五強(qiáng)溪電廠4號機(jī)壓力鋼管安全性檢測分析與評估

張 平

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

0 引言

五強(qiáng)溪水電廠位于湖南省沅陵縣境內(nèi)的沅水干流上，全廠裝機(jī)5×250 MW。5臺機(jī)組壓力鋼管運行均接近20年，可能存在隱患或帶病運行。為保證整個電廠的安全，防止壓力鋼管局部破裂出現(xiàn)大量漏水事故，有必要對其進(jìn)行安全檢測與評估。

電廠5臺機(jī)組設(shè)置獨立的引水壓力鋼管。4號機(jī)組壓力鋼管長83.89 m，直徑11.2 m，設(shè)上游段、下彎段、水平段、伸縮節(jié)及廠內(nèi)延伸段。自上游段至下彎段設(shè)計用18～22 mm/16Mn鋼板。水平段用36 mm/SM58Q高強(qiáng)鋼板，伸縮節(jié)及廠內(nèi)延伸段為40 mm/62U高強(qiáng)鋼板。為進(jìn)一步了解設(shè)備長時間運行后的安全情況，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的各種缺陷，對4號機(jī)壓力鋼管進(jìn)行安全檢測與評估。

1 檢測范圍及內(nèi)容

檢測范圍：4號機(jī)壓力鋼管下彎段、水平段、伸縮節(jié)及廠內(nèi)延伸段。檢測內(nèi)容:外觀檢測、銹蝕量檢測、材質(zhì)檢測、焊縫無損探傷、靜應(yīng)力檢測、動應(yīng)力檢測等。

2 外觀及腐蝕情況檢測

2.1 概述

外觀檢查是以目測為主，配合使用測量工具，對壓力鋼管的外觀形態(tài)和銹蝕狀況進(jìn)行檢查。外觀形態(tài)檢查主要檢查鋼管管壁、伸縮節(jié)及焊縫區(qū)的滲漏，鋼管管壁表面損傷及明顯變形，焊縫表面缺陷及其異常情況等。銹蝕狀況檢查是對鋼管各管段的銹蝕分布、銹蝕面積及銹蝕部位等進(jìn)行描述，評定各部位的銹蝕程度。

2.2 外觀檢查

對壓力鋼管內(nèi)部及明管段外部進(jìn)行檢查，檢查結(jié)果表明壓力鋼管外觀形態(tài)完好，無明顯移位、變形和損傷，鋼管表面涂層基本完好，埋管外包混凝土未發(fā)現(xiàn)明顯掏空現(xiàn)象。主要存在以下問題：

（1）加筋環(huán)焊縫以及加筋環(huán)與鋼管聯(lián)接焊縫、鋼管內(nèi)壁局部存在焊瘤、咬邊、孔眼、凹坑、飛濺物等外觀缺陷；伸縮節(jié)內(nèi)部蓋板密封焊縫成型質(zhì)量差，存在焊瘤、咬邊等問題。

（2）廠房明管段鋼管外壁銹蝕主要發(fā)生在加筋環(huán)支撐點及鋼管與上下游側(cè)墻聯(lián)接部位，主要以銹坑、銹跡斑形式分布，局部密集成片分布，銹坑深度為 1.0～1.5 mm。

（3）加勁環(huán)支撐點搭接焊縫存在裂紋，明管段下游側(cè)墻體開裂。

（4）鋼管內(nèi)壁一般銹蝕或較重銹蝕，管壁表面分布有銹斑、銹包或較深的點銹坑，在100 mm×100 mm范圍內(nèi)約有40個銹坑，坑深為0.4～2.9 mm。

2.3 銹蝕量檢測

根據(jù)鋼管管壁的銹蝕程度和銹蝕部位，銹蝕量檢測采用數(shù)字超聲波測厚儀、測針和涂層厚度測定儀等儀器和工具進(jìn)行。對壓力鋼管內(nèi)壁及明管段外壁進(jìn)行蝕余厚度測量，計算出銹蝕量與銹蝕速度（見表 1、表 2）。

