二灘水電站水輪機(jī)尾水錐管裂紋預(yù)防處理

尹志富

二灘水電站部分機(jī)尾水管進(jìn)人門左上方混凝土和鋼襯之間存在較大漏水，通過現(xiàn)場(chǎng)情況分析，確定水輪機(jī)尾水錐管存在裂紋。通過詳細(xì)的對(duì)比和統(tǒng)計(jì)分析，確定問題錐管存在安裝及運(yùn)行方面的缺陷例如鋼板和混凝土之間存在間隙，機(jī)組負(fù)荷頻繁調(diào)整且長期在振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行致使某些負(fù)荷區(qū)域尾水管壓力脈動(dòng)增加而誘發(fā)尾水錐管穿透性裂紋。提出了有救解決機(jī)尾水錐管裂紋及發(fā)生滲漏水的6個(gè)有關(guān)措施。

工程概述

二灘水電站位于四川省境內(nèi)的雅礱江干流上。電站共裝設(shè)6臺(tái)550MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總?cè)萘?300MW。是川渝電網(wǎng)最大的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓及事故備用主力電廠。并擔(dān)任調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)。電站首臺(tái)機(jī)組于1998年8月18日正式并網(wǎng)運(yùn)行，1999年12月6臺(tái)機(jī)組全部投入使用，2000年上半年工程全部竣工。

二灘水電站水輪機(jī)尾水管為高窄型尾水管，分為錐管和肘管兩部分。尾水錐管材質(zhì)為525mmQ235-B鋼板。尾水管錐管段進(jìn)口直徑為φ5964mm，出口φ7439mm，高8350mm，進(jìn)口不設(shè)配割段。進(jìn)口段500mm范圍內(nèi)采用625mm厚不銹鋼板1Cr18Ni9Ti以增強(qiáng)轉(zhuǎn)輪出口部位尾水管的抗空化能力。尾水管中上部設(shè)有800×1000mm？的進(jìn)人門，門下設(shè)有鋁合金檢修平臺(tái)。尾水管不論是錐管還是肘管上都只設(shè)有環(huán)向筋板，無縱向筋板。

2012年6月25日，巡檢中發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)尾水管進(jìn)人門左上方混凝土和鋼襯之間漏水較大（見圖1、圖2）。根據(jù)以往類似情況的經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)情況分析，產(chǎn)生漏水的原因?yàn)?號(hào)水輪機(jī)尾水錐管出現(xiàn)了裂紋。

裂紋原因分析

尾水錐管裂紋統(tǒng)計(jì)

二灘水電站六臺(tái)機(jī)組自1998年投產(chǎn)運(yùn)行至今，已發(fā)生過12起（不含本次）尾水錐管裂紋，其中3號(hào)機(jī)組共出現(xiàn)過6起（不含本次）尾水錐管裂紋，其他機(jī)組共出現(xiàn)過6起尾水錐管裂紋，詳見尾水錐管裂紋統(tǒng)計(jì)表（表1）。其中3號(hào)機(jī)尾水錐管2011年10月4日D修與2011年12月28日C修發(fā)現(xiàn)的裂紋長度和位置如圖3所示。

裂紋統(tǒng)計(jì)分析及裂紋處理

未出現(xiàn)裂紋的機(jī)組：根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，二灘水電站六臺(tái)機(jī)組自投產(chǎn)運(yùn)行至今，僅1號(hào)機(jī)組未出現(xiàn)尾水錐管裂紋。

出現(xiàn)1次裂紋的機(jī)組：根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，二灘水電站4號(hào)機(jī)組和6號(hào)機(jī)組自投產(chǎn)運(yùn)行至今，尾水錐管均只出現(xiàn)1次裂紋。其中，4號(hào)機(jī)組裂紋是在2012年4月機(jī)組C修期間用超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部裂紋。2006年12月6號(hào)機(jī)組C修期間檢查出尾水錐管裂紋，經(jīng)處理后至今未再出現(xiàn)裂紋（運(yùn)行了5年半時(shí)間）。根據(jù)對(duì)4號(hào)機(jī)組和其他機(jī)組的探傷檢查說明，機(jī)組尾水錐管裂紋是隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的增加而不斷發(fā)展的，以前未出現(xiàn)裂紋的機(jī)組也逐漸開始出現(xiàn)裂紋。

