抽水蓄能電站壓水氣罐質量缺陷處理淺析

胡 敏，梁起龍，趙聚平，王 君，祝加勇

（國網新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 長沙410213）

1 基本情況

黑麋峰抽水蓄能電站安裝4 臺單機容量為300 MW的可逆式機組，4臺機組分別于2009年8月、2010年1月、9月和10月完成了30 d試運行。抽水蓄能電站為了降低抽水啟動和調相時的能量消耗，減小啟動力矩，宜利用壓縮空氣將水泵水輪機轉輪室中的水壓離轉輪，使轉輪在空氣中運轉，壓水氣罐作為排水動力裝置，對機組正常運行極為關鍵。4臺機組調相壓水氣罐在出廠前已通過了制造廠當地技術監(jiān)督的檢驗認證，在投產前已經由安裝單位報送電站所在地質量技術監(jiān)督部門監(jiān)督檢查備案。機組投入運行后，在每年機組檢修時對壓水氣罐進行規(guī)定項目檢查以及壓水氣罐A類、B類焊縫的無損探傷檢查，未發(fā)現(xiàn)壓水氣罐焊縫存在缺陷，設備總體運行良好。2013年9月對壓水氣罐人孔門角焊縫（D類焊縫）檢查時發(fā)現(xiàn)了嚴重焊縫缺陷。

2 事件經過

2013年9月24日，湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司對黑麋峰電站儲氣罐進行年度全面檢查，磁粉探傷發(fā)現(xiàn)2號機組1號壓水氣罐（12 m3、8 MPa）人孔門內部角焊縫有4處裂紋，最長為405 mm； 2號壓水氣罐人孔門內部角焊縫有7處裂紋，最長斷續(xù)長度為420 mm。

2013年9月25日，對調速器補氣罐、球閥補氣罐及檢修密封儲氣罐開罐磁粉探傷檢查發(fā)現(xiàn)：調速器補氣罐人孔門與罐體內部焊縫處有2道裂紋，最長為1000 mm；球閥補氣罐人孔門與罐體內部焊縫處有1道裂紋，長度約20 mm；檢修密封儲氣罐人孔門與罐體焊縫合格。

2013年10月6日，湘電鍋爐壓力容器檢驗中心對1號、3號、4號機組1號、2號調相壓水氣罐、壓水平衡氣罐、補氣平衡氣罐等8個不具備消壓的氣罐人孔門與罐體焊縫進行超聲波外部檢測，均發(fā)現(xiàn)存在未焊透現(xiàn)象。

黑麋峰公司組織湘電鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司對同一廠家同一批次生產的13臺儲氣罐進行了全面檢測，除檢修密封儲氣罐（1 m3）未發(fā)現(xiàn)異常外，其他12臺儲氣罐均檢測出焊縫裂紋和未焊透現(xiàn)象。

2013年10月10日～11日，對上述發(fā)現(xiàn)缺陷的8個壓水氣罐消壓后開罐磁粉探傷檢查，發(fā)現(xiàn)人孔門與罐體焊縫內外側圓周不同程度都存在焊縫裂紋缺陷，中心存在空腔現(xiàn)象；其他部位如安全閥、進出口接管焊縫也存在中心空腔、內外側焊縫缺陷問題，所有儲氣罐必須進行焊縫缺陷修復，并經壓力試驗合格后才能投入運行。

壓力容器缺陷附圖如下：

（1） 2號壓水氣罐裂紋情況（1號、3號、4號機組壓水氣罐焊縫缺陷特征類似）：

圖1 2號機組2號壓水氣罐裂紋分布

圖2 2號機組1號壓水氣罐裂紋分布

圖3 2號機組1號壓水氣罐1號裂紋

圖4 2號機組1號壓水氣罐1號裂紋

（2）補氣平衡氣罐缺陷位置示意圖及缺陷情況見圖 5、圖 6、圖 7。

圖5 人孔內表面缺陷示意圖

（3）壓水平衡氣罐缺陷位置示意圖及缺陷情況見圖 8、圖 9。

（4）安全閥及壓力表管座角焊縫缺陷見圖10、圖11。

3 原因分析

圖6 缺陷2

圖7 缺陷1

圖8 人孔缺陷示意圖（圖為從外向內方向看）

圖9 缺陷1，裂縫長80㎜左右，位于內部角焊縫

圖10 安全閥管座（球閥補氣儲）角焊縫長約50 mm裂紋

圖11 壓力表（壓水平衡罐）角焊縫 長約30 mm未熔合

黑麋峰公司組織各參建單位召開專題會議對壓力容器人孔門與罐體焊縫裂紋缺陷分析，認為主要有以下原因：

（1）現(xiàn)場磁粉探傷檢查發(fā)現(xiàn)，筒體與人孔門的D類焊接接頭發(fā)生沿人孔門周向裂紋，并發(fā)現(xiàn)焊縫中間存在未焊透（空腔）現(xiàn)象。經分析，未焊透現(xiàn)象形成機制：

