緊水灘電廠6號機壓力鋼管與蝸殼安全檢測

李德紅，項興華，陸建峰（浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江麗水323000）

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緊水灘電廠6號機壓力鋼管與蝸殼安全檢測

李德紅，項興華，陸建峰
（浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江麗水323000）

摘要：緊水灘電廠6號機進行改造，水輪機從51.5 MW增至56.7 MW，而機組引水壓力鋼管、蝸殼已運行26年。為了解能否滿足機組增容的安全要求，對6號機組壓力鋼管及蝸殼進行了現場安全檢測。評價引水壓力鋼管、蝸殼符合機組增容的安全要求，確保機組運行的安全性和可靠性。

關鍵詞：壓力鋼管；腐蝕；探傷；應力檢測

1設備概況

緊水灘水電廠裝有6臺單機50 MW的混流式機組，電站總裝機300 MW。6臺機分別于1987年～1988年投產發(fā)電，均是杭州發(fā)電設備廠生產。水輪機型號為HL220-LJ-300，立軸混流式，金屬蝸殼，包角345°，轉輪直徑3 m，額定出力51.5 MW，設計水頭69 m，最大水頭85 m，最小水頭60.5 m。引水系統(tǒng)由攔污柵、進水口檢修門、進水口快速工作閘門、輸水壓力鋼管、蝸殼及尾水管組成，輸水壓力鋼管采用壩后埋管型式。引水壓力鋼管、蝸殼圖見圖1，主要特性見表1。

圖1　機組引水壓力鋼管、蝸殼簡圖

2013年緊水灘水電廠6號機進行增容改造，從原先的51.5 MW增容至56.7 MW，而機組引水壓力鋼管、蝸殼已運行26年的實際狀況。為了解能否滿足機組增容的安全要求，對6號機組壓力鋼管及蝸殼進行了現場安全檢測與安全評價。

表1　引水系統(tǒng)各部份主要特性參數

2安全檢測的內容及方法

2.1安全檢測內容

蝸殼及壓力鋼管的水平段、下彎段、伸縮節(jié)及尾水管進行了外觀檢測及混凝土淘空狀況檢測、腐蝕狀態(tài)檢測、金屬材料性能檢測、焊縫超聲波探傷；壓力鋼管進行了靜態(tài)應力測試；壓力鋼管動態(tài)應力測試。

2.2安全檢測方法

1）外觀檢測主要采用目測為主，必要時輔以儀器；混凝土淘空狀況采用敲擊法檢測；腐蝕狀態(tài)采用超聲波測厚儀和深度游標卡尺檢測；

2）金屬材料性能采用測定鋼材表面硬度（按GB1172換算材質的σb）和在合適部位鉆取材料屑狀試樣進行化學成分分析的方法檢測；

3）焊縫采用超聲波進行無損探傷；

4）廠房明管結構靜態(tài)/動態(tài)應力測試，廠房明管的應力測試采用傳統(tǒng)的電測法，用靜態(tài)/動態(tài)應變儀、電阻應變片、屏蔽電纜等組成測試儀器系統(tǒng)，對6號機組的廠房鋼管明管段進行動、靜態(tài)應力測試。

3外觀狀態(tài)檢測

3.1外觀檢查

外觀檢測以目測為主，配合使用普通的量測工具，檢查壓力鋼管各管段的狀態(tài)：表面有無損傷、裂紋、局部有無明顯變形、鼓包，鋼管外圍混凝土是否脫空，鋼管焊縫和灌漿孔封堵是否完好。受現場條件限制，本次主要檢查了壓力鋼管的伸縮節(jié)、下彎管中的下四節(jié)、下平段、蝸殼、尾水管。鋼管和蝸殼內壁狀態(tài)基本良好。鋼管和蝸殼表面無裂紋、磨蝕和鼓包現象、尾水管有氣蝕現象。

本次對鋼管的下彎管、下平段及蝸殼的左右中心線下部分管壁外圍混凝土的脫空情況作了詳細的檢查，檢查結果未發(fā)現具有即時危害性的面積較大脫空現象，尾水管外圍混凝土有較大面積的脫空現象。

