蝸殼至尾水平壓管破裂分析及處理

賈先鋒，秦鴻哲

（河南國網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司運(yùn)維檢修部，河南省新鄉(xiāng)市 453636）

蝸殼至尾水平壓管破裂分析及處理

賈先鋒，秦鴻哲

（河南國網(wǎng)寶泉抽水蓄能有限公司運(yùn)維檢修部，河南省新鄉(xiāng)市 453636）

通過寶泉抽水蓄能電站發(fā)生的一起蝸殼至尾水平壓管故障，分析了蝸殼至尾水平壓管破裂的原因，并給出了蝸殼至尾水平壓管破裂的處理方法。

蝸殼至尾水平壓管；應(yīng)力集中；焊接質(zhì)量；破裂

1 概述

寶泉抽水蓄能電站總裝機(jī)容量為4×300MW，設(shè)置4臺水泵水輪—發(fā)電電動機(jī)組，承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用等任務(wù)。寶泉電站水泵水輪機(jī)組由法國ALSTOM公司提供，立軸、單級、混流可逆式，額定水頭510m，額定揚(yáng)程528.6m，額定轉(zhuǎn)速500r/min。

抽水蓄能機(jī)組水泵工況是在轉(zhuǎn)輪室壓氣條件下啟動至額定轉(zhuǎn)速，并完成同期并網(wǎng)操作后，轉(zhuǎn)輪室要排氣和充水，使轉(zhuǎn)輪攪水建立一定的壓力，以便在開啟導(dǎo)葉和球閥進(jìn)行揚(yáng)水時(shí)，過渡的比較平穩(wěn)，這就是注水造壓過程[1]。這過程的排氣一般是使壓縮空氣從排氣閥排走，由于可逆式水泵水輪機(jī)揚(yáng)程很大，一旦打開排氣閥，尾水管水位隨空氣排走而上升，當(dāng)尾水一接觸轉(zhuǎn)輪下緣，水即被轉(zhuǎn)輪刮起甩到邊沿上使水環(huán)增厚，故轉(zhuǎn)輪的充水是從四周向中心發(fā)展的，當(dāng)空氣基本排盡時(shí)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的水流突然連成一體，瞬間產(chǎn)生了關(guān)閉揚(yáng)程，由于導(dǎo)葉是關(guān)閉的，在尾水管中形成了強(qiáng)烈的回流，因此，輪葉要承受較大的應(yīng)力沖擊，且也不利于工況的平穩(wěn)過渡[1]。故一般先打開進(jìn)水球閥工作密封，使上游的水通過導(dǎo)葉漏水進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室，這樣，一方面可縮短尾水管排氣充水時(shí)間，同時(shí)在轉(zhuǎn)輪接觸尾水管水面時(shí)，從上游來水可以減少轉(zhuǎn)輪室壓力上升速度，使造壓過程比較緩和。且高水頭的可逆機(jī)組轉(zhuǎn)輪室的空氣不易排凈，因此注水早壓過程容易產(chǎn)生振動。故注水造壓程序一般先打開進(jìn)水閥工作密封，再打開蝸殼排氣閥，使蝸殼充水，并開啟轉(zhuǎn)輪室排氣閥。蝸殼排氣閥直到轉(zhuǎn)輪室建立壓力后才關(guān)閉，使蝸殼中的殘留空氣排掉，否則水中混氣會引起機(jī)組振動。

寶泉抽水蓄能電站蝸殼至尾水平壓管作用即為蝸殼排氣功能（如圖1中箭頭所示）。注水造壓時(shí)，先打開球閥工作密封，后打開蝸殼至尾水平壓閥（如圖1中標(biāo)注位置）。將蝸殼與尾水管直錐段連通，將蝸殼頂部的氣及少量水排至轉(zhuǎn)輪下部壓縮空氣中，經(jīng)過延時(shí)關(guān)閉。

圖1 蝸殼至尾水平壓管示意圖Fig.1 Spiral case recycling pipe

2 問題提出

2015年8月5日，1號機(jī)組由抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況過程中，07：40監(jiān)控報(bào)警：蝸殼層1號機(jī)組水淹廠房浮子高水位報(bào)警。監(jiān)盤人員通過工業(yè)電視檢查，發(fā)現(xiàn)蝸殼層1號機(jī)組球閥下游側(cè)某一位置向外噴水，隨即與調(diào)度溝通申請停機(jī)，立即進(jìn)行事故處理。