出現(xiàn)2次裂紋的機(jī)組：二灘水電站2號(hào)機(jī)組和5號(hào)機(jī)組自投產(chǎn)運(yùn)行至今，尾水錐管均出現(xiàn)2次裂紋。2號(hào)機(jī)組2007年12月機(jī)組C修期間，第一次檢查出尾水錐管裂紋；2011年4月機(jī)組D修，第二次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋（兩條），距上次裂紋出現(xiàn)的時(shí)間間隔為3年4個(gè)月。5號(hào)機(jī)組2002年2月機(jī)組C修期間，第一次檢查出尾水錐管裂紋；2005年5月機(jī)組C修期間，第二次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋，距上次裂紋出現(xiàn)的時(shí)間間隔為3年3個(gè)月。5號(hào)機(jī)組尾水錐管第二次裂紋處理后運(yùn)行至今已滿7年，未出現(xiàn)裂紋。

多次出現(xiàn)裂紋的機(jī)組：3號(hào)機(jī)組自投產(chǎn)運(yùn)行至今，尾水錐管共出現(xiàn)6次裂紋（不含本次）。2002年1月機(jī)組C修期間，第一次檢查出尾水錐管裂紋（兩條）；2005年4月3號(hào)機(jī)組D修期間，確認(rèn)其尾水錐管第二次出現(xiàn)裂紋，距上次裂紋出現(xiàn)的時(shí)間間隔為3年3個(gè)月；2006年3月機(jī)組C修期間，第三次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋，距上次裂紋出現(xiàn)的時(shí)間間隔為11個(gè)月：2008年2月機(jī)組C修期間，第四次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋，距上次裂紋出現(xiàn)的時(shí)間間隔為1年11個(gè)月；2011年10月3號(hào)機(jī)組D修期間，第五次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋，距上次裂紋出現(xiàn)的時(shí)間間隔為3年10個(gè)月；2011年12月3號(hào)機(jī)組C修期間，第六次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋，這次裂紋是擴(kuò)大尾水錐管探傷范圍時(shí)用超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的，裂紋位于尾水管進(jìn)人門左上方距尾水錐管上部50mm、距尾水錐管表面19mm處（尾水錐管鋼板厚度為25mm），長度為45mm。根據(jù)統(tǒng)計(jì)可知，3號(hào)機(jī)組尾水錐管共出現(xiàn)過7條裂紋，其中尾水管進(jìn)人門左上方2條，正上方4條，右上方1條。

尾水錐管裂紋統(tǒng)計(jì)及裂紋的處理

二灘水電站六臺(tái)機(jī)組自投產(chǎn)以來，尾水錐管共出現(xiàn)過14條裂紋（不含本次），所有裂紋均出現(xiàn)在尾水管進(jìn)人門上方（左上方5條，正上方6條，右上方3條）。

對(duì)于尾水錐管出現(xiàn)的裂紋，均按照二灘電站《尾水錐管裂紋處理工藝》要求對(duì)裂紋進(jìn)行補(bǔ)焊處理，然后對(duì)脫空段進(jìn)行灌漿處理。

尾水錐管裂紋的預(yù)防及檢查

以往每年每臺(tái)次機(jī)組檢修時(shí)，都會(huì)對(duì)尾水錐管進(jìn)行探傷檢查，重點(diǎn)檢查尾水檢修平臺(tái)以上部位，對(duì)尾水錐管所有焊縫均進(jìn)行滲透探傷檢查。由于尾水管進(jìn)入門上部為裂紋頻發(fā)部位，所以，還要對(duì)尾水管進(jìn)“門上部、尾水管進(jìn)入門左右兩側(cè)3m以內(nèi)范圍進(jìn)行超聲波探傷檢查，以確認(rèn)該區(qū)域尾水錐管無內(nèi)部缺陷。

