北京十三陵抽水蓄能電站1號壓力鋼管充排水安全分析

翟 潔，張 毅

(國網(wǎng)新源控股有限公司北京十三陵蓄能電廠，北京 102200)

北京十三陵蓄能電廠是在首都缺電矛盾加劇、電網(wǎng)調(diào)節(jié)手段不足的形勢下，由國家和北京市政府共同投資興建的。作為國家和北京市“八五”期間的重點建設(shè)項目，北京十三陵蓄能電廠自1990年籌建，1992年9月主體工程奠基開工，1995年12月第一臺機(jī)組投產(chǎn)，至1997年6月四臺機(jī)組全部投入運行，總裝機(jī)容量為80萬kW。電站地處北京市昌平區(qū)境內(nèi)，下水庫為著名的十三陵水庫，上水庫建于蟒山山頂?shù)纳纤聹?，電廠的主體建筑包括上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)和地下廠房。上庫與下庫最大落差為481 m；輸水系統(tǒng)與地下廠房洞室群則建在蟒山山體內(nèi)，埋深200～300 m。十三陵電廠是華北地區(qū)重要的調(diào)頻、調(diào)峰電廠，也是北京市重點能源保障單位。

電站共布置兩條相互獨立近似平行的水道系統(tǒng)，采用一管兩機(jī)的布置形式，壓力鋼管為地下埋藏式過水機(jī)構(gòu)，中心距45～70 m，為斜井布置方式，每條壓力鋼管均有主管、岔管及支管組成，斜管段與水平面夾角。壓力鋼管平面布置為一管兩機(jī)的布置方式，立面采用斜井布置方式，斜井與水平面夾角為50°，上覆巖體厚度為60～380 m，兩條壓力管道主管均有上平段、上彎段、上斜段、中平段前彎管、中平段、中平段后彎管、下斜段、下彎管及下平段組成。上斜段埋深一般為60～240 m，其中高程300 m以上主要為F20斷裂破碎帶，斷裂面走向NWW，傾向SW，傾角80°，主要為Ⅳ～Ⅴ類圍巖；300 m高程以下斜洞段巖性為復(fù)成分礫巖，圍巖完整性較差，主要為Ⅲ類夾Ⅳ類圍巖。中平段埋深約230 m，巖性為復(fù)成分礫巖，主要為Ⅲ類圍巖。下斜段埋深約230～380 m，主要為復(fù)成分礫巖，65 m高程以下(f20斷層下盤)為安山巖，以Ⅲ類夾Ⅳ類圍巖為主，其中f20斷層約在高程110 m切過隧洞，斷層上盤發(fā)育多條小斷層和卸荷裂隙，圍巖完整性較差，高程110 m以下洞段圍巖較完整，主要為Ⅲa類圍巖，只有f20斷層局部為Ⅳ類圍巖。下平段一般埋深300～370 m，巖性為安山巖和復(fù)成分礫巖，有f20、f535、f19等斷層切割，主要為Ⅲ類夾Ⅳ類圍巖。

1號壓力管道外層空間采用膨脹砼填筑取代接觸灌漿，上覆巖體厚度為60～380 m，高壓斜井落差達(dá)466 m，最大HD值2 872 m×m，為高水頭、大HD值的地下埋藏式鋼管。本文對2016年及2018年1號壓力鋼管充排水進(jìn)行安全分析。

1 1號壓力鋼管充排水分析

1.1 監(jiān)測布置和運行分析

蓄能電站建設(shè)期間在1號壓力鋼管中平段設(shè)置了D觀測段[1](見表1、圖1),布置有鋼板計(DI-10型)測管殼應(yīng)力，滲壓計(SZ-8型)測外水壓力，測縫計(CF-5型)測鋼管和混凝土間及混凝土和圍巖間縫隙，電阻式溫度計測管壁溫度，所有儀器接入地下廠房自動化監(jiān)測系統(tǒng)，在引水事故閘門井下游布設(shè)了CY1、CY2測壓管，在上層排水洞300～330 m高程、中支洞214.5 m(高程)、214.5 m(高程)地質(zhì)探洞三個區(qū)域均布置有排水系統(tǒng)。電廠于2005年在輸水系統(tǒng)增加6個測壓管(見圖2)。

表1 觀測段位置表

圖1 十三陵蓄能電站壓力鋼管觀測段布置圖

圖2 2005年新增水位觀測孔的位置示意圖

1號壓力鋼管D觀測段在運行階段監(jiān)測自動化測值顯示鋼板計最大應(yīng)力均未超過鋼板允許應(yīng)力值(見表2)[2]。運行階段1號壓力鋼管D觀測段測壓管及滲壓計的監(jiān)測結(jié)果顯示，1號壓力鋼管外水壓力呈南北方向階梯型儲水構(gòu)造帶分布，1號壓力鋼管D觀測段滲壓計監(jiān)測結(jié)果均未超過地質(zhì)預(yù)測的地下水位。1號壓力鋼管間接排水、直接排水效果明顯。各鋼襯段鋼管外壓處于設(shè)計采用值的范圍以內(nèi)。

