響水澗抽水蓄能電站頂蓋排氣管裂紋產(chǎn)生原因分析及改進(jìn)措施

楊圣銳，唐文利，穆 良，唐 亮，胡哲峰

（1.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧縣 068350；2.安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽省峨橋鎮(zhèn) 241082）

0 引言

安徽響水澗抽水蓄能電站位于安徽省蕪湖市三山區(qū)峨橋鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站。電站裝機(jī)容量1000MW，裝設(shè)4臺立軸單級混流可逆式水泵水輪機(jī)/發(fā)電電動機(jī)組。

電站頂蓋排氣管路于±X方向各設(shè)置兩根DN200的排氣管路，采用奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti金屬材料，使用頂蓋內(nèi)焊接和法蘭連接相結(jié)合的方式，312型不銹鋼焊條焊接。兩個方向的排氣管路經(jīng)一DN300三通匯集，分別通過出口隔離閥、頂蓋排氣液動閥、頂蓋排氣電動閥三個閥門排至集水井。

1 頂蓋排氣管路作用及結(jié)構(gòu)布置

1.1 頂蓋排氣管路作用

頂蓋排氣管路為抽水蓄能特有管路，設(shè)置于頂蓋上，在水泵SFC或BTB啟動充氣壓水成功后，排出空氣，以完成轉(zhuǎn)輪室的造壓。

1.2 頂蓋排氣管路結(jié)構(gòu)布置

響水澗電站4臺機(jī)組均于+X偏-Y方向27°及-X偏+Y方向27°，頂蓋排氣管路結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

2 頂蓋排氣管路裂紋情況及原因分析

2.1 頂蓋排氣管路裂紋情況

響水澗電站自2012年機(jī)組全部投產(chǎn)以來，頂蓋部位的連接管路在機(jī)組運行過程中多次發(fā)生開裂。2012年，首次發(fā)現(xiàn)1號機(jī)組-X方向頂蓋排氣管路出現(xiàn)射水情況。2014年，再次發(fā)現(xiàn)1號機(jī)組-X方向頂蓋排氣管路出現(xiàn)射水情況。2015年，1號機(jī)組分別出現(xiàn)兩次頂蓋排氣管路不同位置的射水情況，如圖2～圖4所示。期間所發(fā)現(xiàn)的裂紋主要表現(xiàn)為：大小不一的砂眼向外射水，每次均采用打磨補焊的臨時措施后，未對機(jī)組安全運行造成影響。為確保機(jī)組安全穩(wěn)定運行，對1號機(jī)組頂蓋排氣管路裂紋進(jìn)行分析。返修后的形貌如圖5、圖6所示。

2.2 管路缺陷分析

下面從管路規(guī)格選取、結(jié)構(gòu)布局、振動情況進(jìn)行分析，全面排查多次出現(xiàn)焊縫裂紋的原因。

2.2.1 管路規(guī)格選取分析

頂蓋排氣管和彎頭選取均為φ219×8，材料均為奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti，根據(jù)GB 150—2011標(biāo)準(zhǔn)，計算設(shè)計壓力：

圖1 頂蓋排氣管路結(jié)構(gòu)圖Figure 1 The structure diagram of the exhaust pipe of the top cover

圖2 2號焊縫開裂處Figure 2 Crack section of No．2 weld

圖3 3號焊縫開裂處Figure 3 Crack section of No．3 weld

圖4 開裂焊縫位置三維效果圖Figure 4 3D effect map of cracking weld position

圖5 2號焊縫處理后效果Figure 5 Post treatment effect of No．2 weld

圖6 3號焊縫處理后效果Figure 6 Post treatment effect of No．3 weld

式中 [σ]——不銹鋼無縫管的許用應(yīng)力；

sch——壁厚壓力等級；

P——管路的設(shè)計壓力。

其中，不銹鋼無縫管的許用應(yīng)力[σ]=114MPa，對應(yīng)壁厚壓力等級為sch40，根據(jù)下列公式換算得到管路的設(shè)計壓力P為4.56MPa

根據(jù) GB 150—2011《壓力容器》，通過下列公式，計算管路壁厚：

式中 η——焊縫系數(shù)；

[σ]——不銹鋼無縫管的許用應(yīng)力；

a——腐蝕余量；

P——管路設(shè)計壓力；

D——管路外徑；

C——壁厚偏差附加值。

其中，不銹鋼無縫管的許用應(yīng)力[σ]=114MPa，焊縫系數(shù)取η=0.8，壁厚偏差附加值C按管路壁厚的10%，腐蝕余量a=1mm，計算結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1及以上的計算結(jié)果和設(shè)計值對比，可看出管路所能承受壓力、壁厚選取、法蘭及閥門壓力設(shè)計均符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 管路結(jié)構(gòu)布局分析