3.2腐蝕狀態(tài)檢測與分析

將蝸殼、鋼管內壁表面清除干凈后，發(fā)現局部有密集的銹蝕坑。外表面做過防腐處理，銹蝕情況良好。根據壓力鋼管主要構件的銹蝕程度和銹蝕部位，本次的銹蝕深度采用TT-110數字超聲波測厚儀,0～200 mm深度游標卡尺和TT-220涂層測厚儀進行測量。本次對壓力鋼管的下平段及蝸殼進行了銹蝕深度測量，共獲得510個測點數據。數據如表2。在機組檢修時由于進水口閘門漏水，鋼管內表面底部水流附近的銹蝕比較嚴重。

3.3檢測成果

鋼管下平段、蝸殼及尾水管存在不同程度的局部銹蝕，做好防腐工作。鋼管下平段、蝸殼及尾水管總體平均銹蝕量0.88 mm，最大銹蝕量2.8 mm，銹蝕深度分布在0.0～2.0 mm的頻數為92 %，屬于一般銹蝕。鋼管下平段、蝸殼及尾水管總體年平均銹蝕速率為0.035 mm/a，小于正常年平均銹蝕速率0.040 mm/a。蝸殼年平均銹蝕速率0.034 mm/a，下平段內表面年平均銹蝕速率0.035 mm/a，鋼管明管段外表面年平均銹蝕速率0.033 mm/a，尾水管內表面年平均銹蝕速率0.036 mm/a，均小于正常年平均銹蝕速率。鋼管內表面底部水流附近的銹蝕比較嚴重，應采取措施。

4金屬材料性能檢測

金屬材料性能采用復查竣工驗收資料和現場測試相結合的辦法。首先復查竣工驗收資料，確定鋼管、蝸殼及尾水管的材質范圍，然后用測定鋼材表面硬度（按GB1172換算材質的σb）和在合適部位鉆取材料屑狀試樣進行化學成分分析的方法進行復核。經復查竣工驗收資料和原設計圖紙，壓力鋼管各管段、蝸殼及尾水管材質見表3、表4所示。在圖紙上標明材料為Q345（16Mn）的部位取樣，材質試樣的化學成分分析結果見表5。在圖紙上標明材料為Q235（A3）的部位取樣，材質試樣的化學成分分析結果見表6。

表2　壓力鋼管、蝸殼及尾水管銹蝕測量數據分析一覽表

表3　鋼管各管段材質狀況一覽表

表4　蝸殼各段材質狀況一覽表

表5　Q345（16Mn）抽檢材質試樣的化學成分分析一覽表

表6　蝸殼Q235（A3）抽檢材質試樣的化學成分分析一覽表

為進一步確定材料的牌號，對鋼管下平段和蝸殼（1～19）節(jié)進行了表面硬度的測試，共獲得180個有效數據，其中下平段80個，蝸殼100個。具體實測表面硬度及所換算抗拉強度見表7，表8。

表7　16Mn鋼的抗拉強度

注：抗拉強度與布氏硬度間換算的經驗公式為：σb= 0.325GHB（16Mn）。

表8　材料硬度檢測結果表

通過對試樣的化學成分分析可知鋼管及蝸殼（1～19）節(jié)的材料為Q345（16Mn）鋼；蝸殼（20～21）節(jié)、尾水管的材料為Q235（A3）鋼。通過材料硬度測試可知，鋼管及蝸殼（1～19）節(jié)的材料符合Q345（16Mn）鋼的抗拉強度要求。

5焊縫超聲波探傷

根據GB/T11345《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及探傷結果分級》與DL/T5017《壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》標準的要求，對緊水灘水電站6號機組引水壓力鋼管焊縫、蝸殼及尾水管焊縫進行超聲波檢測。6號機蝸殼焊縫經100%超聲波檢測共發(fā)現15處存在超標缺陷，引水壓力鋼管經超聲波檢測發(fā)現7處超標缺陷，引水壓力鋼管伸縮節(jié)經超聲波檢測發(fā)現4處超標缺陷。缺陷都為夾渣或氣孔，缺陷的性質為安裝施工時遺留的缺陷，非機組運行過程形成。尾水管焊縫經超聲波檢測發(fā)現第2條環(huán)縫整條缺陷，缺陷為整條的未焊透缺陷。

