水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備實時在線監(jiān)測系統(tǒng)運用及智能管控研究

李 林

(國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都610000)

1 水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的重要性及實時在線監(jiān)測的必要性

水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備通常包括閘門、啟閉機、引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼等，是水電站重要設(shè)備和設(shè)施，承擔著水電站泄洪、發(fā)電引水、農(nóng)田灌溉等重要功能，一旦出現(xiàn)故障或事故，將對水電站發(fā)電效益和下游人民群眾的生命財產(chǎn)安全造成嚴重后果。

國內(nèi)外水工金屬結(jié)構(gòu)失事案例較多[1-3]。文獻[1]統(tǒng)計了部分國內(nèi)外閘門的典型事故，對1941年～1999年期間發(fā)生在國外的28起弧形閘門事故，1958年～1989年期間發(fā)生在國內(nèi)的43起平面閘門事故進行了事故描述和原因分析。文獻[1]收集了國內(nèi)外閘門(或閥)事故實例70余則，介紹了事故發(fā)生的經(jīng)過，對事故發(fā)生原因及其處理措施作了深入的分析和評述。文獻[2]收集了大量蘇聯(lián)國內(nèi)及部分國外的水工金屬結(jié)構(gòu)事故實例，不僅詳細地描述了事故發(fā)生前后的情況，而且對事故發(fā)生的原因進行了深入的分析。文獻[3]統(tǒng)計了15起輕型弧形鋼閘門事故破壞的狀況及原因。

因此水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備非常有必要進行實時在線監(jiān)測，通過布置在設(shè)備上的傳感器，實時監(jiān)測設(shè)備的運行狀態(tài)，當設(shè)備運行狀態(tài)異常時進行預警和報警，避免初期故障和事故的發(fā)生，確保設(shè)備的運行安全。

近期，國家能源集團國電大渡河公司在大崗山水電站實施了國內(nèi)首批閘門實時在線監(jiān)測系統(tǒng)，并開展了閘門智能管控實施研究，填補了國內(nèi)水工金屬結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測領(lǐng)域的空白。同時，考慮到水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的重要性，對水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備系統(tǒng)化地實施實時在線監(jiān)測運用的行業(yè)標準和管理進行了深入的研究和構(gòu)思。

2 水工金屬結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

現(xiàn)階段，水電站水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備常規(guī)檢修手段為日常巡檢、定期檢查和專項安全評估檢測。這種常規(guī)檢修手段對設(shè)備的健康運行起了很大作用，但仍存在以下缺點和不足：①視聽判斷、根據(jù)經(jīng)驗簡單檢測；②工作量大、效率低；③難以檢測、無法檢測；④檢測工作實施時安全風險大、相對辛苦；⑤受人的情緒影響，也受人的能力有所局限，有漏檢誤判的風險。

水工金屬結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測研究的目的，是為研究水工金屬結(jié)構(gòu)失效的內(nèi)在原因，對水工金屬結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)進行實時監(jiān)測，進而建立起完整的水工金屬結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測的安全評價體系。據(jù)相關(guān)文獻統(tǒng)計，水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備失事破壞的主要形式有強度破壞、振動破壞、動力失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)變形、主要部件失效等。對于閘門、啟閉機、引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼等不同類型的水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，其失事破壞的主要原因各不相同，監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)需涵蓋主要故障源。

2.1 閘門實時在線監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)

閘門事故原因主要有4個方面：流激振動破壞、閘門超標準運行、關(guān)鍵部件(如支鉸、定輪、鏈輪)失效、制造安裝質(zhì)量及管理事故。由此引發(fā)閘門的應力接近屈服強度、結(jié)構(gòu)共振、門葉卡阻、主要部件失效等問題，相應地，閘門實時在線監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)為：

