泗陽(yáng)站4#上機(jī)架鏡板電蝕現(xiàn)象分析

摘 要：該文旨在探討水利工程中上機(jī)架鏡板電蝕現(xiàn)象的成因及解決方案，以提升水利工程的安全性和運(yùn)行效能。通過(guò)對(duì)鏡板電蝕現(xiàn)象的機(jī)理分析，明確溶解腐蝕、電化學(xué)腐蝕和結(jié)構(gòu)等因素綜合導(dǎo)致電蝕現(xiàn)象的發(fā)生。研究方法包括現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、材料特性分析和電化學(xué)原理探討，對(duì)泗陽(yáng)站4#機(jī)組鏡板進(jìn)行深入研究。結(jié)果顯示，電蝕現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致鏡板表面受損，增加安全隱患，加重經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，并縮短使用壽命。為改善這種情況，該文采用針對(duì)性的解決措施，如選用抗蝕材料替換原有鏡板材質(zhì)，設(shè)計(jì)專門的鏡板吊裝翻轉(zhuǎn)流程，采用研磨臺(tái)精細(xì)化研磨處理，以及制定嚴(yán)格的定期維護(hù)和檢查制度。經(jīng)過(guò)這些技術(shù)改造與維護(hù)策略的實(shí)施，泗陽(yáng)站4#機(jī)組的鏡板電蝕現(xiàn)象得到有效控制，提高鏡板工作面的質(zhì)量要求，確保鏡板與推力頭間絕緣電阻值高于40 MΩ，導(dǎo)軸瓦與瓦背間電阻值高于50 MΩ，并符合設(shè)計(jì)粗糙度要求。綜合來(lái)看，該研究提出的解決方案為類似水利工程中鏡板電蝕問(wèn)題的防治提供有價(jià)值的參考案例。

關(guān)鍵詞：鏡板電蝕；上機(jī)架；抗蝕材料；研磨技術(shù)；水利工程；安全運(yùn)行

中圖分類號(hào)：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(dǎo)流結(jié)構(gòu)扮演著核心角色，其對(duì)水流的有效引導(dǎo)與控制至關(guān)重要。然而，上機(jī)架鏡板時(shí)常會(huì)遭遇電蝕問(wèn)題，這一現(xiàn)象不僅對(duì)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性與安全性構(gòu)成威脅，進(jìn)而影響整個(gè)水電站機(jī)組的正常運(yùn)行效能，同時(shí)也導(dǎo)致維護(hù)成本的顯著增加。因此，對(duì)水利設(shè)施中上機(jī)架鏡板電蝕現(xiàn)象處理技術(shù)的研究，無(wú)疑具有極其重大的現(xiàn)實(shí)意義與實(shí)用價(jià)值。

1 電蝕現(xiàn)象的機(jī)理分析

電蝕是一種由電化學(xué)作用引發(fā)的金屬表面腐蝕現(xiàn)象，其內(nèi)在機(jī)制包含電化學(xué)反應(yīng)和相關(guān)的物理過(guò)程。在水利工程中，導(dǎo)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(fā)生可歸因于以下幾種主要機(jī)理。

1.1 溶解腐蝕

在具備電化學(xué)條件的環(huán)境中，金屬表面的原子會(huì)釋放電子轉(zhuǎn)化為離子而溶解在溶液中，這種持續(xù)的表面溶解過(guò)程會(huì)導(dǎo)致金屬材質(zhì)漸進(jìn)性損耗。在水利工程的實(shí)際應(yīng)用中，水體中的溶解氧含量、離子濃度以及pH等多種參數(shù)均會(huì)對(duì)溶解腐蝕速率產(chǎn)生直接影響。

1.2 電化學(xué)腐蝕

當(dāng)同一金屬的不同部位暴露于不同的電位區(qū)時(shí)，會(huì)在金屬表面形成陽(yáng)極和陰極區(qū)。在這2個(gè)區(qū)域內(nèi)，伴隨電子轉(zhuǎn)移和化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，將誘發(fā)微電池效應(yīng)，產(chǎn)生局部電流，進(jìn)而加速金屬表面的電化學(xué)腐蝕過(guò)程。在水利工程設(shè)備中，未及時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)控的電位差異是誘發(fā)此類腐蝕的關(guān)鍵因素之一。

綜合上述機(jī)理，水利工程中導(dǎo)流結(jié)構(gòu)下端的電蝕現(xiàn)象往往是溶解腐蝕與電化學(xué)腐蝕等多種因素相互耦合的結(jié)果。以泗陽(yáng)站4#機(jī)組為例，從整體立式大型水泵機(jī)組的結(jié)構(gòu)剖析（圖1），長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致的磨損、安裝角度偏差[1]以及其他可能的機(jī)械應(yīng)力等因素，可能導(dǎo)致鏡板表面形態(tài)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(wèn)題的發(fā)生。