本次超聲波檢測共發(fā)現27處非即時危害性超標缺陷，按照標準DL5017《壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》和DL/T 709《壓力鋼管安全檢測技術規(guī)程》的要求，連續(xù)的多個超標缺陷需作返修處理。從檢測出的缺陷性質看，這些缺陷為建設安裝時遺留的缺陷，雖屬非即時危害性缺陷，但不符合上述規(guī)范的要求。這次檢出的超標缺陷如作返修處理，應當提供十分可靠施工工藝和可行的處理方案，確保返修處理結果符合上述標準規(guī)范要求。如果沒有可靠穩(wěn)妥的施工工藝和可行的處理方案對缺陷進行處理，應對存在超標缺陷的部位進行定期跟蹤監(jiān)測，跟蹤監(jiān)測缺陷性質是否發(fā)生變化。并隨著機組服役年限的增加而縮短檢定監(jiān)測周期，以便及時發(fā)現缺陷性質的變化。

6壓力鋼管結構應力檢測

6.1測點布置

對6號機組蝸殼上游側的廠房水平明管段進行了動、靜態(tài)應力測試。在靜態(tài)應力測試中，為了得到具有代表性的數據，選擇了主要受力校核點布設應力測點進行應力測試。在廠房明管段布置了4個靜態(tài)應力測試點，均采用三向直角應變法。在動態(tài)應力測試過程中，選擇了有代表性的鋼管下部2號測點和左側面3號測點及1號和4號測點的環(huán)向片進行了測量，測點布置見圖2。

6.2結構靜態(tài)應力檢測

檢測工況為進水口水位173.61 m，尾水出水口水位103.36 m。實際作用水頭70.25 m。試驗進行時，儀器在鋼管無水時進行調零。當整個壓力鋼管充滿水并開啟6號機進水口所有閘門后，儀器讀數。因試驗工況不可重復，僅進行了一次靜應力檢測，具體數據見表9。從數據可以看出，6號機組廠房明管段實測靜態(tài)當量應力值在49～64 MPa范圍內。根據《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》，廠房內明管段許用應力為143 MPa（0.44σs）。因此，機組各測點靜態(tài)當量應力值均在許用應力值范圍內。

由于實測的水位173.61 m與設計水位190.29 m有一定差距，下面就實測點在設計水位下的靜態(tài)應力進行反演計算。

圖2　6號機組廠房明管貼片布置圖

根據上面的反演計算公式得設計水位下的靜態(tài)應力值，見表9。6號機組廠房明管段設計工況靜態(tài)當量應力值在63～83 MPa范圍內。機組各測點當量應力值均在許用應力值143 MPa（0.44σs）范圍內。

表9　廠房明管段靜態(tài)應力測試數據

6.3機組甩負荷動態(tài)應力檢測

根據現場條件，本次對6號機組的廠房明管段進行了25 %、50 %、75 %和100 %的甩負荷動態(tài)應力測試試驗。動態(tài)應力試驗是通過水輪機分別在上述負荷下工作正常后，在短時間內甩掉負荷，使水輪機的導葉關閉，鋼管的受力變化產生的。檢測工況為進水口水位173.08 m，尾水出水口水位103.65 m。實際作用水頭69.43 m。6號機組鋼管內充滿水時，儀器調零，并開始記錄，機組開機、帶負荷、甩負荷25%，甩負荷50 %，甩負荷75 %，甩負荷100 %。

