水電廠螺栓安全管控策略

陳 敏

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司水電科學研究院，四川 成都 610000）

1 引言

電力能源結構優化調整，水電占比不斷上升，截至2018 年底，我國水電裝機超過 3.5 億kW（含抽水蓄能裝機約3 000 萬kW），年發電量1.24 萬億kW·h，在建裝機規模約5 000 萬kW。隨著白鶴灘世界最大單機1 000 MW 巨型水輪機的即將投運，標志著我國水電機組設備制造技術邁上了新臺階。

水電資源開發的差異化布局，決定了各個電站的水輪機組都是量身定制的，機組選型、結構設計和安裝施工等各個環節都存在差異，這給設備制造和安裝增加了難度。憑借著制造技術的快速發展和積累的豐富經驗，對機組設備部件結構設計和制造工藝不斷進行優化，部件之間較多采用螺栓連接，可以有效降低大尺寸設備所帶來的制造和安裝難度，同時，分段式設計也給運輸帶來了便利，縮短了設備制造工期。包括發電機、水輪機、供水管、供油管等主輔機設備都較多采用螺栓連接，螺栓與被連接件所組成的系統的可靠性也直接影響機組的安全穩定。

水電廠因螺栓斷裂造成的事故時有發生，著名的俄羅斯“薩揚事故”，就是由于水輪機頂蓋螺栓松動后發生斷裂，導致整個機組被甩出機坑，事故造成75 人死亡，廠房被摧毀、直接經濟損失高達130 億美元[1]。百龍灘電站先后兩次因水輪機聯軸螺栓斷裂造成水淹廠房的事故。因此，根據螺栓對機組安全的影響程度、使用場景、失效機制等，制定相應的管控策略，確保螺栓在服役狀態下的安全可靠具有重要意義。以下從螺栓質量管控、運行狀態下螺栓松動狀態的健康監測及不同型式機組螺栓的策略選擇3 個方面進行分析。

2 質量管控

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

2.1 制造質量

制造是質量管控第一環節，具有標準化、批量化程度高的特點[2]。制造質量跟制造廠的設備條件、工藝管控及技術人員水平緊密相關，嚴格管控制造工藝是確保螺栓質量達標的基本要求。目前，水電廠螺栓采購的質量依據多為制造商提供的自檢報告或第三方檢測報告，此種驗收方式存在潛在隱患，作為補充，電廠應請具備檢驗資質的專業檢測機構對到貨螺栓進行抽樣檢驗，從化學成分、力學性能、金相組織、加工質量等方面，按照相關標準進行核驗。因螺栓本身制造質量問題而出現提前失效的情況時有發生，主要原因是在冶金、機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，化學成分和非金屬夾雜物對坯料的性能影響較大，如強化元素Mn 含量超標時會促進材料中裂紋的產生和擴展，非金屬元素S、P 含量超標將導致材料的力學性能下降。材料中非金屬夾雜物會破壞基體的連續性，導致材料性能不均，并易在非金屬夾雜物尖端處形成應力集中，產生微裂紋缺陷[3]。因此，需嚴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 機加工

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

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，如水輪機大軸聯接螺栓所用鍛件坯料直徑很大，而熱處理過程中溫度、時間設定不合理，會造成心部與表面組織出現較大差異，組織性能不均勻，表面硬而脆，心部軟。機加工后的調質處理，回火溫度過高，會導致材料強度偏低，回火溫度過低，會導致材料硬度超標，脆性大等問題。合理的熱處理工藝路線，并確保實際操作嚴格按照路線執行，是材料獲得優異性能的重要條件。

2.2 拆裝工藝

螺栓拆裝質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，并嚴格要求現場施工人員遵照執行，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、預緊力過大或過小、擰緊或旋松操作中使用大錘敲打等都可能導致螺栓提前失效[4，5]。以下從拆裝準備、初裝、預緊拉伸3 個方面說明需要注意的問題。