經(jīng)現(xiàn)地初步檢查故障情況為：1號機(jī)組蝸殼至尾水平壓管預(yù)埋露出段管徑膨大變形破裂漏水，該管路原直徑為220mm，膨脹后直徑約為270mm，設(shè)計(jì)壁厚為3.76mm，膨脹后壁厚約為3mm，撕裂管路最大尺寸230mm（見圖2～圖6）。

圖2 1號機(jī)組蝸殼至尾水平壓管破裂位置Fig. 2 No.1 spiral case recycling pipe break location

圖3 1號機(jī)組蝸殼至尾水平壓管破裂位置Fig. 3 No.1 spiral case recycling pipe break location

圖4 1號機(jī)組蝸殼至尾水平壓管膨脹后周長Fig. 4 No.1 spiral case recycling pipe expanded perimeter

圖5 1號機(jī)組蝸殼至尾水平壓管破裂后直徑尺寸Fig. 5 No.1 spiral case recycling pipe break after the diameter

圖6 1號機(jī)組蝸殼至尾水平壓管膨脹后壁厚Fig. 6 No.1 spiral case recycling pipe wall thickness after expansion

同時(shí)對2～4號機(jī)組相同部位檢查，發(fā)現(xiàn)4號機(jī)組該段管路也存在鼓脹變形（見圖7），2、3號機(jī)未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

圖7 4號機(jī)組蝸殼至尾水平壓管鼓脹圖Fig. 7 No.4 spiral case recycling pipe bulging

3 原因分析

2015年8月6日，寶泉抽水蓄能電站組織人員對此次故障開展調(diào)查分析。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，初步分析認(rèn)為：

（1）蝸殼至尾水平壓管的預(yù)埋管路，設(shè)計(jì)管徑DN200，設(shè)計(jì)壁厚3.76mm、強(qiáng)度PN50。預(yù)埋管路外露部分（長400mm）不能滿足運(yùn)行工況下長期的壓力沖擊。

（2）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)圖紙不一致（圖紙為1Cr18Ni9Ti），且預(yù)埋管厚度與法蘭焊接處厚度（11mm）差值大，在焊接過中采用套焊方式，使得焊接部位應(yīng)力集中，在特殊情況下受壓力沖擊導(dǎo)致管路從焊縫附近區(qū)域撕裂漏水。

廠家結(jié)合初步分析情況，對引起該段鋼管（DN200）破裂可能因素進(jìn)行了分析計(jì)算如下。

3.1 管道內(nèi)部壓力因素

DN200（219mm×3.76mm）不銹鋼管路內(nèi)部壓力：

（1）水泵運(yùn)行甩負(fù)荷工況約為2MPa，該值依據(jù)寶泉抽水蓄能電站調(diào)保計(jì)算報(bào)告，見圖8。

圖8 水泵低水頭運(yùn)行甩負(fù)荷時(shí)蝸殼（紅色）和尾水管（藍(lán)色）壓力變化進(jìn)線Fig. 8 Rejection load of the pumps under minimal head-spiral case and draft tube evolution curves

（2）其他正常運(yùn)行工況壓力由尾水位產(chǎn)生的水壓力最大為1.15MPa。故鋼管內(nèi)壁水壓最大為2MPa，內(nèi)壁直徑為211.5mm，壁厚為3.76mm。鋼管內(nèi)壁水壓力產(chǎn)生的應(yīng)力計(jì)算，見式（1）：

式中：σ——管道應(yīng)力，MPa；

P——管道內(nèi)壓，MPa；

d——管道內(nèi)徑，mm；

δ——管道壁厚，mm。

由于最大的水壓力（2MPa）在管路產(chǎn)生的應(yīng)力為56.25MPa，小于材料的1/3屈服應(yīng)力（205MPa×1/3=68.3MPa），因此是可以接受的，結(jié)論為鋼管內(nèi)的壓力不是產(chǎn)生破裂的原因。

