云南省小水電壓力鋼管安全性能檢測(cè)和評(píng)估

楊力，王明智，楊鵬，孫晉明，王興文，李明東

（云南電力試驗(yàn)研究院（集團(tuán)）有限公司，昆明 650217）

0 前言

小水電是綠色可再生能源，生態(tài)效益明顯[1-2]。中國(guó)第一座水電站落址云南，至今云南的水電開(kāi)發(fā)史已超百年[3]，小水電的發(fā)展也從密集資金投入建廠轉(zhuǎn)變?yōu)榍謇碚碾A段。壓力鋼管作為水電站重要的金屬部件，在長(zhǎng)期使用中各小水電并未對(duì)其定期進(jìn)行安全性能檢測(cè)，難以對(duì)云南省內(nèi)小水電壓力鋼管現(xiàn)狀進(jìn)行宏觀把控。2019年本單位在云南省內(nèi)抽樣55座電站65條壓力鋼管進(jìn)行安全性能檢測(cè)，將各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果和結(jié)論進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，因樣本容量相對(duì)較大、樣本屬性較為豐富，可進(jìn)一步提高對(duì)云南省在用小水電壓力鋼管現(xiàn)狀的認(rèn)識(shí)。

目前中國(guó)的小水電一般是指裝機(jī)容量5萬(wàn)千瓦的中小水電和微型電站[4]，水電站壓力鋼管是從水庫(kù)、前池或調(diào)壓室向水輪機(jī)輸送水量的管道，在輸送過(guò)程中，由于坡度陡、水頭高、內(nèi)水壓力大，管道承受較大的動(dòng)水壓力。管道靠近廠房，失事后將會(huì)造成嚴(yán)重后果[5]。依據(jù)DL/T 709-1999《壓力鋼管安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》對(duì)壓力鋼管進(jìn)行技術(shù)資料審查、外觀檢測(cè)、材質(zhì)檢測(cè)、無(wú)損探傷、腐蝕狀況檢測(cè)、水質(zhì)及底質(zhì)檢測(cè)和應(yīng)力核算，檢測(cè)工作完成后，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)壓力鋼管的安全等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。壓力鋼管安全等級(jí)分為安全、基本安全和不安全三個(gè)等級(jí)。

1 技術(shù)資料審查

在檢測(cè)前，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)圖、設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)、主要材料出廠質(zhì)量證明、制造和安裝試驗(yàn)及質(zhì)量檢查記錄、竣工圖、巡視檢查記錄、重大缺陷處理記錄、腐蝕防護(hù)記錄、外觀檢查記錄、運(yùn)行事故報(bào)告、原型觀測(cè)資料等11類(lèi)資料進(jìn)行審查。如圖1所示，在65條受檢測(cè)的壓力鋼管中，僅有1條壓力鋼管具備完整的全套資料，有27條壓力鋼管具備部分資料，其余的壓力鋼管無(wú)法提供任何資料，而具備的部分資料也僅為鋼管設(shè)計(jì)圖、巡視檢查記錄等少量資料。

圖1 資料審查情況

與當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行維護(hù)人員交流得知，有的電站從建設(shè)初期對(duì)技術(shù)資料即要求不高、管理不嚴(yán)，有的電站的技術(shù)資料是在電站管理方變更過(guò)程中遺失。壓力鋼管屬于小水電中重要的金屬部件，其安全可靠程度直接關(guān)系到小水電未來(lái)發(fā)展方向和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。相關(guān)的技術(shù)資料可為壓力鋼管的安全提供有力佐證，本輪檢測(cè)過(guò)程中判定為不安全的壓力鋼管，大多存在嚴(yán)重的焊縫未焊透、未熔合現(xiàn)象，這些都是建設(shè)過(guò)程中即存在的缺陷，但由于沒(méi)有相關(guān)資料無(wú)法進(jìn)行追溯。

2 外觀檢測(cè)