(1)流激振動監(jiān)測。監(jiān)測出特征部位的振動加速度值、位移值、頻率值，在振動位移超標和振動頻率接近固有頻率時能夠預警和報警。

(2)應力監(jiān)測。監(jiān)測出主梁、支臂、吊耳等關(guān)鍵部位的工作應力值，并根據(jù)實測工作應力值解析出靜應力值和動應力值，在靜應力值和動應力值超標時能夠預警和報警。

(3)運行姿態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測出閘門中心線在啟閉過程中的運行軌跡，計算出閘門門體到側(cè)軌之間的距離，當間隙超出特定值時能夠預警和報警。

(4)關(guān)鍵部件工作狀態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測出弧門支鉸、定輪門定輪和鏈輪門鏈輪等關(guān)鍵部位的運行狀態(tài)，在運行狀態(tài)異常時(支鉸軸承抱死、定輪不旋轉(zhuǎn)等)能夠預警和報警。

2.2 啟閉機實時在線監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)

啟閉機在各種工況條件下運行，出現(xiàn)各類微觀缺陷和不穩(wěn)定的動態(tài)響應，包括疲勞、磨損、變形、制動器故障、減速器故障、鋼絲繩故障、保護盤跳電、變頻器故障及車輪與軌道故障等。相應地，啟閉機實時在線監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)為：

(1)主要構(gòu)件工作應力實時在線監(jiān)測。監(jiān)測出主梁、卷筒軸承座支撐梁等部位的工作應力值，在工作應力值超標時能夠預警和報警。

(2)起升機構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷。起升機構(gòu)為典型的旋轉(zhuǎn)機械，狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷適用于旋轉(zhuǎn)機械的振動頻譜分析法。起升機構(gòu)的制造、安裝誤差和運行工況是振動的激勵源。振動診斷技術(shù)是利用正常機構(gòu)的動態(tài)性(如固有頻率、振型、傳遞函數(shù)等)與異常機構(gòu)動態(tài)特性的不同，來判斷機構(gòu)是否存在故障的技術(shù)。起升機構(gòu)故障診斷可診斷的故障類型有：安裝基礎(chǔ)不良(基礎(chǔ)松動、基礎(chǔ)焊縫開裂)、軸系不對中、轉(zhuǎn)動部件不平衡、齒輪故障、滾動軸承故障、機械配合不良、共振等。

(3)卷筒、制動器軸向竄動監(jiān)測。監(jiān)測制動盤和卷筒在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)的最大擺動量(端面跳動量)，當制動盤和卷筒旋轉(zhuǎn)擺動量(端面跳動量)超過設(shè)定的閾值，給出報警信號。

(4)鋼絲繩斷絲和截面積損失監(jiān)測。鋼絲繩缺陷檢測傳感器為一體式套筒結(jié)構(gòu)，鋼絲繩運行時從套筒內(nèi)非接觸通過，傳感器(見圖1)內(nèi)部分為激勵和信號采集兩部分，采用電磁或永磁激勵，通過測量磁通量的變化量或漏磁量大小，計算出鋼絲繩磨損和截面積減少。鋼絲繩缺陷檢測傳感器采集鋼絲繩磨損、斷絲、縮徑等數(shù)據(jù)(見圖2)，分析和診斷鋼絲繩的安全性。當出現(xiàn)磨損量增大、斷絲、縮徑比例增大等異常時，報警并提供異常報警原因。

圖1 鋼絲繩缺陷檢測傳感器

圖2 鋼絲繩斷絲信號

2.3 引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼實時在線監(jiān)測關(guān)鍵參數(shù)

引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼事故原因主要有：焊縫或板材內(nèi)部微小缺陷擴展導致的開裂或滲漏、內(nèi)水或外水壓力導致的失穩(wěn)、高速含沙水流導致的管壁磨損、腐蝕導致管壁厚度減薄，由此引發(fā)引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼承載能力降低、滲漏、開裂、失穩(wěn)等問題。相應地，引水壓力鋼管、鋼岔管、機組蝸殼實時在線監(jiān)測的關(guān)鍵參數(shù)為：

