某抽水蓄能電站蝸殼平壓管破裂分析與處理

董陽(yáng)偉

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引言

抽水蓄能機(jī)組在水泵工況啟動(dòng)及調(diào)相運(yùn)行時(shí)，要求轉(zhuǎn)輪在氣體中旋轉(zhuǎn)，此時(shí)上下迷宮環(huán)如沒(méi)有外來(lái)水冷卻會(huì)隨機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)熱嚴(yán)重影響不銹鋼葉片性質(zhì)和機(jī)組正常運(yùn)行[1]。為此將打開(kāi)迷宮噴水閥，一來(lái)為上下迷宮環(huán)提供冷卻水，二來(lái)在轉(zhuǎn)輪周圍形成水環(huán)防止轉(zhuǎn)輪室氣體大量遺漏。為避免蝸殼內(nèi)水壓力過(guò)大進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室導(dǎo)致水環(huán)過(guò)厚引起的水流撞擊與有害的壓力脈動(dòng)，在蝸殼與尾水管之間設(shè)置將蝸殼與尾水管連通以排出蝸殼內(nèi)水環(huán)排水、平衡蝸殼與尾水管間壓力的平壓管段和液壓控制閥。

1 故障情況簡(jiǎn)介

某抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組在抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況運(yùn)行不久，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組球閥下游側(cè)某一位置向外噴水，隨后申請(qǐng)停機(jī)，在停機(jī)過(guò)程中蝸殼層1號(hào)水淹廠房傳感器005SN、1/2號(hào)機(jī)組尾水閥坑2號(hào)水淹廠房傳感器002SN、1/2號(hào)機(jī)組尾水閥坑1號(hào)水淹廠房傳感器001SN、水淹廠房主跳傳感器005XV以及1～4號(hào)機(jī)組機(jī)械跳機(jī)繼電器002XV依次動(dòng)作，4臺(tái)機(jī)組被迫停運(yùn)。

后經(jīng)蝸殼層積水排凈后，現(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組蝸殼與尾水管平壓閥485VD下方近尾水管側(cè)管道變形破裂。

發(fā)生泄漏的尾水平壓管段設(shè)計(jì)材質(zhì)為TP304或1Cr18Ni9Ti，規(guī)格為φ219.10mm×3.76mm。蝸殼與尾水平壓管路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，泄漏位置如圖1所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)宏觀檢查情況

圖1 蝸殼與尾水平壓管路結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，法蘭與墻體之間的尾水管發(fā)生泄漏，如圖2所示，泄漏處張口較大，泄漏管段明顯脹粗。由于受墻體和焊縫約束，管段呈腰鼓狀，最大外徑約310mm。從圖3來(lái)看，尾水管為有縫鋼管，與設(shè)計(jì)要求的無(wú)縫鋼管不符。脹粗管段壁厚最薄處約2.7mm，墻體內(nèi)未明顯脹粗部位壁厚3.7～3.8mm。尾水管在與法蘭焊接時(shí)先套在法蘭上再進(jìn)行焊接，為插入式焊接，根部存在未焊透現(xiàn)象。與法蘭連接的焊縫上有一段銹蝕，為開(kāi)裂起始部位，如圖4所示。沿此部位至尾水管母材被撕開(kāi)，撕裂斷口新鮮。與法蘭連接的下彎頭外弧面壁厚約9.5mm，未見(jiàn)脹粗現(xiàn)象。

圖2 1號(hào)機(jī)組蝸殼與尾水管平壓管路破裂情況

圖3 蝸殼與尾水管平壓管段照片

圖4 法蘭上焊縫開(kāi)裂后照片

圖5 4號(hào)機(jī)組蝸殼與尾水管平壓管路變形情況

隨后對(duì)其他機(jī)組相同部位管路檢查，發(fā)現(xiàn)4號(hào)機(jī)組該段管路也存在輕度變形，如圖5所示。

3 故障原因分析

通過(guò)勘察管路破損變形情況，結(jié)合機(jī)組日常運(yùn)行現(xiàn)象，分析認(rèn)為導(dǎo)致平壓管破裂變形的可能綜合原因有以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)際平壓管預(yù)埋管及連接法蘭未按設(shè)計(jì)要求選擇管材和型號(hào)。核對(duì)蝸殼與尾水管平壓管設(shè)計(jì)圖紙知道蝸殼至尾水管平壓管的預(yù)埋管路為管徑φ219.1mm、厚6mm的不銹鋼無(wú)縫鋼管，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)現(xiàn)蝸殼至尾水管平壓管的預(yù)埋管為管徑φ219.1mm、壁厚3.76mm、公稱壓力為PN50的不銹鋼焊接鋼管。而機(jī)組在從調(diào)相轉(zhuǎn)抽水或發(fā)電工況期間，蝸殼至尾水管平壓閥為打開(kāi)狀態(tài)，在此過(guò)程中該管路短時(shí)間承受壓力約為5.7MPa，超出該不銹鋼焊接鋼管承壓要求。