2011年間，因“2號(hào)機(jī)尾水管進(jìn)人門左上方漏水”、“3號(hào)水輪機(jī)尾水管進(jìn)“門上部左側(cè)漏水”缺陷，對(duì)2號(hào)、3號(hào)機(jī)進(jìn)行D修，確認(rèn)漏水均因尾水錐管出現(xiàn)裂紋所致。于是，2011～2012年度C修期間，除對(duì)各臺(tái)機(jī)組尾水檢修平臺(tái)上部尾水錐管所有焊縫進(jìn)行滲透探傷檢查外，對(duì)尾水管進(jìn)“門上部整圈尾水錐管均進(jìn)行了超聲波探傷檢查。

機(jī)組檢修期間，對(duì)尾水檢修平臺(tái)以上部位的尾水錐管進(jìn)行脫空檢查，對(duì)單塊脫空面積達(dá)0.5m²及以上的區(qū)域進(jìn)行鉆孔灌漿處理。機(jī)組檢修中，對(duì)發(fā)現(xiàn)的尾水錐管裂紋及缺陷均嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行了及時(shí)處理，尾水錐管探傷檢查及尾水錐管脫空檢查處理對(duì)尾水錐管裂紋起到了一定的預(yù)防作用。

原因分析

安裝方面的原因分析。由于二灘電站六臺(tái)機(jī)組分別由不同廠家制造、安裝，不同機(jī)組尾水管的材質(zhì)、施工焊接質(zhì)量、混凝土灌注情況等必然存在差異，在相似運(yùn)行工況下出現(xiàn)裂紋的概率也就不同。相比其它機(jī)組，3號(hào)機(jī)尾水錐管出現(xiàn)裂紋次數(shù)最多，其第一次出現(xiàn)裂紋的時(shí)間最早且距機(jī)組投運(yùn)時(shí)間較短，說明3號(hào)機(jī)尾水錐管可能存在某些先天的薄弱因素。

經(jīng)過觀察，部分機(jī)組在運(yùn)行過程中尾水管進(jìn)人門處一直十分干燥，而另一部分機(jī)組在運(yùn)行過程中尾水管進(jìn)入門混凝土和鋼襯之間經(jīng)常有水流出，2號(hào)、3號(hào)機(jī)組尤其明顯，進(jìn)一步檢查時(shí)某些機(jī)組尾水錐管卻未發(fā)現(xiàn)裂紋，這些現(xiàn)象說明尾水錐管鋼板和混凝土之間存在微小間隙。由于該微小間隙的存在，使得原設(shè)計(jì)的錐管鋼板和混凝土聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)改變成錐管鋼板單獨(dú)受力結(jié)構(gòu)，增大了錐管裂紋發(fā)生的可能。

運(yùn)行方面的原因分析。二灘水電站是所在電網(wǎng)中的大型骨干電廠，擔(dān)任系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，機(jī)組負(fù)荷調(diào)整頻繁，常在非最優(yōu)工況的低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行。負(fù)荷調(diào)整時(shí)的過渡過程、低負(fù)荷工況下尾水管中的渦流、渦帶都將引起尾水壓力脈動(dòng)增加。尾水管進(jìn)人門及其周邊區(qū)域處于渦帶的旋轉(zhuǎn)壓力場(chǎng)區(qū)，且其結(jié)構(gòu)上無混凝土支撐，在尾水壓力脈動(dòng)作用下，該金屬結(jié)構(gòu)振動(dòng)加劇，尾水錐管疲勞破壞作用就更加顯著，易導(dǎo)致尾水錐管管壁開裂、出現(xiàn)漏水，泄漏的水不斷的將尾水管撞擊磨損的混凝土漿帶出，隨著漏水量增加，混凝土侵蝕加劇，當(dāng)尾水錐管管壁與混凝土之間的間隙越來越大時(shí)，尾水錐管管壁振幅加大，導(dǎo)致錐管管壁鋼板疲勞加劇、裂紋惡化，進(jìn)入惡性循環(huán)。

