CN110285955B - 水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明所设计的一种水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置，它包括测量磁芯盖、测量支座杯、霍尔传感器以及与霍尔传感器匹配的测量磁芯；测量磁芯盖安装在水轮机组顶盖螺栓的顶部；测量支座杯底部为与水轮机组顶盖螺母匹配的螺母套筒段，螺母套筒段的侧壁开设有与水轮机组顶盖螺母的侧壁限位沉孔匹配的限位通孔，螺母套筒段用于套在水轮机组顶盖螺母上；测量支座杯的顶部设有霍尔传感器安装位，霍尔传感器安装在霍尔传感器安装位中，测量支座杯内螺母套筒段与霍尔传感器安装位之间为第二空腔，测量磁芯盖位于该第二空腔内。本发明能对水力发电机组顶盖固定螺栓进行实时检测，保证水力发电机的安全运行。
Description
技术领域
本发明涉及发电机组安全检测技术领域，具体地指一种水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置及方法。
技术背景
近年来，随着水电资源开发的提速，设计及制造技术的进步，使得在建与运行水力发电机的机组容量和转轮尺寸已经远远超过以往，机组顶盖固定螺栓(或称把合螺栓)的安全性受到关注程度不断提升。
水轮机中，起作支撑与过流双重作用的顶盖是水轮机发电机组的关键部件，顶盖结构及功能的完整性直接影响机组的安全运行。为保证机组安全，在运行过程中，顶盖螺栓的监测至关重要。
顶盖螺栓主要用于将顶盖与底环把合，使顶盖能够完成装载活动导叶和水封形成流道的功能，是水轮发电机组关键螺栓之一。
如果该处螺栓发生松动、失效、甚至断裂等故障，会引发例如部件损坏、全厂停电、甚至机毁人亡的重大事故。
2009年，在俄罗斯发生举世震惊的8.17事故。总装机640万千瓦的萨扬舒申斯克水电站发生了机毁人亡的重大事故。事故的直接原因就是水轮机在长期剧烈振动工况下、导致其顶盖固定螺栓受到疲劳破坏。
萨扬舒申斯克水电站2#水轮机组因固定螺栓振断，机组飞行，整个机房被水淹，多台机组相继被破坏，75人死亡。
事故发生的8时13分，2#水轮机盖轴承的振动幅度达到840μm，尾水管的压力达到1.2㎏/㎝2，盖子下的压力达到3.5㎏/㎝2。
55颗顶盖固定螺栓中，仅6颗螺栓仍起固定作用，其余49颗螺栓中的41颗发现了疲劳裂缝，8颗螺栓的破坏面积超过总面积的90％。螺栓疲劳断口面积平均值为64.9％。
在机组运行方面，我国一直都很重视水电站的安全管理，至今为止没有发生过大型恶性事故。但2016年，发生在我国的9.7事故，又在水力发电行业掀起波澜。我国装机容量12万千瓦，两台水泵水轮发电机组的回龙抽水蓄能电站，两台机组在甩负荷时，1#机顶盖螺栓出现脆性断裂，顶盖抬起，发生水淹厂房事故，所幸无人伤亡。
大型混流式发电机组的顶盖一般处于水机室机坑内，工作环境异常潮湿，振动强度大、噪声分贝数高。顶盖上部又加装有，用于保护检修运行人员的安全防护盖板。极端情况下，例如装机300万千瓦贵州某水电站的机组顶盖，甚至会被近2米深的正常漏水所淹没。
传统电站运行值班中，机组在运行期间内，尽管所有电站人员深知，顶盖螺栓的重要性，唯一的办法也只能采用人工巡查、不能直视的耳听目测。
甚至主要检测手段，也只能离线的，在机组大修期间用常规和便携式测量仪器，无破坏探伤检查方式来检测紧固件、预埋件和紧固部件的状态。