2 泗陽(yáng)站4#機(jī)組鏡板電蝕現(xiàn)象

2.1 下機(jī)架

下機(jī)架為輻射式十字形結(jié)構(gòu)，中間為下油槽，槽內(nèi)裝有4塊下導(dǎo)軸瓦，與電機(jī)軸上的滑轉(zhuǎn)子接觸，導(dǎo)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(dòng)機(jī)的下機(jī)架安裝在定子下端面的內(nèi)側(cè)，800 kW以上電動(dòng)機(jī)的下機(jī)架裝在定子下端面的下面。鏡板就是在下機(jī)架的位置。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 電蝕現(xiàn)象的原因技術(shù)分析

江蘇省泗陽(yáng)閘站管理所坐落于江蘇省泗陽(yáng)縣縣城（眾興鎮(zhèn)）東南約3 km處的中運(yùn)河輸水線上，毗鄰泗陽(yáng)船閘，擔(dān)負(fù)著泗陽(yáng)第一抽水站、泗陽(yáng)第二抽水站、泗陽(yáng)節(jié)制閘3座大型水利工程的管理、運(yùn)行任務(wù)，是淮北地區(qū)一座重要的水利樞紐工程。泗陽(yáng)一站是南水北調(diào)東線一期工程的第四梯級(jí)抽水泵站，同時(shí)與泗陽(yáng)二站共同組成江蘇省江水北調(diào)第四梯級(jí)、淮水北調(diào)第一梯級(jí)提水泵站泗陽(yáng)樞紐。

鏡板設(shè)計(jì)參數(shù)如下：其外環(huán)直徑達(dá)230 cm，內(nèi)環(huán)直徑則為138 cm，其間絲孔的中心距設(shè)定為180 cm，而絲孔本身的直徑規(guī)格為6.5 cm。為此，擬采用絕緣墊片對(duì)其進(jìn)行適應(yīng)性裁剪，確保墊片長(zhǎng)度能覆蓋鏡板內(nèi)外環(huán)半徑差，并保持約10～15 cm的適宜寬度，將其環(huán)繞置于鏡板架上，其間預(yù)留適當(dāng)?shù)拈g隙以保證運(yùn)作空間。

針對(duì)泗陽(yáng)站機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中鏡板出現(xiàn)的電侵蝕問(wèn)題，通過(guò)對(duì)其位置特性和工作原理的深入分析，提出了以下幾項(xiàng)可能的原因：①電化學(xué)作用。鏡板表面可能發(fā)生氧化還原電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象加劇，從而引發(fā)了嚴(yán)重的電蝕問(wèn)題。②材料選型考量。若鏡板材料選擇不當(dāng)，其抗電蝕性能可能不足，從而加劇了電蝕現(xiàn)象的發(fā)展。③結(jié)構(gòu)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(jīng)歷多次加工后的墊片，其不規(guī)則表面在鏡板與推力頭之間安裝并通過(guò)螺栓緊固后，可能導(dǎo)致鏡板發(fā)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(zhuǎn)時(shí)，測(cè)得的擺動(dòng)軌跡呈現(xiàn)梅花狀分布，這種情況亦能觸發(fā)電侵蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 鏡板電蝕現(xiàn)象的危害

1）安全風(fēng)險(xiǎn)放大：鏡板電蝕狀況所引發(fā)的表面損毀，對(duì)于水利工程的正常運(yùn)維構(gòu)成了潛在威脅，嚴(yán)重時(shí)甚至可能導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)受損，危及公眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2）經(jīng)濟(jì)效益折損：面對(duì)鏡板出現(xiàn)的電蝕現(xiàn)象，若未能及時(shí)采取修復(fù)或替換措施，則不僅將消耗大量人力、物力和財(cái)力資源，同時(shí)還將妨礙水利工程設(shè)施的正常使用效率，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失不容忽視。具體表現(xiàn)為泗陽(yáng)站所發(fā)生的電蝕實(shí)例，如圖3所示。

3）服役壽命減縮：電蝕現(xiàn)象對(duì)鏡板表面產(chǎn)生的侵害不僅局限于即時(shí)的損傷，更會(huì)加速其自然磨損和老化進(jìn)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(hù)層極易遭到破壞，從而使鏡板對(duì)外界環(huán)境侵蝕和損害的抵抗力顯著下降。這不僅削弱了鏡板的預(yù)期功能表現(xiàn)，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(shí)間內(nèi)即告報(bào)廢，從而迫使頻繁地更換操作，進(jìn)一步加重了維護(hù)成本和運(yùn)營(yíng)成本負(fù)擔(dān)。泗陽(yáng)站鏡板電蝕現(xiàn)象的具體案例展示，如圖3所示。