(1)缺陷擴展監(jiān)測。內(nèi)部微缺陷在外力或內(nèi)力作用下產(chǎn)生擴展時，會以彈性波的形式釋放應變能，彈性波在彈性介質(zhì)中的傳播現(xiàn)象即為聲發(fā)射現(xiàn)象。采用聲發(fā)射檢測傳感器可以監(jiān)測出缺陷擴展的信號(見圖3)，當監(jiān)測發(fā)現(xiàn)缺陷擴展信號、萌生裂紋、滲流等異常時，給出報警信號。

圖3 聲發(fā)射斷鉛試驗(模擬缺陷擴展的信號)

(2)應力監(jiān)測。通過布置應變傳感器測點，采集壓力鋼管、鋼岔管及蝸殼主要受力部位的工作應力數(shù)據(jù)，分析壓力鋼管、鋼岔管及蝸殼結(jié)構(gòu)強度的安全性。當測試數(shù)據(jù)超限時，應報警并提供異常報警原因。

(3)結(jié)構(gòu)振動。通過布置加速度傳感器測點，采集壓力鋼管、鋼岔管及蝸殼運行狀態(tài)的動態(tài)響應數(shù)據(jù)，分析和判斷壓力鋼管、鋼岔管及蝸殼運行的穩(wěn)定性。當管壁出現(xiàn)振動幅值、動應力值增大等異常時，報警并提供異常報警原因。

(4)管壁厚度監(jiān)測。采用電渦流或超聲波傳感器，測量某幾個典型部位的鋼板厚度，當壁厚減薄至一定數(shù)值或比例時，給出報警信號。

在這里需要特別說明的是，采用什么監(jiān)測方法，運用什么原理，或者選擇哪些傳感器，都不是唯一的，完全不必拘泥于文中提到的監(jiān)測方法。隨著技術(shù)的發(fā)展，各類傳感器的升級換代，或創(chuàng)新方法和原理的應用，一定會找到更加先進、更加科學的監(jiān)測方法，使得數(shù)據(jù)檢測更加方便、更加真實、更加精準。同時，其他行業(yè)或?qū)I(yè)成熟的監(jiān)測方法和技術(shù)，也值得學習和借鑒。

3 水工金屬結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測標準體系的研究

目前，水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)尚無國家標準、行業(yè)標準或地方標準，國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司已牽頭開始著手NB/T類行業(yè)標準的編制工作。該行業(yè)標準申報名稱為《水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件》(以下簡稱“在編標準”)。該在編標準將以規(guī)范水電站工作閘門、啟閉機設(shè)備及壓力鋼管等大型結(jié)構(gòu)，傳動機構(gòu)的狀態(tài)實時在線監(jiān)測技術(shù)條件和狀態(tài)評定技術(shù)為原則，采用已在工程實際中應用的實時在線監(jiān)測新技術(shù)、新工藝、新材料及常規(guī)、通用、成熟的技術(shù)知識，并參考國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)要求，使得該在編標準能夠作為水電站工作閘門、啟閉機及壓力鋼管狀態(tài)實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計、制造、安裝和維護的技術(shù)要求。

在編標準的主要創(chuàng)新點有：①首次系統(tǒng)性地提出了水工金屬結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測的技術(shù)方法和安全評價體系。②全面總結(jié)了水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備事故的主要原因，科學設(shè)置了各種水工金屬結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測的主要功能模塊。③系統(tǒng)研究了現(xiàn)有標準、規(guī)程，科學設(shè)置了各種監(jiān)測參數(shù)的評價標準，為監(jiān)測決策提供理論依據(jù)。④在統(tǒng)一的監(jiān)測標準體系之下，為建立金結(jié)設(shè)備行業(yè)大數(shù)據(jù)管控平臺、打造業(yè)界先進的數(shù)據(jù)庫打下基礎(chǔ)。

