高强度碳纤维布在活动导叶修复上的应用_王佩.pdf

Application 创新应用148 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月国家标准或行业标准。2019年4月对8号机组进行检修后稳定性试验分析发现，其水导轴承X向水平振动在511m水头、大负荷状态仍存在超标现象，导致机组出力受限。2 水导轴承振动原因的初步分析导叶开度的均匀性对水轮机流量的均匀性有较大影响，是影响水轮机稳定性的主要原因之一。为继续深入研究8号机水导振动问题，电厂对8号机导叶开口进行测量检查，发现8号机导叶开度在调整时右侧（面朝上游）开度偏大，且随着导叶开度的增加该趋势越发明显。电站提供的2015年8号机开口的检查记录如表1表3所示。根据测量数据，初步推测导叶开口不均或许是导致8号机水导振动超标的根本原因，即机组导叶在大开度下朝一边偏而导致单边流量增大，从而有0 引言为明确导叶开度不均是否对案例工程的8号机水导轴承振动有影响，对活动导叶进行临时性修复，在保证导叶开度均匀的前提下降导叶全关时的立面间隙修复至满足国标及图纸要求。然后进行机组开机运行试验，观察在导叶开度均匀的情况下水导轴承振动是否发生变化，以判断导叶开度不均匀对水导轴承振动变化的影响。1 研究背景案例工程中的凌津滩水电厂8号机组为灯泡贯流式机组，水轮机型号为GZA684-WP-690，额定出力30.93MW。8号机组自2000年12月投运至2018年9月（机组A级检修）以来，已累计运行逾69 549h。自投产发电以来该机组存在水轮机水导轴承水平振动超国标（120m），且超过日立厂家标准（200m）。2015年电厂立项对8号机组水导轴承振动超标问题进行专题研究，通过研究明确了机组的协联关系、桨叶开口不均匀、桨叶与转轮室间隙、水轮机侧的机械动不平衡是导致水导轴承振动的主要原因。依据该原因分析，2019年电厂通过8号机组A级检修对桨叶翼形、轴线、桨叶操作机构、转轮室与桨叶间隙、桨叶开度同步性等项目进行了测量检查及调整，机组检修各项检修数据及检修工艺均达到作者简介：王佩，湖南五凌哈电能效科技有限公司；研究方向：水电工程、复合材料应用。收稿日期：2022-12-01；修回日期：2023-02-14。摘要：阐述水导轴承振动原因，叶表面修复材料选择，高强度碳纤维布特性及应用优势，碳纤维复合材料修复导叶的厂内试验，碳纤维修复导叶厂内试验结果，包括正拉粘接试验、碳纤维布增强钢条试验、碳纤维布增强钢条压力试验。关键词：复合材料，碳纤维，活动导叶修复，粘接试验。中图分类号：TB332-18 文章编号：000-0755(2023)02-0148-04文献引用格式：王佩.高强度碳纤维布在活动导叶修复上的应用J.电子技术,2023,52(02):148-151.高强度碳纤维布在活动导叶修复上的应用王佩（湖南五凌哈电能效科技有限公司，湖南 410005）Abstract This paper describes the causes of vibration of hydraulic guide bearing,the selection of blade surface repair materials,the characteristics and application advantages of high-strength carbon fiber cloth,the factory test of carbon fiber composite material repair guide vane,and the factory test results of carbon fiber repair guide vane,including the positive tension bonding test,carbon fiber cloth reinforced steel bar test,and carbon fiber cloth