要適中，將應(yīng)變片的十字線對(duì)準(zhǔn)構(gòu)件預(yù)測(cè)部位的十字交叉線，輕輕校正方向，然后蓋上一張玻璃紙，用手指朝一個(gè)方向滾壓應(yīng)變片，擠出氣泡和過(guò)量的膠水，保證膠層盡可能薄而均勻，再用同樣的膠粘貼引線端子。

5)表面密封：由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境濕潤(rùn)，待貼片自然干燥后，利用專業(yè)的705透明密封膠對(duì)應(yīng)變片密封處理。

6)連接固定導(dǎo)線：將應(yīng)變片的2根導(dǎo)線引出線焊在接線端子上，再將導(dǎo)線由接線端子引出連接帶有相同編號(hào)的信號(hào)線。

7)放置1 h后，對(duì)貼片構(gòu)件進(jìn)行測(cè)試。貼片和連接導(dǎo)線過(guò)程中注意對(duì)編號(hào)后的應(yīng)變片與導(dǎo)線一一對(duì)應(yīng)，并用萬(wàn)用表測(cè)試應(yīng)變片的連通狀況。

8)用屏蔽導(dǎo)線連接應(yīng)變片和應(yīng)變測(cè)量?jī)x，導(dǎo)線連接后對(duì)應(yīng)變儀進(jìn)行平衡調(diào)零。

3.2 試驗(yàn)步驟

1)開(kāi)機(jī)試驗(yàn)：記錄機(jī)組開(kāi)機(jī)、空轉(zhuǎn)、空載過(guò)程各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化值。

2)變負(fù)荷試驗(yàn)：依次為空載、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%額定負(fù)荷、當(dāng)前條件下最大出力，然后逐步減少到90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%額定負(fù)荷、空載。

3)停機(jī)試驗(yàn)：記錄帶負(fù)荷到停機(jī)過(guò)程各個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化值。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 開(kāi)機(jī)試驗(yàn)

開(kāi)機(jī)過(guò)程對(duì)上、下機(jī)架和定子機(jī)座的變形進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，開(kāi)機(jī)前對(duì)所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行清零處理，具體應(yīng)變?nèi)鐖D2～4所示。

圖2 上機(jī)架開(kāi)機(jī)應(yīng)變變化曲線

從監(jiān)測(cè)的曲線可以看到，機(jī)組開(kāi)機(jī)后，上、下機(jī)架和定子機(jī)座受力逐漸增大。如表2所示，上機(jī)架最大應(yīng)變值發(fā)生在2號(hào)測(cè)點(diǎn)垂直方向，最大應(yīng)變值為35.06 με，此時(shí)的應(yīng)力值為9.3 MPa；下機(jī)架最大應(yīng)變值發(fā)生在1號(hào)測(cè)點(diǎn)圓周方向，最大應(yīng)變值為-271.29 με，最大主應(yīng)力約-77.13 MPa；定子機(jī)座最大應(yīng)變值發(fā)生在1號(hào)測(cè)點(diǎn)圓周方向，最大應(yīng)變值為-242.84 με，最大主應(yīng)力約-50.03 MPa。

圖3 下機(jī)架開(kāi)機(jī)應(yīng)變變化曲線

圖4 定子機(jī)座開(kāi)機(jī)應(yīng)變變化曲線

表2 開(kāi)機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力應(yīng)變值

4.2 變負(fù)荷試驗(yàn)

機(jī)組開(kāi)機(jī)變負(fù)荷，同步記錄機(jī)組從空載到變負(fù)荷過(guò)程各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變變化情況。變化過(guò)程中，上、下機(jī)架和定子機(jī)座各測(cè)點(diǎn)具體應(yīng)變?nèi)鐖D5～7所示。