圖1 壓力鋼管分段與編號

表1 鋼管內(nèi)壁銹蝕量檢測結(jié)果

表2 明管段外壁銹蝕量檢測結(jié)果

3 材料檢測

3.1 材料合金分析

試驗前，先對試樣表面進(jìn)行處理，清除試樣表面污垢、涂層、銹蝕等雜物，然后進(jìn)行成分分析，測試出試樣化學(xué)成分的百分含量（見表3、表4）。

表3 伸縮節(jié)合金成分測試結(jié)果

表4 水平段合金成分測試結(jié)果

3.2 材料硬度與抗拉強(qiáng)度檢測

硬度和抗拉強(qiáng)度檢測使用HLN-11A型里氏硬度計在現(xiàn)場進(jìn)行測試，儀器將硬度測試值自動轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值，硬度和抗拉強(qiáng)度值測試一次完成。測試結(jié)果見表5。

表5 硬度及抗拉測試結(jié)果

4 焊縫無損探傷

雖然壓力鋼管在制造安裝階段已對焊縫進(jìn)行過較為嚴(yán)格的探傷，但經(jīng)長期運行后，在荷載作用下焊縫有可能產(chǎn)生新的缺陷，原先經(jīng)檢查在容許范圍內(nèi)的缺陷亦有可能擴(kuò)展。焊接缺陷會降低焊縫的抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度，故需要對焊縫進(jìn)行抽檢探傷。

4號機(jī)壓力鋼管焊縫超聲探傷檢測按文獻(xiàn)【2】要求執(zhí)行，一類焊縫：超聲波探傷應(yīng)不少于20%；二類焊縫：超聲波探傷應(yīng)不少于10%；發(fā)現(xiàn)裂紋時應(yīng)根據(jù)具體情況在裂紋的延伸方向增加探傷長度，直至全長。其中鋼管縱焊縫為一類焊縫，環(huán)焊縫為二類焊縫，本次壓力鋼管共檢測一類焊縫25 m，二類焊縫256 m，檢測比例均大于規(guī)程要求。具體檢測位置及長度如下頁圖2所示。

4.1 超聲波檢測結(jié)果

對鋼管焊縫進(jìn)行超聲波探傷抽查，對接焊縫主要抽查T形焊縫，抽查焊縫總長281 m，檢測未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

4.2 磁粉檢測結(jié)果

對鋼管焊縫及伸縮節(jié)內(nèi)部密封擋水板焊縫進(jìn)行磁粉探傷抽查。對接焊縫主要抽查T形焊縫，抽查焊縫總長281m；內(nèi)部密封擋水板焊縫抽查下部，抽查長20 m。檢測發(fā)現(xiàn)4處裂紋。

（1）人孔門下游第二條環(huán)焊縫右岸側(cè)距底部約3 000 mm處，焊縫融合線上存在一條長16 mm、深5 mm的裂紋。

（2）人孔門下游第二條環(huán)焊縫右岸側(cè)距底部約3 000 mm處，焊縫融合線上存在一條長14 mm、深8 mm的裂紋。

（3）伸縮節(jié)上游第三條環(huán)焊縫右岸側(cè)，丁字焊縫上方100 mm處，焊縫融合線上存在一條長10 mm、深7 mm的裂紋。

（4）伸縮節(jié)下游第一條環(huán)焊縫右岸側(cè)距底部5 000 mm處，距焊縫熔合線10 mm處的母材上有一條長5 mm、深3 mm的裂紋。

針對上述檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷，已將裂紋打磨至消除，使用che507焊條堆焊處理并打磨平滑，經(jīng)探傷合格。

4.3 著色檢測結(jié)果

對引水管段伸縮節(jié)內(nèi)部密封擋水板整圈異種鋼焊縫進(jìn)行著色檢測，長約81 m。未發(fā)現(xiàn)表面開口缺陷。

圖2 焊縫檢測示意圖（虛線為壓力鋼管底部）

5 應(yīng)力檢測

壓力鋼管運行多年后，受磨蝕、銹蝕、變形等因素的影響，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與設(shè)計狀態(tài)相比將有所下降，運行的可靠性降低。為了解在役壓力鋼管的應(yīng)力狀況，有必要對鋼管進(jìn)行應(yīng)力檢測。