4 水工金屬結(jié)構(gòu)在線監(jiān)測技術(shù)在大崗山水電站的運用

大崗山閘門實時在線監(jiān)測系統(tǒng)綜合了結(jié)構(gòu)實時應力監(jiān)測、振動模態(tài)監(jiān)測、運行姿態(tài)監(jiān)測和支鉸軸承故障監(jiān)測等功能模塊，監(jiān)測界面見圖4。

圖4 監(jiān)測界面

圖4左側(cè)顯示的為應力值，中間上部為測點示例圖，中間下部為支鉸軸承聲發(fā)射監(jiān)測值，右側(cè)上半部分為流激振動監(jiān)測值，右側(cè)下部分為閘門運行姿態(tài)和支鉸軸轉(zhuǎn)動監(jiān)測值。

大崗山閘門實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的“頻率掃描法”識別水工金屬結(jié)構(gòu)自振頻率和聲振技術(shù)監(jiān)測支鉸軸承故障屬國內(nèi)首創(chuàng)技術(shù)，對破解國內(nèi)水電工程金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測領(lǐng)域難題具有較大推進作用。

4.1 “頻率掃描法”識別水工金屬結(jié)構(gòu)自振頻率技術(shù)[5]

采用帶偏心質(zhì)量塊的變頻電機在設(shè)備特征部位實施激振，激振頻率從0逐步升高至200 Hz，識別出閘門的共振點，為科學設(shè)定閘門振動監(jiān)測閾值(振動位移值、振動頻率值)奠定基礎(chǔ)。圖5為測試現(xiàn)場，可以測得的振動頻率-加速度曲線。

圖5 測試現(xiàn)場

表1為弧形閘門在流激振動條件下的動態(tài)響應測試數(shù)據(jù)?？梢钥闯觯旈l門振動響應頻率低于40 Hz、且位移小于0.09 mm時，閘門的振動響應處于安全范圍。當閘門振動響應頻率接近40 Hz時，應有二級報警提示；當響應頻率接近50 Hz時，閘門受泄流引起的振動已經(jīng)具有危害性，應三級報警并采取措施；當閘門響應頻率接近52 Hz，就處于嚴重危害的級別，不允許發(fā)生。

表1 激振器激振頻率與弧形閘門的動態(tài)響應

從測試數(shù)據(jù)上分析，三級報警距離四級報警的間隔很近，這提示閾值設(shè)定的運行軟件，一旦出現(xiàn)三級報警，必須采取措施，防止閘門的振動響應出現(xiàn)惡化趨勢。

4.2 聲振技術(shù)監(jiān)測支鉸軸承故障[5-9]

監(jiān)測滾動軸承(高速)故障的典型手段是使用加速度傳感器，這有國際通行的方法和標準。但是，支鉸軸承屬于低速、重載的滑動軸承，加速度傳感器不能準確、定性診斷其故障。加速度傳感器和聲發(fā)射傳感器復合在一起，組成聲振傳感器。聲振傳感器具有帶寬大、靈敏度高等特點，可較為準確地檢測出滑動軸承的剝落、裂紋、壓痕、腐蝕凹坑和膠合等缺陷，較好地進行故障定性和診斷。圖6為典型軸承摩擦的聲發(fā)射監(jiān)測信號。

圖6 典型軸承摩擦的聲發(fā)射監(jiān)測信號

5 水工金屬結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測的管理研究

水工金屬結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測對于設(shè)備全生命周期管理具有重要的意義，可起到改善設(shè)備運行狀態(tài)、延長設(shè)備服役時間、提高設(shè)備資產(chǎn)價值等作用。

(1)設(shè)備設(shè)計選型階段。在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析、挖掘必然會對金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計有所反饋，對于金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備選型和結(jié)構(gòu)優(yōu)化會起到借鑒和促進作用。根據(jù)實時在線監(jiān)測系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)和專家分析系統(tǒng)，可以指導設(shè)計選型、優(yōu)化結(jié)構(gòu)形式，對設(shè)備的設(shè)計選型起到技術(shù)支持作用。