3 泗陽(yáng)站4#機(jī)組鏡板電蝕現(xiàn)象的解決方案探討與實(shí)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(duì)的2個(gè)方向，并旋緊（外圈共有4個(gè)絲孔），用一根吊帶，先連接在其中一個(gè)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(qiáng)，所以先從一個(gè)點(diǎn)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(gè)鏡板。

第二步，鏡板翻身步驟如下：①先將主鉤和副鉤同時(shí)落下，用一根吊帶從鏡板一側(cè)中間的底部穿過(guò)（2顆螺栓將鏡板分為2個(gè)半圓，任選一個(gè)半圓的中間部位即可），再繞過(guò)來(lái)從其上部穿過(guò)，打一個(gè)結(jié)，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(xù)向上拉，使鏡板從水平變成垂直，點(diǎn)動(dòng)副鉤（由于主鉤的吊帶拉在2顆螺栓上，防止副鉤拉動(dòng)鏡板，導(dǎo)致主鉤上的吊帶不受力，而松動(dòng)脫落），直至鏡板大約接近垂直于地面時(shí)，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(huì)導(dǎo)致鏡板轉(zhuǎn)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(guò)最低點(diǎn)，并再次上提，從而使鏡板另一面翻上來(lái)，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(yùn)至鏡板研磨臺(tái)上。

3.2 改善方法

通過(guò)對(duì)原因的分析，可以采用相應(yīng)對(duì)策處理可能存在的問(wèn)題。

3.2.1 采用研磨臺(tái)研磨鏡板

鏡板作為高精度、高表面質(zhì)量的關(guān)鍵部件，其在運(yùn)輸存儲(chǔ)過(guò)程中極易因微小不慎而出現(xiàn)銹斑等問(wèn)題。因此，在安裝前，鏡板需經(jīng)過(guò)嚴(yán)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(shè)計(jì)的研磨設(shè)備，如圖4所示。該設(shè)備主體為鋼結(jié)構(gòu)的方形工作臺(tái)，底部安裝有一臺(tái)功率為1 kW的異步電動(dòng)機(jī)，通過(guò)變速箱變速后，輸出軸轉(zhuǎn)速可達(dá)31 r/min，驅(qū)動(dòng)軸頂端的橫擔(dān)組件。橫擔(dān)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(zhuǎn)動(dòng)研磨。研磨過(guò)程中，需適時(shí)使用排筆添加研磨膏以輔助潤(rùn)滑和磨光。研磨膏通常是由粒度不低于400號(hào)的研磨粉與透平油調(diào)配而成。若研磨除銹較為困難時(shí)，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(jìn)一步清洗，并使用普通研磨膏再進(jìn)行一輪研磨處理。鏡板表面銹蝕嚴(yán)重，易形成大面積銹斑并破壞金屬表面的情況，若拋光機(jī)研磨無(wú)法達(dá)到要求，可考慮在當(dāng)?shù)貙ふ夷ゴ策M(jìn)行精細(xì)研磨；若條件不具備，應(yīng)及時(shí)送回制造廠家進(jìn)行重新加工，以免延誤工程進(jìn)度。

針對(duì)泗陽(yáng)主機(jī)泵轉(zhuǎn)環(huán)的研磨需求，鑒于其外徑達(dá)2.3 m，內(nèi)徑1.4 m，重量高達(dá)1.7 t，因此需要定制專用研磨工具。研磨平臺(tái)采用了2.8 kW減速齒輪電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，并將其安裝在臺(tái)座下方，通過(guò)中央向上伸出的傳動(dòng)軸提供動(dòng)力。在研磨轉(zhuǎn)環(huán)時(shí)，磨頭上包裹毛呢絨布，轉(zhuǎn)環(huán)下部襯墊羊毛氈，并采用研磨膏混合46#透平油的方式進(jìn)行細(xì)致研磨作業(yè)[3]。

3.2.2 使用標(biāo)準(zhǔn)注意事項(xiàng)

在零件處理過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格禁止對(duì)加工面進(jìn)行敲擊或造成任何物理?yè)p傷，若發(fā)現(xiàn)有損壞情況，務(wù)必立即執(zhí)行修復(fù)操作。經(jīng)清洗后的零部件應(yīng)按類別妥善存放，對(duì)于精密加工面如鏡板面等，應(yīng)在清潔干燥后涂抹防銹油，并覆以毛氈加以保護(hù)；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(yīng)覆蓋布料或毛巾，以防止塵埃雜質(zhì)入侵；對(duì)于體積較大的零部件，應(yīng)使用木方或其他支撐物墊妥，確保不會(huì)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(yōu)良抗蝕性能的金屬材料是減輕電蝕影響的關(guān)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(xiàn)象的發(fā)生強(qiáng)度，從而有效提高工件的耐久性能。