1）焊縫焊腳高度不夠，即焊縫的有效截面小、焊縫強度低于抗拉強度的一定值時，在長期應力作用下產生了微小裂紋，致使裂紋逐步環(huán)形延伸；

2）廠家設計要求全焊透，但未提出驗收標準和要求。廠內焊工施焊時未按設計要求施焊，導致焊縫內部存在空腔現(xiàn)象并擴大內部空腔，導致焊腳不夠的直接原因；

3）焊縫出廠驗收檢驗人員只對焊縫A類、B類焊縫進行了檢查，對D類焊縫未進行檢查驗收；

4）廠內對D類焊縫檢驗重視不夠，按照行業(yè)規(guī)則放松了D類焊縫質量控制和驗收程序的相關要求。

（2）焊縫外觀檢查。角焊縫與母材未圓滑過渡，焊接質量差，造成應力集中，當壓水氣罐運行過程中，壓力急劇波動，使應力集中處出現(xiàn)裂紋。

（3）焊接部位缺陷較多，金屬熔合線韌性較母材差，機組抽水工況運行時，壓力升、降2.5 MPa左右，壓力波動引起的沖擊載荷，造成疲勞應力，從而使裂紋沿著焊接區(qū)擴展。

（4）壓水氣罐選材設計下限溫度不滿足壓水氣罐連續(xù)2次壓水的工況要求。

壓水氣罐焊縫專題分析會上，黑麋峰公司對同一批次的13只儲氣罐缺陷進行分析、比對，發(fā)現(xiàn)有12只高壓氣罐均存在焊縫未焊透現(xiàn)象，為此，引起對壓水氣罐材質的質疑和進一步的分析。經過技術計算咨詢和當地技術監(jiān)督部門確認，一致認為：黑麋峰電站壓水氣罐材質不符合抽水蓄能電站壓水氣罐連續(xù)壓水2次的工況要求，具體如下：壓水氣罐氣體初始狀態(tài)按照2只氣罐24 m3，壓力為8 MPa，溫度為27℃計算，機組壓水氣罐一次壓水后，氣罐內的氣體溫度降低值達到約-1.38℃，溫度下降值變化為28.38℃，2次壓水后，氣罐內的氣體溫度降低值達到-18.79℃，溫度下降值變化為45.79℃。計算過程中，氣罐壓氣過程中壓力和溫度均按照絕熱工況進行計算，未考慮壓氣過程中與外界的熱交換問題。根據中南設計院提供的黑麋峰抽水蓄能電站壩址區(qū)某氣象值的說明：從1961年到1990年期間，30年按月的日最低氣溫平均值最低的月份為1月份，最低溫度為-0.5℃；查詢中南設計院提供廠內通風空調參數設計計算值說明：壓水氣罐使用環(huán)境溫度設計考慮為6～8℃。如考慮熱交換和壓水氣罐使用環(huán)境溫度因素，壓水氣罐一次壓水實際溫度可能達到并超出零下-20℃，壓水2次實際溫度可能接近并超過零下-40℃。如是，壓水氣罐運行時實際最低下限溫度值將超出壓水氣罐材質設計選用的最低溫度值-20℃。當溫度低于某一界限時，鋼的沖擊吸收功大幅度地下降，從韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，當出現(xiàn)小的裂紋和殘余應力存在時，在薄弱處容易出現(xiàn)低溫脆斷。

4 采取的措施及處理結果

4.1 采取的措施

（1）協(xié)商檢測單位加大壓水氣罐焊縫缺陷特征部位和缺陷范圍的檢查和記錄，掌握、分析壓水氣罐人孔門角焊縫缺陷范圍及其特征數據；根據焊縫缺陷類型特征，初步質疑、分析壓水氣罐材料有關技術參數。

（2）進行技術咨詢，通過計算初步分析，壓水氣罐選材下限溫度值不滿足壓水氣罐連續(xù)壓水2次的工況可能到達的溫度下限值。同時參考目前新源同類型電站對壓水氣罐選材的技術要求。

（3）聯(lián)系當地質量技術監(jiān)督部門，組織技術協(xié)商專題會議，共同協(xié)商確認，提出處理意見：對焊接質量最為嚴重、運行工況惡劣、材質不能滿足要求的8個壓水氣罐和1個壓水平衡氣罐進行更換；對運行工況較平穩(wěn)的調速器補氣罐、球閥補氣罐和補氣平衡罐進行返廠返修。

4.2 處理結果

2013年11月26日，調速器補氣罐、球閥補氣罐和補氣平衡管完成修復處理，恢復備用。

2014年1月28日，完成1號、4號機組壓水氣罐更換安裝，恢復備用；2月25日完成2號、3號機組壓水氣罐更換安裝，恢復備用。

5 教訓及經驗總結

（1）應充分發(fā)揮電站業(yè)主在工程建設過程中的主導作用，重視設備選型、布置、材質及技術參數的要求，把握過程中質量控制因素。黑麋峰電站壓水氣罐焊縫質量問題逐漸探明后，各方對壓水氣罐材質及焊縫質量分析存在較大的分歧意見。公司依據技術專業(yè)咨詢和技術監(jiān)督部門的咨詢，對壓水氣罐進行了分析判斷，提出了正確的原因分析和處理意見。

（2）重視設計圖紙審查工作，依據相應的規(guī)范、標準，提出驗收要求，嚴格把控質量控制過程中的關鍵點，以確保設備制造質量，同時可保證設計、制造進度。

（3）派出技術監(jiān)督對設備制造過程中進行過程監(jiān)造。黑麋峰電站新的壓水氣罐在其制造過程中，黑麋峰公司派出專業(yè)人員和外聘特種設備檢測人員駐廠監(jiān)造和檢查驗收，確保壓水氣罐焊縫質量。經驗表明：外聘探傷檢驗人員到廠檢查對廠家焊接質量的控制有很好的督促監(jiān)督作用。