2.2.1 拆裝準備

螺栓拆卸前，對螺栓、螺帽及螺孔按順序編號，拆卸順序按照規程，一般選擇中分面間隙較大的中間開始對稱往兩側依次拆卸。對螺栓外露螺紋表面的雜質或銹蝕進行徹底清理，避免螺栓旋轉過程中損傷其他螺紋。特別是對于大軸聯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行處理。拆卸下來的螺栓，進行外觀檢查，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，修理后無法達到技術要求的螺栓，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過初裝和預緊拉伸兩個步驟，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法初裝雙頭螺栓。裝配過程中螺栓與螺孔之間應以輕松旋入為合格，禁止使用大錘敲打。

2.2.3 預緊拉伸

預緊力是螺栓發揮有效緊固作用的關鍵因素，預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。預緊力過大會導致螺栓出現咬死，結構剛度變大，應力增大，可能導致螺栓斷裂；預緊力過小，螺栓易松動，導致緊固結構失效。螺栓預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，否則將導致預緊力產生較大誤差；液壓拉伸的拉伸器使用時要放平，升壓過程應緩慢，注意監視液壓缸行程、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造成不利影響，加熱功率不足，加熱時間過長，會造成螺紋處因變形量過大而脹住，導致螺紋咬死。

2.3 檢測

螺栓在服役狀態下受到重力、結構應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，隨著運行時間的延長，裂紋逐漸擴展。為了防止裂紋擴展造成螺栓斷裂進而引發事故，結合機組檢修，運用無損檢測對螺栓進行檢測。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部裂紋或從表面往內擴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DL/T 694-2012《高溫緊固螺栓超聲波檢測技術導則》，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行檢測。目前，常規超聲檢測（脈沖反射法）在實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，對于超出標準尺寸范圍的螺栓檢測，難以取得準確結果；②由螺紋產生的反射回波及由螺栓中心孔產生的反射回波，易影響缺陷波的判定；③對于深度小于1 mm 的裂紋，超聲檢測較難發現；④受檢測人員技術水平影響較大。不過，通過采用定制探頭或相控陣檢測來輔助和驗證螺栓檢測，可以彌補常規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，因在服役過程中產生銹蝕，處理不完全時會對檢測結果產生影響[6]。

螺栓檢測作為質量管控的重要一環，可以有效鑒別一定長度或深度的裂紋缺陷，但需要在機組檢修期間，完全將螺栓拆卸下來才能實施，這一方式還無法完全消除由于螺栓產生裂紋，快速擴展進而導致事故的安全隱患，而通過監測螺栓結構松動狀態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、拆裝及檢測的質量管控措施屬于螺栓長期安全使用的充分條件，任何一個環節出問題都可能導致螺栓發生提前失效。

3 健康監測

螺栓正常服役狀態下受到重力、結構應力、轉動部件的扭矩等作用力，螺紋承受巨大應力作用，牙頂或牙底的位置易產生應力集中。水電機組頻繁啟停所帶來的交變應力和機組長期運行后，在應力集中位置產生疲勞裂紋，導致螺栓預緊力下降，螺栓結構發生松動，如不及時采取措施，可能導致重大事故。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；水輪機頂蓋螺栓斷裂，可能造成頂蓋與座環連接處漏水，嚴重時會掀翻頂蓋，出現損壞機組和水淹廠房的嚴重事故。這些位置的螺栓，在加強質量管控的同時，應采用更精確的技術對螺栓的緊固狀態進行實時在線監測，在螺栓結構發生松動之初能及時發出預警[7]。

近年來，國內外學者就機械結構的健康監測開展了廣泛研究，其中壓電陶瓷作為廣泛使用的傳感器材料，較多的應用于結構健康監測領域。Liang C首先提出利用壓電陶瓷的壓電阻抗特性與結構狀態之間的關系作為依據，來對結構的健康狀態進行研判；Ritdumrongkul S 使用壓電陶瓷對多個螺栓連接結構進行了損傷定位和損傷程度的評價研究；Peair D M 就如何提高壓電阻抗技術的精確度做了相關研究。此外，吳建利用干簧開關特性對管道內部螺栓松動狀態監測進行了研究；王濤基于Greenwood和Williamson 模型和時間反演原理對聚焦信號幅值與螺栓預緊力的理論關系，提出時間反演法的螺栓松動監測方法；閆航瑞研究了利用小波分析法對法蘭螺栓連接結構的松動狀態進行監測[8-10]。