或将其完全拆卸下来的顶盖螺栓，参照国家电力行业为火电机组制定标准，《DL/T694-2012高温紧固螺栓超声波检测技术导则》。对每一只都进行仔细超声波成像检测，查看螺栓螺纹槽表面的疲劳裂缝。
而机组在运行过程中的实时监测，因为振动引起的松动，则暂时没有有效办法。
现代大型水电站，在厂站集中控制管理的模式下，随着水电站生产运行中，无人值班、少人值守值班方式进程的加快，运行维护人员的减少，机组大修时间间隔正在逐渐加长到6到8年。特别是最近几年，我国将有150台700MW以上容量的水电机组相继投入制造、安装和运行，水电站安全生产的风险及压力越来越大。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置及方法，本发明能对水轮发电机组顶盖固定螺栓进行实时检测，保证水力发电机的安全运行。
为实现此目的，本发明所设计的水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置，其特征在于：它包括测量磁芯盖、测量支座杯、霍尔传感器以及与霍尔传感器匹配的测量磁芯；
所述测量磁芯盖内设有与水轮机组顶盖螺栓的顶部螺栓拧紧块匹配的第一空腔，测量磁芯盖内设有与第一空腔底部连通的内螺纹通孔，第一空腔顶部的测量磁芯盖内安装测量磁芯，测量磁芯盖的侧壁开设有与第一空腔连通的水平定位螺纹孔，所述内螺纹通孔与水轮机组顶盖螺栓螺纹连接后，顶部螺栓拧紧块位于第一空腔内，锁紧螺钉穿过水平定位螺纹孔后顶住顶部螺栓拧紧块；
所述测量支座杯底部为与水轮机组顶盖螺母匹配的螺母套筒段，螺母套筒段的侧壁开设有与水轮机组顶盖螺母的侧壁限位沉孔匹配的限位通孔，螺母套筒段用于套在水轮机组顶盖螺母上，并通过卡扣使侧壁限位沉孔与限位通孔定位；
测量支座杯的顶部设有霍尔传感器安装位，所述霍尔传感器安装在霍尔传感器安装位中，测量支座杯内螺母套筒段与霍尔传感器安装位之间为第二空腔，所述测量磁芯盖位于该第二空腔内。
一种利用上述装置的水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：将测量磁芯盖安装在水轮机组顶盖螺栓上，其中，测量磁芯盖的内螺纹通孔与水轮机组顶盖螺栓螺纹连接，水轮机组顶盖螺栓的顶部螺栓拧紧块位于第一空腔内，锁紧螺钉穿过水平定位螺纹孔后顶住顶部螺栓拧紧块，使测量磁芯盖相对水轮机组顶盖螺栓定位；
步骤2：将霍尔传感器安装到测量支座杯的霍尔传感器安装位上，将测量支座杯安装到水轮机组顶盖螺母上，其中，测量支座杯的螺母套筒段套在水轮机组顶盖螺母上，并通过卡扣使水轮机组顶盖螺母的侧壁限位沉孔与螺母套筒段的限位通孔定位，此时安装在水轮机组顶盖螺栓上的测量磁芯盖位于该第二空腔内；
步骤3：霍尔传感器通过测量霍尔传感器与测量磁芯之间的角度变化来感知水轮机组顶盖螺栓与其上的水轮机组顶盖螺母之间的位置变化，实现水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测。
顶盖螺栓松动检测传感器的测量原理，是基于霍尔效应的非接触式测量。如果顶盖螺栓螺母发生松动，可将螺栓螺母之间相对偏移角度的变化转换成为，用于被测芯体磁场与测量芯片之间的角度变化。并且能在湿度高(甚至水下)、振动强度较大的环境下，即无接触式旋转位置检测。
本发明具有较好的可靠性，可在高湿、强振、甚至2米水下的环境下，对紧固螺栓螺母进行无任何损伤的松动检测，实用性强、可靠性高、简洁实用、拆装方便、接线简单、可持续长时间正常运行。