3.2.4 定期維護(hù)及其重要性

定期維護(hù)是確保水利工程安全穩(wěn)定運(yùn)行的核心環(huán)節(jié)之一。在水利工程大修作業(yè)中，對(duì)鏡板的定期維護(hù)顯得尤為重要，應(yīng)密切關(guān)注并及時(shí)處置鏡板表面可能出現(xiàn)的電蝕問(wèn)題，以防止?jié)撛诘陌踩鹿?。具體措施包括：①制定并執(zhí)行定期檢查制度，對(duì)鏡板進(jìn)行周期性檢查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)迅速采取措施。②發(fā)現(xiàn)鏡板表面出現(xiàn)電蝕跡象時(shí)，應(yīng)第一時(shí)間進(jìn)行修復(fù)或必要時(shí)進(jìn)行更換，以保障水利工程設(shè)施的安全運(yùn)行。③建立完善的鏡板維護(hù)記錄管理體系，詳細(xì)記錄每次維護(hù)過(guò)程和發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，為今后的維護(hù)工作提供科學(xué)依據(jù)。

3.2.5 利用模擬與仿真技術(shù)優(yōu)化解決方案

采用模擬與仿真技術(shù)手段，有助于深入理解和有效優(yōu)化對(duì)電蝕問(wèn)題的解決方案。通過(guò)構(gòu)建電蝕現(xiàn)象的數(shù)值模型，可以在不同材料類型、電解液成分和加工參數(shù)的虛擬環(huán)境下模擬電蝕過(guò)程，從而為實(shí)際生產(chǎn)中電蝕防治方案的選擇和改進(jìn)提供有力支持。另外，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，可以迅速評(píng)估各類防護(hù)涂層和表面處理方案的實(shí)效性，為工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)決策提供量化參考依據(jù)。

4 泗陽(yáng)站4# 立式機(jī)組鏡板整改處理評(píng)價(jià)

泗陽(yáng)站的鏡板電蝕現(xiàn)象的解決不僅僅是一項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題，更是一項(xiàng)綜合性工程。此次通過(guò)優(yōu)化材料、采用研磨臺(tái)研磨鏡板、定期維護(hù)等措施，可以有效解決鏡板電蝕現(xiàn)象，保障水利工程的安全運(yùn)行。符合立式機(jī)組鏡板工作面的檢修工藝和質(zhì)量要求，標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1所示的鏡板工作面的檢修工藝和質(zhì)量要求。

整改并符合鏡板與推力頭之間絕緣電阻值應(yīng)在40 MΩ以上，導(dǎo)軸瓦與瓦背之間絕緣電阻值應(yīng)在50 MΩ以上。鏡板工作面無(wú)傷痕和銹蝕，粗糙度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。綜上，此次整改經(jīng)驗(yàn)為所有鏡板出現(xiàn)電侵蝕現(xiàn)象提供方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

泗陽(yáng)站4#機(jī)組的水利工程大修中鏡板電蝕現(xiàn)象的解決是一個(gè)綜合性工程，需要材料選用以及定期維護(hù)等多個(gè)方面綜合考慮，采取綜合措施，確保水利工程的安全運(yùn)行。綜合以上措施的應(yīng)用，可以有效降低電蝕對(duì)工件的影響，提高加工質(zhì)量和效率，延長(zhǎng)工件的使用壽命。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的解決措施，并進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到最佳的效果。

當(dāng)前，我國(guó)水利工程大修中鏡板電蝕現(xiàn)象的解決已取得一定成效，但也面臨著一些挑戰(zhàn)，如施工難度大等。盡管已經(jīng)提出了一系列具體的解決措施，但電蝕問(wèn)題的解決仍然面臨著一些挑戰(zhàn)和限制。例如，不同材料和工藝條件下的電蝕機(jī)理可能存在差異，需要進(jìn)一步深入研究。此外，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，新的材料和加工工藝也會(huì)不斷涌現(xiàn)，電蝕問(wèn)題的解決方案也需要不斷地更新和優(yōu)化。

未來(lái)，可以通過(guò)加強(qiáng)科技研發(fā)，推動(dòng)新材料、新工藝的應(yīng)用，提高水利工程抗蝕性能，進(jìn)一步保障水利工程的安全穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)我國(guó)水利事業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，還需要加強(qiáng)水利工程管理部門、設(shè)計(jì)單位、施工單位和社會(huì)公眾的協(xié)作，共同維護(hù)水利工程的安全，為經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展提供可靠的水利保障。

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