5.1 檢測方法

應(yīng)力檢測采用電測法，分為靜應(yīng)力檢測和動應(yīng)力檢測，檢測部位為廠房明管段。靜應(yīng)力檢測是檢測在靜水壓力作用下鋼管管壁的應(yīng)力；動應(yīng)力檢測是檢測機(jī)組甩負(fù)荷產(chǎn)生水錘壓力時鋼管的應(yīng)力。結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測采用電阻應(yīng)變計、動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)及筆記本微機(jī)等設(shè)備。結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測系統(tǒng)框圖

5.2 測點布置

鋼管靜、動應(yīng)力檢測的測點布置在鋼管與側(cè)墻聯(lián)接處附近（A-A斷面）、伸縮節(jié)下游側(cè)附近（B-B斷面）、伸縮節(jié)上游側(cè)附近（C-C斷面）、加強(qiáng)勁附近（D-D斷面）等四個斷面。每個斷面對稱布置4個三向測點，四個斷面共布置16個三向測點，測點的具體位置如圖4所示。

5.3 檢測工況

（1）靜應(yīng)力檢測荷載為作用于鋼管的靜水壓力。鋼管檢測時，水庫水位105 m，作用于鋼管的水頭為55 m（鋼管中心高程為50.0 m）。

（2）動應(yīng)力檢測荷載為作用于鋼管的靜水壓力和水錘壓力。鋼管檢測甩負(fù)荷工況為：

工況一：機(jī)組甩50%額定負(fù)荷（131.3 MW）。

工況二：機(jī)組甩75%額定負(fù)荷（186.5 MW）。

工況三：機(jī)組甩實際最大負(fù)荷（244.5 MW）。

5.4 檢測數(shù)據(jù)處理依據(jù)

單向測點應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系為：Eσε=三向測點應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系式為：

圖4 明管測點布置示意

式中：

σ—單向測點的應(yīng)力；

σθ、σx—分別為三向測點的環(huán)向應(yīng)力、軸向應(yīng)力（θ、x方向分別與 εA、εc方向一致）；

τθx—三向測點的剪應(yīng)力；

τmax—三向測點的最大剪應(yīng)力；

E—鋼材的彈性模量（E=2.06×105MPa）；

μ—鋼材的泊松比（μ=0.30）；

ε—單向測點的應(yīng)變；

εA、εB、εC、—分別為三向測點沿環(huán)向、與軸向成45o方向、軸向的應(yīng)變值。

三向測點的等效應(yīng)力（σeq）計算公式為：

5.5 檢測成果與分析

在實測水位下，鋼管最大環(huán)向應(yīng)力為85.9 MPa，最大等效應(yīng)力為92.3 MPa；機(jī)組甩50%額定負(fù)荷時，鋼管最大環(huán)向應(yīng)力為97.1 MPa，最大等效應(yīng)力為104.0 MPa；機(jī)組甩75%額定負(fù)荷時，鋼管最大環(huán)向應(yīng)力為107.9 MPa，最大等效應(yīng)力為116.3 MPa；機(jī)組甩實際最大負(fù)荷時，鋼管最大環(huán)向應(yīng)力為113.4 MPa，最大等效應(yīng)力為121.2 MPa。最大環(huán)向應(yīng)力點均出現(xiàn)在A-A斷面的1號測點，最大等效應(yīng)力點均出現(xiàn)在B-B斷面的2號測點。

圖5給出了動應(yīng)力實測典型過程曲線（相對于凈水壓力下測點應(yīng)力變化），圖中四個曲線分別為機(jī)組甩75%負(fù)荷時3號環(huán)向和軸向應(yīng)變，11號軸向應(yīng)變和12號與軸向成45o方向應(yīng)變曲線。

圖5 動應(yīng)力實測典型過程線

依據(jù)文獻(xiàn)【3】規(guī)定的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計原則可知：鋼管62 U材質(zhì)、SM58 Q材質(zhì)的的整體膜應(yīng)力區(qū)、局部應(yīng)力區(qū)的抗力限值如表6所示。