由于本发明的可视性适用性强、运行维护简单，能极大的降低运行维护人员安全风险及劳动强度。机组运行过程中，能对顶盖固定螺栓松动状态进行在线检测，能大大降低电站运行风险、预防重特大事故的发生。
另外，本发明安装检测时，对水轮机组顶盖螺栓螺母没有任何损伤，也不会影响其正常工作，保证了水轮机的安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明中水轮机组顶盖螺栓螺母立体结构示意图；
图2为本发明中测量磁芯盖装配结构示意图；
图3为本发明中测量磁芯盖剖视结构示意图；
图4为本发明中测量支座杯的立体结构示意图；
图5为本发明中测量支座杯的剖视结构示意图；
图6为本发明中霍尔传感器的立体结构示意图；
图7为本发明的装配结构示意图；
图8为图7的侧视图；
图9为图7的A-A向剖视结构示意图；
图10为图7的B-B向剖视结构示意图。
其中，1—测量磁芯盖、1.1—第一空腔、1.2—内螺纹通孔、1.3—水平定位螺纹孔、2—水轮机组顶盖螺栓、2.1—顶部螺栓拧紧块、2.2—水轮机组顶盖螺母、2.3—侧壁限位沉孔、3—测量支座杯、3.1—螺母套筒段、3.2—限位通孔、3.3—霍尔传感器安装位、3.4—第二空腔、3.5—水平观察窗、4—卡扣、5—霍尔传感器、5.1—圆柱状螺纹壳体、5.2—传感器固定螺母、6—测量磁芯、7—锁紧螺钉。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
水电站大型混流式水轮机组顶盖螺栓螺母外形如图1所示，与通常的螺栓螺母不同，其螺栓的上部，有两平行的平面(即顶部螺栓拧紧块2.1，通过螺栓拧紧块2.1可以拧紧水轮机组顶盖螺栓2)。而水轮机组顶盖螺母2.2的特征在于，上半部为六角棒，下部为直圆体，同时直圆柱表面均匀分布六个圆形的侧壁限位沉孔2.3。
针对上述结构的水轮机组顶盖螺栓螺母，本发明设计了一种水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置，如图2～10所示，它包括测量磁芯盖1、测量支座杯3、霍尔传感器5以及与霍尔传感器5匹配的测量磁芯6；
所述测量磁芯盖1内设有与水轮机组顶盖螺栓2的顶部螺栓拧紧块2.1匹配的第一空腔1.1，测量磁芯盖1内设有与第一空腔1.1底部连通的内螺纹通孔1.2，第一空腔1.1顶部的测量磁芯盖1内安装测量磁芯6，测量磁芯盖1的侧壁开设有与第一空腔1.1连通的水平定位螺纹孔1.3，所述内螺纹通孔1.2与水轮机组顶盖螺栓2螺纹连接后，顶部螺栓拧紧块2.1位于第一空腔1.1内，锁紧螺钉7穿过水平定位螺纹孔1.3后顶住顶部螺栓拧紧块2.1；
所述测量支座杯3底部为与水轮机组顶盖螺母2.2匹配的螺母套筒段3.1，螺母套筒段3.1的侧壁开设有与水轮机组顶盖螺母2.2的侧壁限位沉孔2.3匹配的限位通孔3.2，螺母套筒段3.1用于套在水轮机组顶盖螺母2.2上，并通过卡扣4使侧壁限位沉孔2.3与限位通孔3.2定位；
测量支座杯3的顶部设有霍尔传感器安装位3.3，所述霍尔传感器5安装在霍尔传感器安装位3.3中，测量支座杯3内螺母套筒段3.1与霍尔传感器安装位3.3之间为第二空腔3.4，所述测量磁芯盖1位于该第二空腔3.4内。螺母松动时，测量磁芯盖与传感器在此空间内相对旋转。
上述技术方案中，侧壁限位沉孔2.3沿水轮机组顶盖螺母2.2的周向布置有六个，螺母套筒段3.1的侧壁开设有与六个侧壁限位沉孔2.3匹配的六个限位通孔3.2；六个拆装方便的膨胀卡扣将测量支座杯与顶盖螺母2.2联结成为一个整体。