reinforced steel bar pressure test.Index Terms composite material,carbon fiber,movable guide vane repair,adhesion test.Application of High-strength Carbon Fiber Cloth in the Repair of Movable Guide VaneWANG Pei(Hunan Wulingha Electric Energy Efficiency Technology Co.,Ltd.,Hunan 410005,China.)表1 50%导叶开度实测值 Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 149可能造成叶片沿圆周方向受力不均，并造成水导振动超标的现象。为进一步排查8号机组水导振动偏大的原因，通过调整偏心销将8号机导叶开口调整至国标范围内，但是将导叶开口值调整满足要求后，将导叶全关时发现导叶关闭时导叶立面间隙普遍存在隙偏大现象，其中最大立面间隙高达2cm左右。考虑到过大的立面间隙将导致机组无法正常停机，因此无法在不对导叶进行适当处理的前提下进行研究、验证导叶开口值不均与机组水导振动偏大之间的关系，也不能排除导叶开口不均对机组水导振动影响的可能性。3 叶表面修复材料选择根据前述分析，要通过真机试验确定导叶开口不均是否对机组水导轴承振动值增大有影响，必须要先将所有导叶开度调整至均匀状态，同时需要保证导叶在全关状态时立面间隙满足国标及图纸要求之后才可以进行真机试验，以保证试验过程中机组可以顺利停机，保证机组及试验的安全性。其中可以通过导水机构偏心销将16处导叶开度调整至均匀状态，但在此情况下保证导叶全关时立面间隙也满足国标及图纸要求，只能通过对导叶过流面进行临时修补处理的方式去实现，并在完成导叶开口值对机组振动影响的真机试验后将导叶修复层去除，并将导叶开口调整回初始值状态。在设计同时满足导叶开口值均匀且全关状态立面间隙满足要求的研究方案时，需充分考虑到导叶修复的施工条件（在未拆除状态下施工）、施工复杂性、操作流程及允许的施工周期等因素后，提出安全可靠的导叶修复方案。根据电厂之前的现场测量数据，在保证导叶开度均匀的状态下全关导叶时，导叶的最大立面间隙为20mm左右,其余各处导叶立面间隙在020mm间不等，所以导叶临时修复方案的主要工作是将此状态下的非正常立面间隙修复至GB/T8564水轮机安装技术规范及设计图纸允许状态，并保证临时修复层在机组充水、开机及试验过程中不发生异常脱落现象。凌津滩活动导叶本体材料为ZG230-450材料，导叶进出水边密合面位置为不锈钢材料。根据导叶的外形特点（导叶外形见图1）及水力特性，对导叶的修复只能选择在导叶进水边密封面处进行。受工期、修复后需去除及现场施工环境等因素制约，无法通过补焊的方式对导叶进出水边密合面进行修复。目前应用在水轮机过流部件的非金属材料主要包括聚氨酯材料、橡胶材料和高强度碳纤维材料，金属修复材料主要为金属修复剂。通过对这四种材料的性能分析、修复的可靠性、方便性对比，最终选择用高强度碳纤维布用于活动导叶的修复。图1所示为凌津滩活动导叶结构图。4 高强度碳纤维布特性及应用优势碳纤维复合片材修复钢质部件是1990年代发展起来的一种结构修复补强技术，该项技术在国际上深受重视已广泛用于化工厂、民用建筑、桥梁等特种结构，成为钢质部件结构修复补强的重要应用方式。随着复合材料补强技术的不断应用这一技术已逐渐趋于成熟并逐渐开始大范围使用。碳纤维复合材料加固作用应用优势。与传统的修复技术相比较碳纤维复合材料补强修复技术具有以下独特的优点：（1）不需要任何设备，现场施工非常简单；（2）免焊不动火，降低了维修的危险性，可避免焊接所带来的风险基本上不影响生产，不停输补强，避免停车造成的巨额损失；（3）耐腐蚀性能、耐蠕变；（4）适用于各种管道，不受几何形状限制；（5）不影响管道检测适用于各种缺陷类型；（6）腐蚀缺陷、机械损伤、管材材质缺陷等；（7）灵活剪裁、组合铺设总成本低，具有良好的经济效益。