表6 硬度及抗拉測試結(jié)果

6 有限元復(fù)合計算與分析

為確定實測應(yīng)力值的可靠性及準(zhǔn)確度，需要對壓力鋼管進(jìn)行有限元復(fù)核計算與分析。

6.1 水錘計算

6.1.1 水錘波傳播速度的確定

水錘波的傳播速度與管壁材料、厚度、管徑以及水的彈性模量等有關(guān)。其傳播速度可表示為：

式中：Ew—水的體積彈性模量，2.1×107MPa；

K—管道的抗力系數(shù)；

g—重力加速度。

根據(jù)以上公式，可以求出管道中水錘傳播速度，水錘波速約等于1 000 m/s。6.1.2水錘形式的確定

水錘的產(chǎn)生形式有直接水錘和間接水錘，直接水錘是水電站必須避免的。間接水錘是指當(dāng)閥門關(guān)閉過程結(jié)束前，水庫異號反射回來的降壓波已到達(dá)閥門處。進(jìn)行水錘計算，關(guān)鍵是求出其最大值。

第一相水錘可以按以下公式進(jìn)行計算：

式中：γ-分項系數(shù)，取1.1；ρ、σ-管道的特性系數(shù)。

式中：Ts-導(dǎo)葉總關(guān)閉時間；L-管道總長；v-流速。

末相水錘可以按以下公式計算：

經(jīng)計算，第一相水錘為在最大水頭下丟棄全負(fù)荷的間接水錘。在實測水位（55 m）下甩最大負(fù)荷，最大水錘壓力作用水頭為18.9 m；在設(shè)計洪水位（60.1 m）下甩最大負(fù)荷，最大水錘壓力作用水頭為18.7 m。在其他參數(shù)一定情況下，作用水頭越大，管道特性系數(shù)σ越小，第一相水錘越小，所以在設(shè)計洪水位下的第一相水錘小于實測水位下的第一相水錘。

6.2 有限元模型

6.2.1 單元劃分

根據(jù)廠房明管段鋼管的結(jié)構(gòu)形式和受力特點，對伸縮節(jié)上游側(cè)、下游側(cè)鋼管分別進(jìn)行計算。壓力鋼管是典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系，因此將鋼管離散為板殼單元。鋼管伸縮節(jié)上游側(cè)鋼管計算模型的節(jié)點總數(shù)為52 560個，單元總數(shù)為17 280個；伸縮節(jié)下游側(cè)鋼管計算模型的節(jié)點總數(shù)為19 920個，單元總數(shù)為6 480個；鋼管明段有限元計算模型如圖6所示。

圖6 鋼管明管段有限元計算模型

6.2.2 約束處理

伸縮節(jié)上游側(cè)鋼管與混凝土墻體直接聯(lián)接和伸縮節(jié)為徑向簡支約束，加筋環(huán)為徑向約束，加勁環(huán)上2個支撐點為固定約束，伸縮節(jié)下游側(cè)鋼管與混凝土墻體直接聯(lián)接為固定約束，伸縮節(jié)一端為徑向約束。

6.2.3 鋼管幾何尺寸與材料特性

鋼管構(gòu)件的外形尺寸按設(shè)計圖紙并結(jié)合實測尺寸取用，鋼管構(gòu)件的厚度采用現(xiàn)場實測的蝕余厚度。壓力鋼管明管段材質(zhì)為62U和SM58Q，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比 μ=0.3，容重 γ=78 kN/m3。62 U的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為585 MPa和621 MPa，SM58 Q的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為509.9 MPa和 617.8 MPa。

6.3 應(yīng)力計算結(jié)果與分析

應(yīng)力計算工況主要考慮作用于鋼管的水壓力、鋼管自重及甩負(fù)荷的水錘壓力，作用水頭值依照水錘形式確定計算值。

6.3.1 強(qiáng)度評判標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)文獻(xiàn)【3】規(guī)定，按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計原則，鋼管各點的應(yīng)力應(yīng)滿足：

按第四強(qiáng)度理論，鋼管各點的應(yīng)力為Mises等效應(yīng)力，其計算式為：R

σ 按下式計算：

式中：seqvσ—鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的Von Mises等效應(yīng)力；Rσ—鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值；θσ—環(huán)向正應(yīng)力；xσ—軸向正應(yīng)力；xθτ—剪應(yīng)力；0γ—結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取1.1；ψ—設(shè)計狀況系數(shù)，取1.0；dγ—結(jié)構(gòu)系數(shù)，主廠房內(nèi)的明管，dγ宜增大10%～20%。整體膜應(yīng)力區(qū)取1.76，局部應(yīng)力區(qū)取1.21；f—鋼材強(qiáng)度設(shè)計值。壓力鋼管的抗力限值列于表6。