響水澗水泵水輪機(jī)是哈爾濱電氣集團(tuán)與ALSTOM在寶泉、白蓮河技術(shù)轉(zhuǎn)化后、蒲石河項目聯(lián)合設(shè)計后首個自主設(shè)計的抽水蓄能機(jī)組，管路的個數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、波紋管、布置形式完全相同，采用頂蓋內(nèi)焊接和法蘭連接相結(jié)合的方式。自機(jī)組運行5年以來，頂蓋排氣管4臺機(jī)共8根，只有1根存在開裂現(xiàn)象，其余管路均未出現(xiàn)問題，管路開裂為個別問題，而非共性問題。焊縫開裂處為管路中間的直管和彎頭的焊接焊縫，因此管路結(jié)構(gòu)布局并不是管路焊縫開裂的原因。

但從2012年首次發(fā)現(xiàn)以來，由于管路設(shè)計彎曲較多，使焊縫數(shù)量變多，增加了隱患可能；且空間較為狹窄，導(dǎo)致采取打磨補焊的臨時措施時，只能采用手工焊，盡管通過無損探傷合格，但焊接質(zhì)量依然受到限制，導(dǎo)致2014年再次開裂。

2.2.3 管路振動情況分析

機(jī)組振動偏大，會影響到管路運行情況，降低使用壽命，現(xiàn)取四臺機(jī)組頂蓋振動數(shù)據(jù)對比（2017年6月份平均數(shù)據(jù)）如表2所示。

表1 管路規(guī)格計算表Table 1 Pipe specification calculation table

表2 2017年6月4臺機(jī)組平均振動情況Table 2 Average average vibration of 4 units in June 2017

四臺機(jī)組頂蓋振動數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，頂蓋振動數(shù)據(jù)接近且在合理范圍之內(nèi)，所以排除因頂蓋振動過大導(dǎo)致頂蓋排氣管焊縫靠下側(cè)有砂眼的原因。但由于機(jī)組長期運行且具有一定共振效果，也可能導(dǎo)致管路和焊縫疲勞破壞造成焊縫的損傷。

2.2.4 漏水原因分析

基于上述分析，可看出頂蓋排氣管多次出現(xiàn)裂紋與管路規(guī)格選取、管路結(jié)構(gòu)布局情況無關(guān)，與管路振動具有一定關(guān)系。下面通過現(xiàn)場的管路修復(fù)環(huán)境、焊接管理、鋼材焊接特點進(jìn)行具體分析：

（1）管路修復(fù)環(huán)境.

由于響水澗電站水頭較低，為190m，機(jī)組直徑較大，頂蓋內(nèi)部空間狹窄。而開裂焊縫多為靠近頂蓋肋板和導(dǎo)葉套筒附近，檢修人員在內(nèi)部活動空間有限，且需進(jìn)行焊接、打磨等動火作業(yè)，對溫度、濕度、風(fēng)速等施焊環(huán)境的把控難度大。因此，在頂蓋內(nèi)進(jìn)行直接焊接的質(zhì)量難以保證，導(dǎo)致修復(fù)后的焊縫又再次出現(xiàn)砂眼的情況。

（2）焊接管理。

焊工管理：現(xiàn)場實施焊接時，因管路條件限制，僅能進(jìn)行單面焊接，但須雙面成型，對焊工焊接技術(shù)要求較高，加大了修復(fù)困難度。

焊接設(shè)備管理：焊接設(shè)備及工具必須專人使用，本人進(jìn)行維護(hù)，執(zhí)行安全操作規(guī)定，設(shè)有安全防護(hù)，用后必須清理現(xiàn)場及設(shè)備，確保設(shè)備不帶病作業(yè)。實施較好，不存在問題。

焊材管理：焊接材料按要求使用，焊縫與母材具有良好的匹配，不產(chǎn)生任何不良組織，且嚴(yán)格進(jìn)行入庫驗收保管相關(guān)要求，焊條使用前進(jìn)行烘干，烘烤后的焊條放入恒溫箱內(nèi)保存，每次領(lǐng)用按2h以內(nèi)用量進(jìn)行領(lǐng)取。實施較好，不存在問題。

焊接工藝管理：焊縫修補時，受焊接熱影響區(qū)的影響，焊縫周圍母材強(qiáng)度會受到影響，導(dǎo)致補焊處更易損壞，從而使頂蓋排氣管多次修復(fù)又開裂。

焊后質(zhì)量檢測：對焊接部分僅能進(jìn)行PT探傷，此管路不具有磁性，無法進(jìn)行磁粉探傷，同時現(xiàn)場不具備射線探傷設(shè)備，無法進(jìn)行射線探傷，故僅能檢測到焊接表面，致使焊接質(zhì)量檢測做不到位，內(nèi)部質(zhì)量沒法保證。