1.2 2016年充排水分析

1)鋼板計監(jiān)測成果分析。排水期間1號壓力鋼管D觀測段監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)顯示，最大應(yīng)力測值為1 964.18 kg/cm2，充水期間1號壓力鋼管D觀測段最大應(yīng)力測值為2 116.96 kg/cm2，均未超過鋼板設(shè)計允許應(yīng)力值，說明1號壓力鋼管在充排水期間運行狀態(tài)安全，1號壓力鋼管D觀測段鋼板計監(jiān)測過程線見圖3。

圖3 1號壓力鋼管D觀測段充排水期間鋼板計應(yīng)力過程線圖

2)測縫計監(jiān)測成果分析。1號壓力鋼管D觀測段充排水期間測縫計監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)顯示，測縫計最大測值為0.94 mm，數(shù)值變化與充排水過程呈現(xiàn)正相關(guān)，2006年放空自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示的最大開合度為1.35 mm。通過與歷年監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，本輪充排水期間1號壓力鋼管和混凝土間開合度變化在正常范圍內(nèi)。

3)測壓管和滲壓計監(jiān)測成果分析。1號壓力鋼管D觀測段充排水期間測壓管和滲壓計監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)顯示，1號壓力鋼管周邊地下水位變化很小，滲壓計測值變化不大，可表明1號壓力鋼管未出現(xiàn)內(nèi)水外滲現(xiàn)象。最大滲壓水頭測值為15.64 m，遠(yuǎn)小于80～120 m(通過地質(zhì)預(yù)測的地下水位值[3])，說明未超過1號壓力管道鋼管設(shè)計計算時考慮的外水壓力數(shù)值。

1.3 2018年充排水分析

1)鋼板計監(jiān)測成果分析。排水期間1號壓力鋼管D觀測段監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)顯示，最大應(yīng)力測值為2 076.69 kg/cm2，充水期間1號壓力鋼管D觀測段最大應(yīng)力測值為2 085.55 kg/cm2，均未超過鋼板設(shè)計允許應(yīng)力值，說明1號壓力鋼管在充排水期間運行狀態(tài)安全，1號壓力鋼管D觀測段鋼板計監(jiān)測過程線見圖4。

圖4 1號壓力鋼管D觀測段充排水期間鋼板計應(yīng)力過程線圖

2)測縫計監(jiān)測成果分析。1號壓力鋼管D觀測段充排水期間測縫計監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)顯示，測縫計最大測值為1.13 mm，2006年放空自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示的最大開合度為1.35 mm，本輪測值變化與充排水過程呈現(xiàn)正相關(guān)。通過與歷年監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，本輪充排水期間1號壓力鋼管和混凝土間開合度變化在正常范圍內(nèi)。

3)測壓管和滲壓計監(jiān)測成果分析。1號壓力鋼管D觀測段充排水期間測壓管和滲壓計監(jiān)測自動化數(shù)據(jù)顯示，1號壓力鋼管周邊地下水位變化很小，各部位埋設(shè)滲壓計測值變化不大，表明1號壓力鋼管未出現(xiàn)內(nèi)水外滲現(xiàn)象。最大滲壓水頭測值為17.03 m，小于80～120 m(通過地質(zhì)預(yù)測的地下水位值)，說明未超過1號壓力管道鋼管設(shè)計計算時考慮的外水壓力數(shù)值。

2 1號壓力鋼管安全檢測與評估

電站于2018年9月17日至9月23日期間對1號壓力鋼管中平段、下斜段及下平段、1號引水鋼岔管、1號和2號引水支管、1號和2號尾水支管進(jìn)行安全檢測。其中對1號壓力鋼管中平段、下斜段進(jìn)行巡視及外觀檢測、腐蝕狀況檢測；對1號壓力鋼管下平段、1號引水岔管、1號和2號引水支管、1號和2號尾水支管進(jìn)行巡視及外觀檢查、腐蝕狀況檢測和無損探傷檢測。

1)巡視及外觀檢測。對壓力鋼管外觀形態(tài)進(jìn)行檢查，檢查壓力鋼管內(nèi)壁及焊縫[4]的表面情況，如鋼管內(nèi)壁外觀現(xiàn)狀、焊縫及管壁表面裂紋情況(是否存在微裂紋)、防腐涂層現(xiàn)狀，以及進(jìn)人孔封閉性能等。