图2为碳纤维布在金属管道补强上的应用。表2 75%导叶开度实测值表3 100%导叶开度实测值图1 凌津滩活动导叶结构图Application 创新应用150 电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月碳纤维复合材料机械性能。本项目活动导叶头部修复选CFS-I-300型碳纤维布，其配套胶粘剂采用CFSR-A/B型浸渍胶。图3为CFS-I-300型碳纤维布及配套浸渍胶。表4为CFS-I-300型碳纤维布性能指标。表5为CFSR-A/B型配套浸渍胶性能指标。5 碳纤维复合材料修复导叶的厂内试验 凌津滩8号机导叶用碳纤维修复过流面，主要目的是弥补导叶全关状态下的非正常导叶立面间隙，根据现场实测，在导叶开度均匀的状态下，全关状态时导叶的立面间隙在020mm范围内。CFS-I-300型碳纤维布单层厚度约0.167mm，碳板最大厚度3.0mm，按需要修复的最大导叶立面间隙20mm计算，约需要6层碳板粘接叠加可以达到厚度要求。其余小于20mm立面间隙的导叶可以根据具体间隙值选择不同层数的碳板和碳布组合的方式进行修复。图4所示为真机活动导叶碳纤维修复方案。为获取粘贴于活动导叶过流面碳纤维板、碳纤维布在导叶接力器压紧力作用下的变化情况，以及在导叶压紧力作用下是否会发生破碎脱落等问题，在厂内进行模拟导叶关闭状态下的压紧试验，试验装置结构如图5所示，试验装置主要包括液压油缸、试验支架、模拟导叶尾部及模拟修复导叶头部几部分组成。其中试验油缸用以提供与凌津滩导叶在正常运行工况下所受操作力，操作力根据凌津滩导叶接力器、导水机构传动机构尺寸进行计算，确保油缸提供的操作力与导叶现场所受操作力相同。模拟的导叶尾部与实际导叶尾部末端相同，为R2圆弧，保证施加于修复碳纤维层上方的受力状态与真机一致。模拟导叶尾部与真机导叶尾部结构如图6所示。模拟修复导叶为可更换部件，分别制作两套模拟修复导叶，一套为粘贴20mm厚碳纤维板，一套为粘贴2mm碳布（8层碳纤维布粘贴），试验时分别在两种形式的模拟修复导叶上方用油缸施加与真机相同的接力器操作力，每次试验进行3次，分别记录油缸油压及被压紧后的碳纤维修复表面变化情况，然后进行大于实际导叶压力试验，即继续增加油缸油压，不断增加施加于碳纤维表面的压力，观察并记录碳纤维修复层发生破坏时的实际油缸油压值。图5所示为碳纤维修复导叶厂内压紧试验装置示意图，图6所示为模拟导叶尾部（左图）与真机导叶尾部示意图。试验过程同时需测量模拟导叶的“立面间隙”情况，对于立面间隙不满足要求处进行少量打磨碳纤维板或用配套浸渍胶进行找平。根据试验后碳纤维表面的变化情况确定真机导叶表面修复方案，若碳纤维修复层在小于实际导叶图2 碳纤维布在金属管道补强上的应用图3 CFS-I-300型碳纤维布及配套浸渍胶表4 CFS-I-300型碳纤维布性能指标表5 CFSR-A/B型配套浸渍胶性能指标 图4 真机活动导叶碳纤维修复方案示意图图5 碳纤维修复导叶厂内压紧试验装置示意图图6 模拟导叶尾部（左图）与真机导叶尾部示意图Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 2 期（总第 555 期）2023 年 2 月 151压力情况下发生严重破坏如碎裂、脱落等情况，真机试验时减小导叶接力器压紧力，保证试验的顺利完成，减小导叶压紧力需确保导叶关闭时的立面间隙仍满足图纸及国家标准要求。6 碳纤维修复导叶厂内试验结果 6.1 正拉粘接试验取500mm500mm30mm的16MnR材料钢板，并将粘贴碳纤维布侧的打磨平整。按照钢板大小裁剪CFS-I-300碳布，并将CFSR-A/B型浸渍胶的A、B组按2:1比例配置搅拌均匀。用滚刷将浸渍胶均匀涂抹在钢板表面，然后将裁剪好的碳布平铺在涂好浸渍胶的钢板上，用刮板将碳布刮平，并用滚刷顺着碳纤维方向再次涂抹浸渍胶，使浸渍胶充分浸透