圖5 上機(jī)架變負(fù)荷應(yīng)變變化曲線

從監(jiān)測(cè)的曲線圖可以看到，隨著負(fù)荷的增加，機(jī)組上機(jī)架受力逐漸增大，隨著負(fù)荷的減小，受力也逐漸減??；而下機(jī)架與定子機(jī)座受力變化較為平緩，與不帶負(fù)荷時(shí)基本保持一致。上機(jī)架最大應(yīng)變值發(fā)生在3號(hào)測(cè)點(diǎn)垂直方向，最大應(yīng)變值為93.12 με，此時(shí)的應(yīng)力值為22.01 MPa；下機(jī)架最大應(yīng)變值發(fā)生在1號(hào)測(cè)點(diǎn)圓周方向，最大應(yīng)變值為-276.86 με，最大主應(yīng)力約-79.49 MPa；定子機(jī)座最大應(yīng)變值發(fā)生在1號(hào)測(cè)點(diǎn)圓周方向，最大應(yīng)變值為-234.16 με，最大主應(yīng)力約-48.24 MPa。上、下機(jī)架和定子機(jī)座各個(gè)測(cè)點(diǎn)分別的最大應(yīng)變值及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值如表3所示。

圖6 下機(jī)架變負(fù)荷應(yīng)變變化曲線

圖7 定子機(jī)座變負(fù)荷應(yīng)變變化曲線

表3 變負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力應(yīng)變值

4.3 停機(jī)試驗(yàn)

機(jī)組由帶負(fù)荷到停機(jī)，同步記錄機(jī)組停機(jī)過(guò)程各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變變化情況。變化過(guò)程中上、下機(jī)架和定子機(jī)座各測(cè)點(diǎn)具體應(yīng)變曲線如圖8～10所示。

圖8 上機(jī)架過(guò)程應(yīng)變變化曲線

圖9 下機(jī)架過(guò)程應(yīng)變變化曲線

圖10 定子機(jī)座過(guò)程應(yīng)變變化

從監(jiān)測(cè)的曲線圖可以看到，機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中上機(jī)架各測(cè)點(diǎn)值逐漸減小，說(shuō)明上機(jī)架受力也逐漸減小，而下機(jī)架與定子機(jī)座各測(cè)點(diǎn)值先逐漸增大后減小，說(shuō)明受力也是先增后減。上機(jī)架最大應(yīng)變值發(fā)生在2號(hào)測(cè)點(diǎn)垂直方向，最大應(yīng)變值為46.37 με，此時(shí)的應(yīng)力值為13.02 MPa；下機(jī)架最大應(yīng)變值發(fā)生在1號(hào)測(cè)點(diǎn)圓周方向，最大應(yīng)變值為-335.73 με，最大主應(yīng)力約-95.27 MPa；定子機(jī)座最大應(yīng)變值發(fā)生在1號(hào)測(cè)點(diǎn)圓周方向，最大應(yīng)變值為-282.28 με，最大主應(yīng)力約-58.15 MPa。上、下機(jī)架和定子機(jī)座各個(gè)測(cè)點(diǎn)分別的最大應(yīng)變值及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值如表4所示。

表4 停機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)最大應(yīng)力應(yīng)變值

5 結(jié)論

1)從各試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，各個(gè)試驗(yàn)工況下，上下機(jī)架各測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的應(yīng)力應(yīng)變值均較小。其中，上機(jī)架最大應(yīng)力應(yīng)變變化值發(fā)生在變負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)生部位為下機(jī)架3號(hào)測(cè)點(diǎn)垂直方向，下機(jī)架最大應(yīng)力應(yīng)變變化值發(fā)生在停機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)生部位為1號(hào)測(cè)點(diǎn)圓周方向，定子機(jī)座最大應(yīng)力應(yīng)變變化值發(fā)生在停機(jī)試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)生部位為1號(hào)測(cè)點(diǎn)圓周方向。

2)在本次試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中，上、下機(jī)架和定子機(jī)座在各個(gè)試驗(yàn)工況下，發(fā)生的應(yīng)力變化最大值均小于材料的許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足工況要求，未有超出材料許用應(yīng)力143 MPa強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的情況。