2)腐蝕狀況檢測。通過目視檢查和儀器檢測，針對壓力鋼管內(nèi)壁的腐蝕部位、腐蝕分布情況及腐蝕程度等進(jìn)行綜合檢測，并判斷是否存在局部嚴(yán)重銹蝕及銹損等影響設(shè)備安全運行的部位。

3)無損探傷檢測。對壓力鋼管一、二類焊縫進(jìn)行超聲波探傷抽查，檢查焊縫內(nèi)部質(zhì)量，判斷所檢焊縫內(nèi)部是否存在影響設(shè)備安全運行的缺陷。

1號壓力鋼管管節(jié)編號見圖5。

圖5 1號壓力鋼管焊縫及編號示意圖

2.1 檢測結(jié)果分析

2.1.1 1號壓力鋼管中平段檢測成果

1)外觀檢查。壓力鋼管內(nèi)壁未見損傷、變形、焊縫撕裂等缺陷；防腐涂層基本完整有效，未見大面積脫落及銹蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象；焊縫表面及鋼管內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)裂紋等危害性缺陷；人孔門密封良好。

2)腐蝕狀況檢測。壓力鋼管內(nèi)壁涂層基本完整有效，未見銹蝕嚴(yán)重及明顯銹損現(xiàn)象，但壓力鋼管現(xiàn)場安裝環(huán)縫及部分縱縫兩側(cè)約150 mm范圍內(nèi)存在涂層鼓包現(xiàn)象，壓力鋼管安裝焊縫的兩側(cè)約150 mm范圍(安裝預(yù)留區(qū))在出廠時僅防腐底漆處理，由于底漆在現(xiàn)場安裝過程中不同程度受損，且焊接后采用手工涂刷進(jìn)行防腐，造成安裝環(huán)縫普遍銹蝕，部分鼓包已經(jīng)脫落形成銹斑；鋼管底部(約400 mm環(huán)向?qū)挾?沿鋼管長度方向存在斷續(xù)的成片銹蝕斑點，蝕坑深度小于0.5 mm。1處防腐涂層局部脫落，脫落面積約為100 mm×80 mm。

2.1.2 1號壓力鋼管下斜段檢測成果

1)外觀檢查。壓力鋼管內(nèi)壁未見損傷、變形、焊縫撕裂等缺陷；防腐涂層基本完整有效，未見大面積脫落及銹蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象；鋼管底部約2 m范圍內(nèi)焊縫表面及鋼管內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)裂紋等危害性缺陷。

2)腐蝕狀況檢測。壓力鋼管內(nèi)壁涂層基本完整有效，未見銹蝕嚴(yán)重及明顯銹損現(xiàn)象，但壓力鋼管現(xiàn)場安裝環(huán)縫及部分縱縫兩側(cè)約150 mm范圍內(nèi)存在整體環(huán)狀銹蝕、局部涂層脫落(最大脫落面積約100 mm×200 mm)、涂層鼓包等現(xiàn)象；鋼管底部(約400 mm環(huán)向?qū)挾?沿鋼管長度方向存在局部點狀或連續(xù)成片銹蝕斑點，蝕坑深度小于0.5 mm。

2.1.3 1號壓力鋼管下平段及及1號岔管檢測成果

1)外觀檢查。壓力鋼管及岔管內(nèi)壁未見損傷、變形、焊縫撕裂等缺陷；防腐涂層基本完整有效，未見大面積脫落及銹蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象；焊縫表面及鋼管內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)裂紋等危害性缺陷。

2)腐蝕狀況檢測。壓力鋼管內(nèi)壁涂層基本完整有效，未見銹蝕嚴(yán)重及明顯銹損現(xiàn)象，但壓力鋼管現(xiàn)場安裝環(huán)縫及部分縱縫兩側(cè)約150 mm范圍內(nèi)存在整體環(huán)狀銹蝕、局部涂層脫落(最大脫落面積約100 mm×150 mm)、涂層鼓包并形成蝕斑等現(xiàn)象，湊合節(jié)焊縫及附近銹蝕；鋼管底部沿鋼管長度方向存在局部點狀或連續(xù)成片銹蝕斑點，蝕坑深度小于0.5 mm；第33節(jié)鋼管存在整體銹蝕現(xiàn)象。

岔管內(nèi)壁涂層完整有效，未見銹蝕嚴(yán)重及明顯銹損現(xiàn)象，但左右岔與支管連接焊縫附近存在銹蝕現(xiàn)象。

3)下平段無損探傷抽檢焊縫19條，合格18條，不合格的1條，不合格焊縫為湊合節(jié)與上游管節(jié)連接環(huán)縫。岔管抽檢焊縫3條，合格3條。

2.1.4 1號、2號引水支管檢測成果

1)外觀檢查：壓力鋼管內(nèi)壁未見損傷、變形、焊縫撕裂等缺陷；防腐涂層基本完整有效，未見大面積脫落及銹蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象；焊縫表面及鋼管內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)裂紋等危害性缺陷。