（2）平壓管明管段與連接法蘭存在焊接質(zhì)量缺陷。焊縫的焊接質(zhì)量受多方面因素影響，因應(yīng)力集中導(dǎo)致的焊縫缺陷相當(dāng)常見(jiàn)[2]。現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)預(yù)埋管路與明管段的連接法蘭材質(zhì)為低合金鋼，與設(shè)計(jì)材質(zhì)（1Cr18Ni9Ti）不一致，且預(yù)埋管厚度3.76mm與法蘭焊接處厚度11mm相差值大，使得焊接部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。水平明管段帶徑焊接法蘭為碳鋼而管路為不銹鋼，尾水管與法蘭連接的焊縫為異種鋼焊縫，又采用插入式焊接，焊接方法不當(dāng)，存在未焊透現(xiàn)象，造成焊縫連接強(qiáng)度降低。另外，法蘭設(shè)計(jì)材質(zhì)為不銹鋼，而實(shí)際材質(zhì)為低合金鋼。低合金鋼抗空蝕性能明顯低于不銹鋼，長(zhǎng)期運(yùn)行后引起法蘭空蝕減薄也為機(jī)組安全運(yùn)行帶來(lái)隱患。

（3）平壓管段內(nèi)壓力脈動(dòng)引起的管路振動(dòng)。機(jī)組在調(diào)相運(yùn)行時(shí)，蝸殼內(nèi)的水環(huán)水排至尾水管時(shí)，瞬間的沖擊力較大，容易產(chǎn)生“水錘”效應(yīng)，使管路內(nèi)瞬間壓力增加引起該段管路振動(dòng)。在從調(diào)相轉(zhuǎn)抽水或發(fā)電時(shí)，因機(jī)組順控流程設(shè)計(jì)為在球閥工作密封開(kāi)啟充水平壓過(guò)程中蝸殼至尾水管平壓閥為打開(kāi)狀態(tài)，管路存在瞬間比較大的軸向水推力和壓力脈動(dòng)造成水平管段的振動(dòng)。

（4）裝配產(chǎn)生的變形應(yīng)力。在管路的焊接、裝配可能存在由于焊接變形及法蘭螺栓把合過(guò)程中產(chǎn)生的附加彎矩，附加彎矩會(huì)在管路中產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。

綜合認(rèn)為：蝸殼與尾水管平壓管泄漏段壁厚較薄，且沒(méi)有墻體約束，當(dāng)瞬間壓力達(dá)到其屈服強(qiáng)度時(shí)，裸露在墻體外部分就出現(xiàn)塑性變形、脹粗。多次動(dòng)作后，該管段不斷脹粗并呈腰鼓狀。隨著尾水管的不斷脹粗，最終沿最薄弱的異種鋼焊縫與法蘭熔合線未焊透處開(kāi)裂，導(dǎo)致尾水管撕裂噴水。

4 故障處理方案與實(shí)施

結(jié)合上述造成蝸殼與尾水管平壓管破裂變形的原因，對(duì)該故障的處理方案主要有以下幾項(xiàng)措施：

（1）將該裸露的平壓明管段更換為φ219.1mm×6mm的不銹鋼無(wú)縫鋼管并與原來(lái)管路焊接。該處焊縫通過(guò)不銹鋼法蘭轉(zhuǎn)接。將不銹鋼法蘭與原混凝土錨筋焊接，最后用混凝土將法蘭與墻體澆筑為一體。

（2）替換全部碳鋼材料為不銹鋼材質(zhì)，提高管路部件材質(zhì)耐氣蝕能力并提高焊接質(zhì)量。改善厚、薄管路的連接，采用工地焊接形成的帶徑法蘭（與混凝土錨筋固定）減少管路的應(yīng)力集中。

（3）增加管路水平及垂直方向的支架并固定，減小管路因沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

從蝸殼與尾水管平壓管破裂故障的分析與處理來(lái)看，盡管該段管路在抽水蓄能電站眾多設(shè)備和材料中微不足道，但如其發(fā)生故障，引起的損失和破壞力卻又大得多，所以在今后的抽水蓄能電站建設(shè)和運(yùn)維中，應(yīng)從設(shè)計(jì)、材料采購(gòu)、制造安裝、運(yùn)維檢修等各個(gè)方面做好質(zhì)量監(jiān)督與管控，特別要加強(qiáng)承壓焊縫的無(wú)損檢測(cè)和日常運(yùn)維巡視，才能確保電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 李海波.抽水蓄能機(jī)組調(diào)相運(yùn)行淺析.水電廠機(jī)電技術(shù)，2008（10）:12-14.

[2] 邵澤波.無(wú)損檢測(cè)技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.1.