3.2 壓力脈動引起的管道震動及變形因素

當(dāng)球閥工作密封開啟充水至平壓管閥門開啟瞬間，壓力管道會產(chǎn)生垂直方向比較大的17.5t垂直方向水推力和脈動，造成水平管段的震動。

考慮閥門開啟時(shí)最大水頭（Hmax=565m）作用在水平鋼管（內(nèi)徑d=199mm）的力，見式（2）：

式中：F1——水推力，N；

P1——水頭，m；

S1——管道截面積，mm2；

Hmax——最大水頭，m；

d——管道內(nèi)徑，mm。

該垂直方向力產(chǎn)生的彎矩對碳鋼法蘭與不銹鋼鋼管焊接截面處產(chǎn)生的彎矩及彎曲應(yīng)力（假設(shè)法蘭間的螺栓連接為剛性連接）。

蝸殼至尾水平壓管受力如圖9所示，焊縫斷面的彎矩見式（3）：

式中：M焊——焊縫斷面的彎矩，N·m；

F1——水推力，N；

L1——水推力力臂，m；

FS——支撐力，N；

L2——管道支撐力力臂。

圖9 蝸殼至尾水平壓管受力Fig. 9 Spiral case recycling pipe stress level

按照如下假設(shè)，取鋼管斷面的外徑、內(nèi)徑分別為219mm、211.5mm，該彎矩產(chǎn)生的彎矩應(yīng)力見式（4）：

式中：σb——應(yīng)力，MPa；

M焊——焊縫斷面的彎矩，N·m；

D——鋼管斷面的外徑，mm；

d——鋼管斷面的內(nèi)徑，mm。

從目前膨脹后的1號機(jī)組219mm×3.76mm外露管段的外徑測量得：膨脹后管的外徑周長約840mm，理論周長668mm。

根據(jù)應(yīng)力與變形關(guān)系，可以推導(dǎo)膨脹后鋼管的綜合應(yīng)力，其中1Cr18Ni9Ti鋼材的彈性模量為206GPa，鋼管外徑周長變化量為（840-688）mm，即152mm，鋼管外徑周長為688mm，見式（5）：

式中：σ——管道應(yīng)力，MPa；

E——管道彈性模量，GPa；

ΔL——管道外徑變化量，mm；

L——管道外徑周長，mm。

從上述分析可見，鋼管的膨脹變形與其內(nèi)部的應(yīng)力水平存在很大關(guān)系，尤其是沖擊載荷產(chǎn)生的震動及變形部分傳遞到薄弱斷面處是疲勞破壞的重要原因。

2、3號機(jī)組該段DN200管路外徑的圓周長度小于700mm，與理論值688mm很接近，證明了2、3號機(jī)組不存在管路膨脹即鋼管的高應(yīng)力問題。

考慮4臺機(jī)組的運(yùn)行工況（運(yùn)行時(shí)間、出力、管路的壓力、荷載等）相近而不同，可能主要存在于管路的支撐固定，因此考慮水平管路的支撐、固定及焊接質(zhì)量是影響鋼管應(yīng)力水平及產(chǎn)生破壞的主要因素。

3.3 管路與法蘭間焊接質(zhì)量因素

帶徑焊接法蘭末端與不銹鋼焊縫：DN200帶徑焊接法蘭末端厚度9mm，而鋼管壁厚3.76mm容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；該區(qū)域的焊縫為非熔透焊縫，可能存在質(zhì)量缺陷；水平管段的DN200、PN100帶徑焊接法蘭為碳鋼而管路為不銹鋼，異種鋼焊接質(zhì)量缺陷的產(chǎn)生可能性加大。

從圖10可見，DN200法蘭與不銹鋼鋼管間的焊縫附件區(qū)域已經(jīng)腐蝕并由此產(chǎn)生了撕裂，因此焊縫的質(zhì)量缺陷（應(yīng)力集中及焊接質(zhì)量）及碳鋼法蘭材質(zhì)的銹蝕是鋼管破裂的主要原因。

圖10 1號機(jī)組蝸殼至尾水平壓管破裂焊縫Fig. 10 No.1 spiral case recycling pipe weld crack

3.4 裝配產(chǎn)生的變形應(yīng)力因素

鋼管的焊接、裝配可能存在由于焊接變形及法蘭螺栓把合過程中產(chǎn)生的附加彎矩，附加彎矩會在管路中產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力?？紤]到法蘭間以前沒有出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，暫時(shí)排除此因素。

4 臨時(shí)處理措施

4.1 1、4號機(jī)組蝸殼至尾平壓預(yù)埋露出段更換不銹鋼管及碳鋼法蘭

圖11 1、4號機(jī)組蝸殼至尾平壓預(yù)埋露出段更換不銹鋼管及碳鋼法蘭示意圖Fig. 11 Replace stainless steel pipe and carbon steel flanges of u1&u4