2)腐蝕狀況檢測發(fā)現(xiàn)：壓力鋼管內(nèi)壁涂層基本完整有效，未見銹蝕嚴(yán)重及明顯銹損現(xiàn)象，但壓力鋼管現(xiàn)場安裝環(huán)縫及部分縱縫兩側(cè)約150 mm范圍內(nèi)存在整體環(huán)狀銹蝕、涂層鼓包并形成蝕斑等現(xiàn)象；鋼管底部(約400 mm環(huán)向?qū)挾?沿鋼管長度方向存在局部點狀或連續(xù)成片銹蝕斑點(環(huán)縫附近)，蝕坑深度小于0.5 mm；左支靠近球閥管節(jié)存在整體銹蝕現(xiàn)象。

3)焊縫無損探傷檢測抽檢焊縫20條，全部合格。

2.1.5 1號、2號尾水支管檢測成果

1)外觀檢查：壓力鋼管內(nèi)壁未見損傷、變形、焊縫撕裂等缺陷；肘管整體銹蝕，其余位置防腐涂層基本完整有效，未見大面積脫落及銹蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象；焊縫表面及鋼管內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)裂紋等危害性缺陷。

2)腐蝕狀況檢測：壓力鋼管內(nèi)壁涂層基本完整有效，未見銹蝕嚴(yán)重及明顯銹損現(xiàn)象，但錐管及肘管均存在整體浮銹，局部位置存在涂層脫落、蝕斑等現(xiàn)象。少量現(xiàn)場安裝環(huán)縫及縱縫兩側(cè)約150 mm范圍內(nèi)存在局部銹蝕、涂層鼓包并形成蝕斑等現(xiàn)象；管壁1處位置涂層局部脫落；鋼管底部(約400 mm環(huán)向?qū)挾?沿鋼管長度方向存在局部點狀或連續(xù)成片銹蝕斑點(環(huán)縫附近)，蝕坑深度小于0.5 mm；管壁存在多處連續(xù)劃痕(未完全破壞涂層)；尾水鋼管內(nèi)遺留多件雜物。

3)焊縫無損探傷檢測抽檢焊縫56條，全部合格。

2.2 檢測評價

電站1號壓力鋼管外觀狀況良好，未見管壁變形、損傷以及焊縫開裂等異常狀況；除下平段湊合節(jié)焊縫外，其余抽檢焊縫的表面或內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)裂紋或其它連續(xù)性的超標(biāo)缺陷；管壁累計腐蝕面積小于鋼管全面積的10%，蝕余厚度檢測未發(fā)現(xiàn)明顯的管壁減薄現(xiàn)象。電站1號壓力鋼管當(dāng)前性能良好。

3 結(jié) 語

1)從充排水期間監(jiān)測情況分析，1號壓力鋼管埋設(shè)的監(jiān)測儀器測值變化符合一般規(guī)律，儀器狀況穩(wěn)定，可以用來繼續(xù)監(jiān)測1號壓力鋼管運行狀況。

2)1號壓力鋼管充排水過程中，鋼板計應(yīng)力測值變化顯著，隨著排水的逐步推進(jìn)，鋼板受力由受拉逐步變化到受壓狀態(tài)，隨著充水的逐步推進(jìn)，鋼板受力由受壓逐步變化到受拉狀態(tài)，整個充排水過程鋼板應(yīng)力未超過設(shè)計允許值。

3)1號壓力鋼管充排水過程中，測縫計的測值變化與充排水過程呈現(xiàn)正相關(guān)，且1號壓力鋼管和混凝土間測縫計測值變化均正常。

4)1號壓力鋼管充排水過程中，1號壓力鋼管沿線測壓管和滲壓計測值變化很小，表明充排水推進(jìn)過程中1號壓力鋼管未出現(xiàn)內(nèi)水外滲現(xiàn)象[5]。

5)1號壓力鋼管外觀狀況良好，未見管壁變形、損傷以及焊縫開裂等異常狀況；除下平段湊合節(jié)焊縫外，其余抽檢焊縫的表面或內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)裂紋或其它連續(xù)性的超標(biāo)缺陷；管壁累計腐蝕面積小于鋼管全面積的10%，蝕余厚度檢測未發(fā)現(xiàn)明顯的管壁減薄現(xiàn)象。

根據(jù)上述分析，1號壓力鋼管結(jié)構(gòu)均狀態(tài)良好，處于安全運行狀態(tài)。