裂紋處理工藝及灌漿孔處理工藝分析

二灘水電站尾水錐管裂紋均按照《二灘水力發(fā)電廠尾水錐管裂紋處理工藝》處理，其中6號(hào)機(jī)和5號(hào)機(jī)尾水錐管自裂紋處理后投運(yùn)至今已長達(dá)5年半和7年時(shí)間，狀態(tài)穩(wěn)定，均未再出現(xiàn)裂紋，由此證明我廠尾水錐管裂紋處理工藝滿足尾水錐管裂紋處理要求。但是，當(dāng)尾水錐管出現(xiàn)穿透性裂紋時(shí)，由于位置的限制，只能采用單面焊、雙面成型的方法進(jìn)行補(bǔ)焊處理，必然導(dǎo)致混凝土側(cè)2～3mm的鋼材強(qiáng)度無法完全恢復(fù)至原有強(qiáng)度。由于尾水錐管鋼板厚度只有25mm，當(dāng)尾水錐管同一區(qū)域反復(fù)出現(xiàn)穿透性裂紋后，這一區(qū)域的鋼板可能會(huì)由于反復(fù)補(bǔ)焊導(dǎo)致強(qiáng)度減弱。

機(jī)組檢修期間，還會(huì)對(duì)尾水檢修平臺(tái)以上部位的尾水錐管進(jìn)行脫空檢查，對(duì)單塊脫空面積達(dá)0.5m²及以上的區(qū)域進(jìn)行鉆孔灌漿處理。尾水錐管灌漿處理首先要在脫空部位鉆灌漿孔，孔徑為12mm。然后注入水泥漿，灌漿完畢且脫空處的漿液充分凝固后對(duì)灌漿孔進(jìn)行補(bǔ)焊封堵。由于灌漿孔是通孔，在補(bǔ)焊封堵時(shí)打底的過程中焊條的高溫會(huì)造成混凝土飛濺，從而導(dǎo)致焊肉中夾渣，影響補(bǔ)焊效果。2012年檢修中對(duì)這一工藝進(jìn)行了改進(jìn)，在灌漿孔底部先放入一個(gè)φ11mm厚3mm的不銹鋼塊，然后再進(jìn)行補(bǔ)焊。這樣雖然可以避免混凝土飛濺導(dǎo)致的焊肉夾渣現(xiàn)象，但灌漿孔底部2～3mm的鋼材強(qiáng)度無法完全恢復(fù)至原有強(qiáng)度。這樣的灌漿孔越多，尾水錐管強(qiáng)度受到的影響就越大，特別是尾水管進(jìn)入門上部及其附近區(qū)域的尾水錐管。

結(jié)論及建議

綜上所述，3號(hào)機(jī)尾水錐管存在某些先天薄弱因素，其鋼板和混凝土之間存在間隙，尾水錐管同一區(qū)域反復(fù)出現(xiàn)裂紋后補(bǔ)焊導(dǎo)致強(qiáng)度減弱，灌漿孔補(bǔ)焊處理后導(dǎo)致強(qiáng)度減弱，機(jī)組負(fù)荷頻繁調(diào)整且長期在振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行，在某些負(fù)荷區(qū)域尾水管壓力脈動(dòng)增加等因素誘發(fā)了尾水錐管穿透性裂紋，使得尾水滲透至尾水錐管鋼板和混凝土之間流出。

據(jù)此提出如下建議：盡可能將尾水錐管鋼板和混凝土之間的間隙填實(shí)，特別是尾水管進(jìn)入門區(qū)域。并保證灌漿材料的固化時(shí)間足以使其達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度。對(duì)尾水管進(jìn)人門周圍無混凝土支撐的尾水錐管采取加固措施，降低振動(dòng)幅值。進(jìn)一步改進(jìn)尾水錐管穿透性裂紋處理工藝，改善補(bǔ)焊質(zhì)量，提高焊接區(qū)域的管壁強(qiáng)度。裂紋焊接前，利用電加熱片加熱對(duì)作業(yè)區(qū)進(jìn)行加溫，完全驅(qū)除裂紋區(qū)域內(nèi)混凝土和尾水錐管鋼板之間的潮氣。

對(duì)于穿透性裂紋，進(jìn)一步改進(jìn)其打底工藝，并調(diào)整打底焊接材料和焊接方法。尾水管管壁，特別是尾水錐管裂紋多發(fā)區(qū)域，盡可能少鉆灌漿孔。改進(jìn)灌漿孔補(bǔ)焊工藝，盡量提高補(bǔ)焊后尾水管管壁強(qiáng)度。

優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式，盡可能減少機(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行的次數(shù)和時(shí)間，減少機(jī)組負(fù)荷調(diào)整的次數(shù)。