（3）鋼材焊接特點。

晶間腐蝕。奧氏體不銹鋼焊接件容易在焊接接頭處發(fā)生晶間腐蝕，這是奧氏體不銹鋼較為典型的一種破壞方式。響水澗電站管路出現(xiàn)的“砂眼”問題極有可能是晶間腐蝕造成，一種可能為鋼管的問題，幾乎所有的不銹鋼都會出現(xiàn)晶間腐蝕；第二種可能是焊接時焊接熱輸入過大，焊接過程中應(yīng)采用小電流、快速焊。

熱裂紋產(chǎn)生。奧氏體不銹鋼雜質(zhì)偏析比較嚴(yán)重，且導(dǎo)熱系數(shù)小，線脹系數(shù)大，所以焊接時會產(chǎn)生較大的焊接內(nèi)應(yīng)力，加劇熱裂紋的產(chǎn)生。響水澗電站暫未發(fā)現(xiàn)此類缺陷。

應(yīng)力腐蝕開裂。焊接接頭在腐蝕環(huán)境下受拉伸應(yīng)力作用時所產(chǎn)生的延遲開裂現(xiàn)象。奧氏體不銹鋼焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴(yán)重的失效形式。同時，現(xiàn)有的不銹鋼均有產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的可能，需引起注意和重視。響水澗電站暫未發(fā)現(xiàn)此類缺陷。

3 處理方法及工藝

3.1 前期調(diào)研

初期，采用打磨補焊的措施后，效果并不明顯。經(jīng)前往同系統(tǒng)內(nèi)其他單位運行情況的調(diào)研，得知某電站從最初的直接修補，到重新配割彎管段并加支架固定，再到整根鋼管一次成型并設(shè)置偏心法蘭安裝。但從改裝后的運行效果看，改造效果并不理想，改造后管路仍多次開裂。

3.2 處理方法

經(jīng)過前期的調(diào)研、與廠家的多次溝通交流，確定了兩套方案。根據(jù)響水澗電站的實際情況，最終決定采用“方案二”。在此，對兩套方案進(jìn)行闡述和分析，可供同情況電站參考。

3.2.1 方案一

對頂蓋排氣管路進(jìn)行整體焊接更換，在保證質(zhì)量的情況下，可永久性消除此類隱患。由于響水澗公司內(nèi)頂蓋空間狹小，管路走向不規(guī)則，需拆除頂蓋，吊出頂蓋在外部配管安裝，管路安裝完畢后在回裝頂蓋，需機(jī)組A修時進(jìn)行，故采用方案二，對于頂蓋空間較寬的電廠可直接采用此方案。

3.2.2 方案二

處理前后頂蓋排氣管路俯視圖，如圖7、圖8所示。

考慮到頂蓋排氣管路為重要管路，需盡快進(jìn)行處理，故按原始管路重新配管焊接。采用此方法可無需等到機(jī)組A級檢修進(jìn)行，B級檢修便可實施，降低了消缺條件，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。主要采取取消5號焊縫，并在安裝間焊接，分段組裝的方法，將頂蓋排氣管路進(jìn)行重新裝配。主要步驟如下：

（1）拆除主軸密封水箱；

（2）拆除波紋管及導(dǎo)葉套筒；

（3）拆除2號法蘭至3號法蘭之間原始管路；

（4）1號焊縫至2號法蘭之間管路在安裝間配管焊接；焊接完畢后放入頂蓋內(nèi)組裝；

圖7 原始管路俯視圖（單位：cm）Figure 7 Original pipeline overlook map

圖8 改造后管路俯視圖（單位：cm）Figure 8 Pipeline overlook map after transformation

（5）1號焊縫至4號焊縫之間管路在安裝間配管焊接，焊接完畢后放入頂蓋內(nèi)組裝；

（6）在頂蓋內(nèi)部完成1號焊縫的焊接；

（7）3號法蘭與其配管在安裝間焊接，焊接完畢后從外頂蓋放入，再在外頂蓋完成4號焊縫的焊接，這樣可以消除5號焊縫，從而減少焊縫的數(shù)量；

（8）全部管道焊接完畢做PT探傷及耐壓試驗，無滲漏后進(jìn)行螺栓連接。

3.3 處理工藝

3.3.1 焊材選用

響水澗本次處理缺陷焊材為1Cr18Ni9Ti，使用ER316L焊絲，手工鎢極氬弧焊焊接。

采用鎢極氬弧焊焊接，是因為氬氣能有效地隔絕空氣，本身又不溶于金屬，不和金屬反應(yīng)，施焊過程中電弧還能自動清除熔池表面氧化膜的作用，可成功焊接不銹鋼和各種合金。鎢極電弧穩(wěn)定，特別適合用于薄板的焊接。熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入容易調(diào)節(jié)，可進(jìn)行各種位置的焊接，也是實現(xiàn)單面焊雙面成型的理想方法。且填充焊絲熔滴不通過電弧，不會產(chǎn)生飛濺，焊縫成型美觀。