测量支座杯3依据水轮机组顶盖螺母2.2的外形特征，进行无损伤设计。设计中，根据水电站实际工况，放弃了受机组振动影响、只能短暂工作、极易脱落的粘胶粘合形式的想法，采用了膨胀卡扣直接连接方式。
上述技术方案中，所述霍尔传感器安装位3.3为霍尔传感器内螺纹安装孔，所述霍尔传感器5的壳体为圆柱状螺纹壳体5.1，所述圆柱状螺纹壳体5.1与霍尔传感器内螺纹安装孔螺纹连接。采用这种传统的螺纹连接方式，加工、安装、调试方便。
上述技术方案中，所述霍尔传感器5与测量磁芯6同轴设置，霍尔传感器5通过测量霍尔传感器5与测量磁芯6之间的角度变化来感知水轮机组顶盖螺栓2与其上的水轮机组顶盖螺母2.2之间的位置变化。
上述技术方案中，所述测量支座杯3侧面开设有与第二空腔3.4连通的水平观察窗3.5。通过水平观察窗，可以方便霍尔传感器5设定轴向测量范围。
上述技术方案中，所述圆柱状螺纹壳体5.1外螺纹连接有传感器固定螺母5.2，所述圆柱状螺纹壳体5.1通过传感器固定螺母5.2与霍尔传感器内螺纹安装孔之间进行定位。
上述技术方案中，所述霍尔传感器5和测量磁芯6均采用防水封装。
上述技术方案中，所述测量磁芯6为轴向磁化的钕铁硼磁铁，测量磁芯6安装于第一空腔1.1上端中央的磁芯安装孔内。这种结构，加工成本低、定位精度高。
上述技术方案中，所述测量磁芯盖1的侧壁的周向开设有与第一空腔1.1连通的六个水平定位螺纹孔1.3。上述六个水平定位螺纹孔1.3能方便找到与螺栓上部的顶部螺栓拧紧块2.1对应的位置。在那里旋进锁紧螺钉7，让测量磁芯盖1与水轮机组顶盖螺栓2成为一个整体。
上述技术方案中，锁紧螺钉7与顶部螺栓拧紧块2.1之间设有橡胶垫。橡胶垫能克服振动对霍尔传感器5和测量磁芯6检测结果的影响。
上述技术方案中，测量磁芯盖1内侧的内螺纹通孔1.2与水轮机组顶盖螺栓2的螺纹完全旋合，可将测量磁芯盖1，轻松拧在已处于工作状态的水轮机组顶盖螺栓2上部，机组检修时，也可轻松拧下，拆卸方便。
上述技术方案中，霍尔传感器5内，在霍尔传感器芯片表面所要求的磁场强度的垂直分量，沿半径为1.1mm的同心圆周测量，输入场强为45～75mT(毫特)。
选用的霍尔传感器芯片是采用CMOS标准工艺制造的，将霍尔半导体元件、信号调节电路集成在一起的集成霍尔传感器，它是用旋转电流霍尔技术来检测霍尔传感器芯片表面上分布的磁场。
霍尔传感器芯片内置的霍尔元件围绕芯片分布，通过∑﹣Δ模拟/数字转换和数字信号处理(DSP)算法，芯片提供精确的高分辨率绝对角度位置信息。同时采用了坐标旋转数字计算机(CORDIC)来计算霍尔阵列信号的角度和幅值。
霍尔传感器内的DSP驱动红黄绿指示器，指示磁芯在轴向的位置，即测量磁芯盖的旋转双极磁芯朝向或远离与霍尔传感器表面的运动情况，得以反映螺母与螺栓间的轴向距离的变化。
霍尔传感器芯片能够检测磁场的方向并计算出14位的二进制编码(绝对值、格雷码)，编码可通过同步串行口(SSI)进行访问。由于采用了差分测量技术以及霍尔传感器调理电路，芯片能够耐受磁铁位置偏离情况以及杂散磁场。传感器精确测量整个360°范围内的角度，其分辨率达到0.0879＝每圈4096个位置。同时，能在正常磁场范围内，进行螺母旋转的多圈测量。
霍尔传感器5选用MODBUS RTU通信协议，数据经由半双工RS-485/RS-422收发器、双通道数字隔离器，与配套设计的自动控制装置间实现数据传输。