外觀檢測(cè)是壓力鋼管安全檢測(cè)的必檢項(xiàng)目，是運(yùn)行管理單位的基礎(chǔ)管理工作。外觀檢測(cè)中明管外壁的檢測(cè)宜每年進(jìn)行一次，鋼管內(nèi)壁檢測(cè)可結(jié)合機(jī)組大修進(jìn)行。由于缺失相關(guān)資料，本輪檢測(cè)無(wú)法對(duì)鋼管的外觀狀況有延伸性的了解。

在檢測(cè)結(jié)果中，鋼管總體外觀良好，但存在的問(wèn)題有：焊縫存在錯(cuò)邊、焊疤、咬邊，鋼管表面存在焊瘤、鼓包，焊縫成型質(zhì)量差，鋼管表面防腐層脫落部位銹蝕，表面損傷變形，螺栓銹蝕，漏水，植被、泥土覆蓋，支墩損傷等。其中鋼管本體、焊縫出現(xiàn)的問(wèn)題是建設(shè)過(guò)程中存在的，其余屬后期管理問(wèn)題。在65條進(jìn)行外觀檢測(cè)的鋼管中，有14條鋼管未見(jiàn)明顯異常，其余均存在問(wèn)題，如圖2所示。本輪檢測(cè)的鋼管服役年限大多較長(zhǎng)，多年的安全平穩(wěn)運(yùn)行讓管理者有所松懈，沒(méi)有及時(shí)對(duì)鋼管外觀存在的問(wèn)題進(jìn)行消除，如：植被的根系會(huì)加速對(duì)鋼管表面的破壞，支墩損傷會(huì)為鋼管埋下安全隱患。對(duì)壓力鋼管進(jìn)行定期的外觀檢測(cè)，是最為方便的監(jiān)控手段，當(dāng)發(fā)現(xiàn)植被覆蓋、螺栓銹蝕等易解決的問(wèn)題時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理，對(duì)錯(cuò)邊、變形等難以解決的問(wèn)題，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控。

圖2 51條壓力鋼管存在問(wèn)題數(shù)量占比

3 材質(zhì)檢測(cè)

在檢測(cè)的壓力鋼管中，材料基本上是用Q235和Q345，即舊標(biāo)準(zhǔn)中的A3和16Mn。Q235屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，塑性較高但強(qiáng)度較低。Q345屬于低合金鋼，熱處理后強(qiáng)度和硬度較高。有的鋼管是整條選用Q235鋼，有的是上段壓力較小的筒節(jié)選擇Q235鋼，下段壓力較大的筒節(jié)選擇Q345鋼。通過(guò)硬度和光譜檢測(cè)，除了偶爾有一些測(cè)點(diǎn)硬度值偏高，其余未發(fā)現(xiàn)材質(zhì)用錯(cuò)或異常的情況，說(shuō)明鋼管建設(shè)過(guò)程中對(duì)材料把控較嚴(yán)，鋼管選材經(jīng)濟(jì)合理。

4 無(wú)損探傷

無(wú)損探傷是壓力鋼管安全檢測(cè)中的重點(diǎn)檢測(cè)項(xiàng)目，在條件允許的范圍內(nèi)應(yīng)對(duì)壓力鋼管的一、二類(lèi)焊縫按比例進(jìn)行表面磁粉探傷和內(nèi)部超聲波、射線探傷。由于鋼管大多服役年限較長(zhǎng)，為了更好的把控鋼管整體安全，本單位實(shí)際檢測(cè)比例都超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)要求。在本輪檢測(cè)中，所有判定為不安全的壓力鋼管均為焊縫發(fā)現(xiàn)多處埋藏缺陷。

65條壓力鋼管中，未發(fā)現(xiàn)表面和埋藏缺陷的有13條，占比20%，發(fā)現(xiàn)表面超標(biāo)缺陷的有6條，占比9.23%，發(fā)現(xiàn)埋藏超標(biāo)缺陷的有45條，占比69.23%，存在問(wèn)題的鋼管比例較高。發(fā)現(xiàn)裂紋后打磨2 mm后仍無(wú)法消除。埋藏缺陷屬焊縫未焊透。