(2)設(shè)備制造階段。制造環(huán)節(jié)常見毛病的多次出現(xiàn)一定會引發(fā)在設(shè)備制造過程中加強制造方法和工藝的改進，實時在線監(jiān)測系統(tǒng)可以進行產(chǎn)品質(zhì)量評價、指導制造工藝改進，對設(shè)備制造質(zhì)量提升起到促進作用。

(3)設(shè)備安裝調(diào)試階段。安裝、調(diào)試、驗收過程中的原始數(shù)據(jù)對制定科學、優(yōu)化的運行方案，建立數(shù)學模型、設(shè)置監(jiān)測閾值等具有重要的參照借鑒作用。

(4)設(shè)備運行階段。實時在線監(jiān)測系統(tǒng)可以實時、準確、全面地掌握設(shè)備的運行狀態(tài)，可識別出設(shè)備的健康狀態(tài)，可以實現(xiàn)真正意義上的無人值班運行。

(5)設(shè)備檢修階段。實時在線監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)設(shè)備維修管理從現(xiàn)行的計劃檢修(TBM)向狀態(tài)檢修(CBM)轉(zhuǎn)變，可提高設(shè)備的利用率，減少維修時間，降低維修費用，同時也可壓縮備件庫存量，減少不必要的浪費、損耗。

(6)設(shè)備報廢階段。實時在線監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)可預測設(shè)備的使用壽命，可以為設(shè)備的報廢和重建提供數(shù)據(jù)支撐。

6 水工金屬結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測的智能管控思考

利用實時在線監(jiān)測技術(shù)對水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備性能、運行特性和健康狀態(tài)實施全過程跟蹤，是一項剛剛起步的技術(shù)創(chuàng)新，還需在未來的實踐運用中不斷完善和改進。因此，還需做好以下3方面的工作：

(1)監(jiān)測要有的放矢、抓住主要矛盾。監(jiān)測重點設(shè)備的關(guān)鍵部位，而不是遍地開花、眉毛胡子一把抓，造成資源浪費、運行檢修復雜，或者造成無效的預警，甚至是錯誤的預判，即監(jiān)測什么、在監(jiān)測哪里、用什么方法、是否值得監(jiān)測等，都需要有科學的判斷和智慧的考量；同時，水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備實時在線監(jiān)測技術(shù)既要體現(xiàn)出每個水電工程的共性，也要滿足不同工程、不同部位的特殊性。

(2)整合專業(yè)資源、強化管理隊伍。推廣實施金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備在線監(jiān)測新技術(shù)，需要進行金屬結(jié)構(gòu)運行維護的專業(yè)培訓，強化實時在線監(jiān)測的技術(shù)應用及智能管控隊伍建設(shè)，并注意整合整個流域的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備管理資源。不妨將單個電站的大壩金屬結(jié)構(gòu)管理資源整合成流域?qū)用娴慕饘俳Y(jié)構(gòu)設(shè)備管理中心，培養(yǎng)出一支既能掌握實時在線監(jiān)測技術(shù)應用，也能對設(shè)備維護運行實施智能管控的專業(yè)隊伍。

(3)搭建數(shù)據(jù)平臺、推進行業(yè)進步。收集整理金屬結(jié)構(gòu)各類經(jīng)典案例、新技術(shù)應用實例，進行在同類工程、同類設(shè)備之間的比對，通過案例分析和理論研討，建立水工金屬結(jié)構(gòu)經(jīng)典案例數(shù)據(jù)平臺；在此基礎(chǔ)上，加快水工金屬結(jié)構(gòu)實時在線監(jiān)測技術(shù)應用，建立技術(shù)應用標準體系，提升金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備智能管控軟硬件開發(fā)水平，完善設(shè)計規(guī)程和驗收規(guī)范等技術(shù)文件，推動整個水電行業(yè)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備運行、維護管理的技術(shù)進步。