各传感器的接口由通信线RS485/RS422数据连接线(2对4芯屏蔽双绞电缆线)，采用牵手的总线拓扑结构，与可编程型控制器PLC的MODBUS通信适配器相联。
系统将采集的霍尔传感器5数据，在PLC内部经过运算后，通过对预设值进行比较，将顶盖螺栓松动的预警信号至监控系统，并且在现地显示屏上显示当前各顶盖螺栓松动的实时编码数字及其状态。
一种利用上述装置的水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测方法，它包括如下步骤：
步骤1：将测量磁芯盖1安装在水轮机组顶盖螺栓2上，其中，测量磁芯盖1的内螺纹通孔1.2与水轮机组顶盖螺栓2螺纹连接，水轮机组顶盖螺栓2的顶部螺栓拧紧块2.1位于第一空腔1.1内，锁紧螺钉7穿过水平定位螺纹孔1.3后顶住顶部螺栓拧紧块2.1，使测量磁芯盖1相对水轮机组顶盖螺栓2定位；
步骤2：将霍尔传感器5安装到测量支座杯3的霍尔传感器安装位3.3上，将测量支座杯3安装到水轮机组顶盖螺母2.2上，其中，测量支座杯3的螺母套筒段3.1套在水轮机组顶盖螺母2.2上，并通过卡扣4使水轮机组顶盖螺母2.2的侧壁限位沉孔2.3与螺母套筒段3.1的限位通孔3.2定位，此时安装在水轮机组顶盖螺栓2上的测量磁芯盖1位于该第二空腔3.4内；
步骤3：霍尔传感器5通过测量霍尔传感器5与测量磁芯6之间的角度变化来感知水轮机组顶盖螺栓2与其上的水轮机组顶盖螺母2.2之间的位置变化，实现水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测。
上述技术方案中，各传感器的接口由通信线RS485/RS422数据连接线(2对4芯屏蔽双绞电缆线)，采用牵手的总线拓扑结构，与可编程型控制器PLC的MODBUS通信适配器相联。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (8)
1.一种水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置，其特征在于：它包括测量磁芯盖(1)、测量支座杯(3)、霍尔传感器(5)以及与霍尔传感器(5)匹配的测量磁芯(6)；
所述测量磁芯盖(1)内设有与水轮机组顶盖螺栓(2)的顶部螺栓拧紧块(2.1)匹配的第一空腔(1.1)，测量磁芯盖(1)内设有与第一空腔(1.1)底部连通的内螺纹通孔(1.2)，第一空腔(1.1)顶部的测量磁芯盖(1)内安装测量磁芯(6)，测量磁芯盖(1)的侧壁开设有与第一空腔(1.1)连通的水平定位螺纹孔(1.3)，所述内螺纹通孔(1.2)与水轮机组顶盖螺栓(2)螺纹连接后，顶部螺栓拧紧块(2.1)位于第一空腔(1.1)内，锁紧螺钉(7)穿过水平定位螺纹孔(1.3)后顶住顶部螺栓拧紧块(2.1)；
所述测量支座杯(3)底部为与水轮机组顶盖螺母(2.2)匹配的螺母套筒段(3.1)，螺母套筒段(3.1)的侧壁开设有与水轮机组顶盖螺母(2.2)的侧壁限位沉孔(2.3)匹配的限位通孔(3.2)，螺母套筒段(3.1)用于套在水轮机组顶盖螺母(2.2)上，并通过卡扣(4)使侧壁限位沉孔(2.3)与限位通孔(3.2)定位；
测量支座杯(3)的顶部设有霍尔传感器安装位(3.3)，所述霍尔传感器(5)安装在霍尔传感器安装位(3.3)中，测量支座杯(3)内螺母套筒段(3.1)与霍尔传感器安装位(3.3)之间为第二空腔(3.4)，所述测量磁芯盖(1)位于该第二空腔(3.4)内；