螺栓結構健康監測通過布置在螺栓上的信號源發射一激勵信號，作用于螺栓結構，分析接收的反饋信號，當螺栓結構內部發生損傷或預緊力下降時，反饋信號會出現相應的變化，依據特征信號的變化情況或與螺栓結構穩定狀態下的特征進行對比，以此來評估螺栓的健康狀態。

對于已投運機組，根據機組設備部件的結構形式，設計監測裝置，而對于新建機組，可考慮將監測裝置加入到機組設備的設計中或采用智能螺栓。

4 策略制定

水電廠的螺栓種類繁多，各類型螺栓結構型式、材質、規格等存在差異，現以一臺單機160 MW 的軸流轉槳式機組所使用的螺栓為例，根據螺栓使用場景、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，對機組設備整體結構和電廠安全影響很大，用于主機部件，如轉輪、大軸、頂蓋等，一般只在機組大修時拆卸，且更換成本很高；Ⅱ類為重要螺栓，對機組某一設備部件安全影響較大，用于單個設備部件，如槳葉、機架、操作架等，一般在機組B 級以上檢修或技改時拆卸，該類螺栓數量較多，更換會帶來較大成本；Ⅲ類為一般螺栓，主要對設備部件的局部安全產生影響，用于設備部件的局部區域，如擋風板、操作油管、人孔門等，此類螺栓一般尺寸小，材料等級低，更換成本低，根據機組檢修時螺栓質量情況采取分批次更換。

表1 軸流轉槳式機組螺栓分類

水電機組不同位置的螺栓所受應力不同，對結構安全的影響程度也不一樣，對于主要承受靜載荷的螺栓，發生失效的概率相對較小，失效后對機組設備安全的影響也相對較小。而主要承受動載荷的螺栓，多用于聯接轉動部件，如果質量管控不到位，螺栓出現失效的風險就大大的增加，并且對機組的安全穩定影響很大。因此，針對機組使用的不同類型的螺栓，制定相應的質量管控策略，綜合考慮機組安全、運行需要及電廠經營成本等因素。

軸流式水輪機組 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類螺栓的安全管控策略如表2 所示，Ⅰ類核心螺栓，因其對機組安全的重要性，采取入場驗收100%外觀檢查、50%無損檢測及10%抽樣機械性能試驗和理化檢驗；螺栓拆裝須制定相應的工藝規范，細化操作流程及技術參數，并嚴格遵照執行；螺栓服役周期內，在機組檢修期間對其進行超聲、磁粉等無損檢測，以確定是否產生裂紋缺陷；配套實時在線監測裝置，有效消除如頂蓋螺栓、主軸聯接螺栓發生突然失效而導致重大事故的隱患。Ⅱ類重要螺栓，采取跟Ⅰ類螺栓一樣的入廠驗收、拆裝工藝、服役檢驗的管控策略，但綜合評估Ⅱ類螺栓對機組安全的影響程度及失效幾率等因素，可不采用在線監測。Ⅲ類一般螺栓，通常規格小、材質等級低、技術要求不高，并且造價低，采取入廠驗收100%外觀檢查，基本使用常規工具拆裝，結合機組檢修周期和螺栓的質量情況進行分批次定期更換的方式進行管控。

表2 螺栓管控策略

5 結論

水電機組結構設計的優化，較多的使用螺栓緊固件，制定相應的安全管控措施對于保障機組的安全穩定運行具有重要意義。從螺栓制造、拆裝及檢測等多方面對其使用安全進行管控，結合在線監測裝置，可以更加有效地消除因核心螺栓突然失效導致重大事故的安全隱患。文中以軸流轉槳式機組為例，對所用螺栓進行分類，并制定安全管控策略，可供其他型式機組進行參考。