3.3.2 焊接方法

響水澗采用全鎢極氬弧焊焊接，焊接保護(hù)氣體為99.99%Ar。總的來說，奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的焊接性，幾乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奧氏體不銹鋼，在此不再做過多介紹。

3.3.3 焊接工藝

針對排氣管焊縫處采用風(fēng)動砂輪機(jī)、角向砂輪機(jī)和旋轉(zhuǎn)銼等工具對該焊縫進(jìn)行機(jī)械磨削方式清除，打磨出坡口，坡口角度為40°～45°，寬約10mm，深度約10mm；同時，將坡口面及坡口兩側(cè) 30mm以內(nèi)母材表面的熔渣、油污等所有影響焊接質(zhì)量的異物應(yīng)清理干凈。按照廠家要求，為了預(yù)防冷裂紋的產(chǎn)生，對坡口處進(jìn)行焊前預(yù)熱，對補焊區(qū)域及相鄰約200mm范圍內(nèi)的母材預(yù)熱至80～100℃，并在焊接過程中始終保持這一溫度。再次確認(rèn)已清除焊接區(qū)及附近200mm范圍內(nèi)的有害污物及雜質(zhì)。對坡口逐層焊接，除第一層和表層焊縫外每層焊縫采用氣動鏟錘擊方法消除應(yīng)力。鍾擊至焊縫表面達(dá)到均勻屈服為止，降低焊接殘余應(yīng)力。對修后焊縫處做100%的PT探傷檢查，確認(rèn)可正常投入運行。

3.4 焊材使用意見

（1）本焊材為奧氏體不銹鋼，其焊接性能良好，但容易在焊接接頭處發(fā)生晶間腐蝕。被腐蝕的焊接接頭表面無明顯變化，受力時則會沿晶界斷裂，幾乎完全失去強(qiáng)度。一般可向焊縫熔入鐵素體使焊縫金屬成為雙相組織，或減少焊接熔池過熱，或選用較小的焊接電流和較快的焊接速度，加快冷卻速度。

（2）為了防止焊接接頭在腐蝕環(huán)境下受拉伸應(yīng)力作用時產(chǎn)生延遲開裂現(xiàn)象，即應(yīng)力腐蝕開裂。需保證焊縫成形良好，不產(chǎn)生任何應(yīng)力集中或點蝕的缺陷；合理選擇焊材，使焊縫與母材具有良好的匹配，不產(chǎn)生任何不良組織；消除應(yīng)力處理：焊后熱處理，如焊后完全退火或退火；在難以實施熱處理時采用焊后錘擊或噴丸等。

4 處理結(jié)果

通過上述處理，有效解決響水澗電站頂蓋排氣管路存在的隱患。排除了因頂蓋內(nèi)部空間狹小、潮濕等因素導(dǎo)致的頂蓋內(nèi)焊縫修復(fù)質(zhì)量難以保證的問題，且去掉5號焊縫，減低了頂蓋排氣管路出現(xiàn)故障的可能，如圖9、圖10所示。

5 結(jié)束語

頂蓋排氣管路是抽水蓄能電站常使用的管路之一，事故多發(fā)部位。由于設(shè)計布置、機(jī)組振動、焊接質(zhì)量、焊接工藝、環(huán)境因素等問題，均可能使其出現(xiàn)裂紋、砂眼等情況。發(fā)現(xiàn)后應(yīng)立即采取臨時措施，針對實際情況盡快進(jìn)行處理，做好無損探傷檢測（有條件可進(jìn)行射線探傷），必要時對管路進(jìn)行整體更換。

圖9 取消5號焊縫排氣管路Figure 9 Remove No． 5 weld exhaust line

圖10 重新配管焊接后的管路Figure 10 Remanufactured pipe after welding

建議以下三點，供其他單位在設(shè)計階段或整改期間參考：

（1）對內(nèi)頂蓋部分，設(shè)計時預(yù)留足夠的空間，方便日后檢修及相應(yīng)可能的改造工作；

（2）減少不必要的管路焊縫連接，盡可能減少彎曲部分，降低缺陷發(fā)生；

（3）采用較先進(jìn)的減壓環(huán)管，有利于減少頂蓋排氣管路來自水壓的沖擊及振動導(dǎo)致的缺陷發(fā)生。