所述霍尔传感器(5)与测量磁芯(6)同轴设置，霍尔传感器(5)通过测量霍尔传感器(5)与测量磁芯(6)之间的角度变化来感知水轮机组顶盖螺栓(2)与其上的水轮机组顶盖螺母(2.2)之间的位置变化；
所述测量磁芯(6)为轴向磁化的钕铁硼磁铁，测量磁芯(6)安装于第一空腔(1.1)上端正中央的磁芯安装孔内。
2.根据权利要求1所述的水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置，其特征在于：所述霍尔传感器安装位(3.3)为霍尔传感器内螺纹安装孔，所述霍尔传感器(5)的壳体为圆柱状螺纹壳体(5.1)，所述圆柱状螺纹壳体(5.1)与霍尔传感器内螺纹安装孔螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置，其特征在于：所述测量支座杯(3)侧面开设有与第二空腔(3.4)连通的水平观察窗(3.5)。
4.根据权利要求2所述的水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置，其特征在于：所述圆柱状螺纹壳体(5.1)外螺纹连接有传感器固定螺母(5.2)，所述圆柱状螺纹壳体(5.1)通过传感器固定螺母(5.2)与霍尔传感器内螺纹安装孔之间进行定位。
5.根据权利要求1所述的水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置，其特征在于：所述霍尔传感器(5)和测量磁芯(6)均采用防水封装。
6.根据权利要求1所述的水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置，其特征在于：所述测量磁芯盖(1)的侧壁的周向开设有与第一空腔(1.1)连通的六个水平定位螺纹孔(1.3)。
7.根据权利要求1所述的水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测装置，其特征在于：锁紧螺钉(7)与顶部螺栓拧紧块(2.1)之间设有橡胶垫。
8.一种利用权利要求1所述装置的水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测方法，其特征在于，它包括如下步骤：
步骤1：将测量磁芯盖(1)安装在水轮机组顶盖螺栓(2)上，其中，测量磁芯盖(1)的内螺纹通孔(1.2)与水轮机组顶盖螺栓(2)螺纹连接，水轮机组顶盖螺栓(2)的顶部螺栓拧紧块(2.1)位于第一空腔(1.1)内，锁紧螺钉(7)穿过水平定位螺纹孔(1.3)后顶住顶部螺栓拧紧块(2.1)，使测量磁芯盖(1)相对水轮机组顶盖螺栓(2)定位；
步骤2：将霍尔传感器(5)安装到测量支座杯(3)的霍尔传感器安装位(3.3)上，将测量支座杯(3)安装到水轮机组顶盖螺母(2.2)上，其中，测量支座杯(3)的螺母套筒段(3.1)套在水轮机组顶盖螺母(2.2)上，并通过卡扣(4)使水轮机组顶盖螺母(2.2)的侧壁限位沉孔(2.3)与螺母套筒段(3.1)的限位通孔(3.2)定位，此时安装在水轮机组顶盖螺栓(2)上的测量磁芯盖(1)位于该第二空腔(3.4)内；
步骤3：霍尔传感器(5)通过测量霍尔传感器(5)与测量磁芯(6)之间的角度变化来感知水轮机组顶盖螺栓(2)与其上的水轮机组顶盖螺母(2.2)之间的位置变化，实现水轮机组顶盖螺栓螺母松动检测。
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