6號機組25 %甩負荷情況下，廠房明管測點實測最大動態(tài)當量應力值為10.7 MPa，蝸殼進口中心壓力最大值為824.6 kPa。50 %甩負荷情況下，實測最大動態(tài)當量應力值為10.4 MPa，對應蝸殼進口中心壓力最大值為8 836.1 kPa。75 %甩負荷情況下實測最大動態(tài)當量應力值為11.0 MPa，對應蝸殼進口中心壓力最大值為837.7 kPa。100 %甩負荷情況下，實測最大動態(tài)當量應力值為11.4 MPa，對應蝸殼進口中心壓力最大值為838.5 kPa。

6.4結構應力測試結果分析

6號機組25 %甩負荷過程，4測點靜態(tài)應力值為64 MPa，動態(tài)應力值為10.7 MPa，應力變化相對值ξ1=10.7/64=0.17。機組50 %甩負荷過程，4測點靜態(tài)應力值為64 MPa，動態(tài)應力值為10.4 MPa，應力變化相對值ξ2=10.4/64=0.16。機組75%甩負荷過程，4測點靜態(tài)應力值為64MPa，動態(tài)應力值為11.0MPa，應力變化相對值ξ3=11.0/64=0.17。機組100 %甩負荷過程，4測點靜態(tài)應力值為64 MPa，動態(tài)應力值為11.4 MPa，應力變化相對值ξ4=11.4/64=0.18。

檢測工況與設計工況的水頭有一定差距，現估算6號機組廠房明管段在實測水位100 %甩負荷和設計水位100 %甩負荷工況下的工作應力，并得出相關結論。其它工況就不再作進一步的反演。動態(tài)工作應力系數k=1+ξ4=1.18。將表9中4號機數據乘動態(tài)工作應力系數列表10。看出6號機組的廠房內明管段實測工況下最大當量工作應力值76 MPa，設計工況下最大當量工作應力值98 MPa，均小于許用應力143 MPa。

表10　6號機組廠房明管段鋼管的工作應力一覽表

6.5結構應力測試結論

從現場應力測試結果及表9、表10可以看出，6號機組廠房明管段在本次測試工況下最大當量靜態(tài)應力64 MPa，反演計算得設計工況下最大當量靜態(tài)應力76 MPa，應力值均小于材料的許用應力。通過對6號機組25 %、50 %、75 %和100 %甩負荷試驗，應力變化相對值最大值出現在100 %甩負荷工況下。在100 %甩負荷工況時，本次應力變化相對值最大值為ξ4=0.18，試驗6號機組100 %甩負荷試驗

工況下的最大當量工作應力76 MPa，通過反演計算，設計工況下，6號機組最大當量工作應力為100%甩負荷工況下的98 MPa，以上應力值均小于材料的許用應力。

7安全檢測評估與結論

6號機組引水系統(tǒng)中的鋼管、蝸殼及尾水管存在不同程度的局部銹蝕，但銹蝕速率小于正常年平均銹蝕速率。鋼管及蝸殼的材質檢測結果與圖紙復查材質的結果一致。6號機蝸殼和引水壓力鋼管焊縫經超聲波檢測共發(fā)現27處超標缺陷，但從缺陷性質看均為建設安裝時遺留的缺陷，屬非即時危害性缺陷。6號機組廠房明管段測試工況下和反演計算的設計工況下最大當量靜態(tài)應力均小于材料的許用應力；甩負荷試驗，試驗工況下和設計工況下最大當量工作應力均小于材料的許用應力。

對6號機引水系統(tǒng)的壓力鋼管及蝸殼進行了外觀狀態(tài)檢測、材料復核、焊縫超聲波探傷、結構靜態(tài)應力檢測，檢測和分析結果表明：6號機引水壓力鋼管及蝸殼基本能滿足機組從原先50 MW擴容至55 MW在正常運行時的安全需要。由于建設安裝時遺留的焊縫超標缺陷，為了確保安全，需在機組檢修時進行定期跟蹤監(jiān)測。并隨著機組服役年限的增加而縮短跟蹤監(jiān)測周期，以便及時發(fā)現缺陷性質的變化。

作者簡介：李德紅（1976-），男，高級工程師，從事水電機械技術管理工作。

收稿日期：2015-05-26

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.013

中圖分類號：TV732.4

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）03-0043-05