由于時(shí)間限制及現(xiàn)場條件，1、4號機(jī)組采取臨時(shí)措施，如圖11所示：將預(yù)埋管的混凝土向墻內(nèi)打掉20cm左右露出鋼筋（目的是為了將膨脹部分切除，并方便焊接及后期混凝土澆筑），對預(yù)埋管路外端采用不銹鋼法蘭進(jìn)行焊接轉(zhuǎn)換，法蘭套在預(yù)埋管路（3.76mm），并在內(nèi)部進(jìn)行焊接（見圖12），法蘭與配管進(jìn)行外部焊接（見圖13）。配管采用厚度為6mm的同材質(zhì)鋼管，焊接工藝采用氬弧焊打底，多層蓋面，保證全焊透。配管外焊接加筋板連接至混凝土鋼筋。焊接完成后進(jìn)行PT探傷，并進(jìn)行充水滲漏試驗(yàn)后澆筑混凝土，見圖14：

（1）219mm×6mm不銹鋼管替換原219mm×3.76mm不銹鋼管；

（2）更換DN200碳鋼帶徑法蘭為不銹鋼法蘭；

（3）在混凝土側(cè)增加不銹鋼法蘭，并將其與原混凝土錨筋焊接。

4.2 管路的保護(hù)及補(bǔ)強(qiáng)

為了保護(hù)管路的安全運(yùn)行，在現(xiàn)有的管路外側(cè)焊接兩瓣由10mm不銹鋼壓制的保護(hù)套管。保護(hù)套管為著色探傷焊縫，將保護(hù)現(xiàn)有的不銹鋼管，見圖15、圖16。

圖12 轉(zhuǎn)接法蘭套在埋管端部在內(nèi)側(cè)進(jìn)行焊接Fig. 12 Set in the pipe adapter flange at the end of the beta welding

圖13 配管插入法蘭在外側(cè)進(jìn)行焊接Fig.13 Insert in the lateral flange welded

圖14 1、4號機(jī)組蝸殼至尾平壓預(yù)埋露出段更換不銹鋼管及碳鋼法蘭效果圖Fig. 14 Replace stainless steel pipe and carbon steel flanges of u1& u4

圖15 管路的保護(hù)及補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)圖Fig. 15 Pipeline protection and reinforcement design

圖16 管路的保護(hù)及補(bǔ)強(qiáng)效果圖Fig. 16 Pipeline protection and reinforcing effect diagram

5 最終處理措施

為了保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，考慮從以下六方面進(jìn)行處理（見圖17）：

（1）增加管路水平與垂直方向的支架及固定，減少管路因沖擊產(chǎn)生的振動；

（2）替換全部管路部件碳鋼材料為不銹鋼材料，提高管路部件材質(zhì)耐氣蝕能力并提高焊接質(zhì)量；

圖17 最終處理示意圖Fig. 17 The final processing sketch map

（3）采用厚壁不銹鋼管件加強(qiáng)剛度，同時(shí)降低管路的應(yīng)力水平；

（4）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；

（5）在原碳鋼破壞位置附件增加一個測壓接頭，以便于需要時(shí)現(xiàn)場對管路中的實(shí)際壓力監(jiān)測；

（6）研究優(yōu)化開關(guān)機(jī)流程，減少蝸殼至尾水平壓閥帶壓操作可能性。

6 結(jié)束語

近年來，隨著國家對抽水蓄能電站的大力支持以及抽水蓄能自身的發(fā)展，其在電網(wǎng)中的重要性及優(yōu)越性逐步得以彰顯，而水泵水輪機(jī)的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行是抽水蓄能電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。通過本次蝸殼至尾水平壓管破裂漏水的分析與處理，旨在提供現(xiàn)場運(yùn)維管理人員對于類似問題的一種解決方法，也為后期電站建設(shè)中的設(shè)計(jì)人員及安裝人員提供一定的參考與借鑒。

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Analysis and Treatment of Spiral Case Recycling Pipe Breakage

JIA Xianfeng，QIN Hongzhe
（Baoquan Power Generation Co.，Ltd.，Henan Xinxiang 453636，China）

Based on one fault of the spiral case recycling pipe in Baoquan Power Plant，the fault reasons of the spiral case recycling pipe was analyzed，corresponding processing methods was proposed.

spiral case recycling pipe；stress concentration；welding quality；breakage

TV731

A

570.2510

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.021

2016-10-10

2017-03-23

賈先鋒（1982—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站設(shè)備運(yùn)維及技術(shù)管理。E-mail：bqjiaxf@126.com

秦鴻哲（1989—），男，助理工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站設(shè)備運(yùn)維及技術(shù)管理。E-mail：qinhongzhe@126.com