6.3.2 應(yīng)力計算成果與分析

在靜水壓力（工況一）、實測水位下機(jī)組甩額定負(fù)荷（工況二）、設(shè)計洪水位下機(jī)組甩額定負(fù)荷（工況三）時鋼管管壁的Mises等效應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 鋼管管壁的Mises等效應(yīng)力云圖（單位：Pa）

三種工況下鋼管管壁最大Mises等效應(yīng)力計算結(jié)果列于表7。

表7 廠房明管段管壁最大Mises等效應(yīng)力

由有限元計算結(jié)果可知，在靜水壓力、實測水位下機(jī)組甩額定負(fù)荷、設(shè)計洪水位下機(jī)組甩額定負(fù)荷時鋼管的最大Mises等效應(yīng)力均小于抗力限值。

6.4 有限元計算成果與實測成果比較分析

鋼管應(yīng)力檢測是根據(jù)鋼管的結(jié)構(gòu)特點及工況，在鋼管的特征斷面布置測點，因而，應(yīng)力檢測只能測表面一點處的應(yīng)力狀況，而鋼管整體的應(yīng)力狀況只能通過有限元分析計算才能得到。為了解鋼管應(yīng)力檢測和有限元分析計算成果的準(zhǔn)確性，有必要對檢測與計算成果進(jìn)行比較。

在工況一的實測水位下，和廠房明管段鋼管各測點的等效應(yīng)力檢測成果與有限元計算結(jié)果列于表8。

表8 鋼管明管段各測點的計算應(yīng)力和實測應(yīng)力

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知：在鋼管的16個測點中，實測應(yīng)力與計算應(yīng)力相對差值超過10%以上的測點僅有3個；相對最大差值為19.4%，出現(xiàn)在6號測點。相對最小差值為1.6%，出現(xiàn)在2號測點。廠房明管段鋼管的實測應(yīng)力與計算應(yīng)力差異均較小，檢測成果與有限元計算成果互為驗證，表明檢測成果和計算成果是可信的。

7 檢測結(jié)果綜合分析

用定量光譜儀及硬度計對明管段的化學(xué)成分及硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果表明明管段材料成分和性能與設(shè)計相符。

明管段鋼管靜應(yīng)力檢測（水頭55 m）結(jié)果表明，最大等效應(yīng)力值為材料抗力限值的35.2%；動應(yīng)力檢測（水頭55 m，分三個工況：機(jī)組甩50%，75%和100%額定負(fù)荷）結(jié)果表明，最大等效應(yīng)力值為材料抗力限值的46.3%。同一測點在甩滿負(fù)荷時的等效應(yīng)力均高于靜應(yīng)力檢測中的等效應(yīng)力，應(yīng)力水平最高差44%，差值為28.9 MPa。

對明管段的實測應(yīng)力與有限元計算應(yīng)力進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者相對差值最大為19.5%，最小為1.6%，相對差值高于10%的測點僅4個，低于5%的測點有7個，結(jié)果表明有限元計算結(jié)果與實測應(yīng)力結(jié)果有一定的吻合性。

8 結(jié)論

綜上分析認(rèn)為，五強(qiáng)溪水電站4號機(jī)組引水系統(tǒng)壓力鋼管安全等級評定合格。

鋼管應(yīng)力檢測和有限元仿真計算結(jié)果表明，明管段在洪水位下甩負(fù)荷時，在明管段的混凝土墻體、伸縮節(jié)及加勁環(huán)等附近部位應(yīng)力水平較高，達(dá)到材料抗力限值74.4%?？紤]到鋼管結(jié)構(gòu)局部的不連續(xù)性及腐蝕、焊接等缺陷，局部區(qū)域會產(chǎn)生應(yīng)力集中，有可能達(dá)到甚至超過材料的屈服極限，在機(jī)組負(fù)荷變化引起的水錘壓力交變作用下，鋼管長時運行，局部區(qū)域有可能產(chǎn)生疲勞裂紋并致破壞，應(yīng)加強(qiáng)該區(qū)域部位的定期檢測與巡查。同時處理好鋼管內(nèi)壁裂紋、伸縮節(jié)下游墻體開裂、加筋環(huán)支撐點裂紋及局部腐蝕等問題。

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