在埋藏缺陷中主要是焊縫存在未焊透[6]，未焊透屬于焊接缺陷中危害性較大的缺陷，歷史上已有多起由于未焊透引起的壓力鋼管損毀事故，造成嚴(yán)重的人員和財(cái)產(chǎn)損失。未焊透減少了焊縫的有效面積，使接頭強(qiáng)度下降。未焊透還會(huì)引起應(yīng)力集中，擴(kuò)展成為裂紋源，造成焊縫破壞。未焊透屬于壓力鋼管建設(shè)過(guò)程中的焊接缺陷，如今壓力鋼管已成型運(yùn)行多年，處理起來(lái)較為困難，但它屬于嚴(yán)重的安全隱患，雖然無(wú)法預(yù)測(cè)何時(shí)會(huì)發(fā)生安全事故，但裂紋有可能在運(yùn)行期間慢慢擴(kuò)展延伸至一定尺寸，最終直接發(fā)生宏觀筒節(jié)的斷裂事故，也有可能在地震、滑坡等外力作用下造成損毀。小水電壓力鋼管若是發(fā)生焊縫開(kāi)裂事故，會(huì)使管內(nèi)存水迅速外泄，威脅廠房安全。本單位也對(duì)瀾滄江流域上大型水電站的壓力鋼管進(jìn)行過(guò)安全檢測(cè)，未曾發(fā)現(xiàn)相似缺陷，可見(jiàn)小水電的壓力鋼管在建設(shè)過(guò)程中，工程問(wèn)題較多。因?yàn)闆](méi)有相關(guān)的資料，無(wú)法查證具體是施工工藝、質(zhì)量監(jiān)督還是第三方無(wú)損檢測(cè)出現(xiàn)疏漏。

5 腐蝕狀況檢測(cè)

壓力鋼管的腐蝕狀況檢測(cè)采用測(cè)厚儀加目視的手段開(kāi)展。在條件允許下，每次檢測(cè)均對(duì)整條鋼管進(jìn)行壁厚測(cè)定，在65條鋼管中，僅有一條出現(xiàn)母材分層現(xiàn)象，其余均未出現(xiàn)壁厚異常。在壓力鋼管的表面和內(nèi)表面，均出現(xiàn)一定程度的腐蝕，由于鋼管所取水質(zhì)較好，無(wú)酸堿性超標(biāo)，故壓力鋼管整體腐蝕狀況較為良好，未出現(xiàn)由于Cl-離子超標(biāo)，將水管焊縫腐蝕開(kāi)裂的情況。

6 水質(zhì)和底質(zhì)檢測(cè)

水質(zhì)采樣來(lái)自壓力鋼管上游進(jìn)水口附近，底質(zhì)采樣來(lái)自壓力鋼管攔污柵或前池的淤積物。水質(zhì)分析檢測(cè)pH值、總堿度、Cl-，底質(zhì)分析檢測(cè)底質(zhì)所含10種成分及各成分含量。通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，各個(gè)電站的水質(zhì)、底質(zhì)情況較為統(tǒng)一，未見(jiàn)明顯的酸堿等不利元素超標(biāo)的水質(zhì)和底質(zhì)。

7 應(yīng)力核算

本輪壓力鋼管進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)的結(jié)果均為滿足要求。對(duì)壓力鋼管的主要受力構(gòu)件和腐蝕嚴(yán)重部位進(jìn)行應(yīng)力核算。測(cè)點(diǎn)選擇鋼管跨中、支承環(huán)、鎮(zhèn)墩附近管壁等應(yīng)力集中、復(fù)雜及腐蝕嚴(yán)重部位。經(jīng)過(guò)檢測(cè)計(jì)算，所測(cè)鋼管的各計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)力值均未超過(guò)對(duì)應(yīng)位置處的許用應(yīng)力值，除少許鋼管應(yīng)力值接近許用應(yīng)力值外，其余鋼管均保留有足夠的應(yīng)力余量值，在設(shè)計(jì)水頭下可正常工作。

8 壓力鋼管安全等級(jí)評(píng)定

安全檢測(cè)工作完成后，根據(jù)安全檢測(cè)成果，對(duì)壓力鋼管的安全等級(jí)進(jìn)行評(píng)定。2019年總計(jì)在云南省內(nèi)抽樣55座電站65條壓力鋼管進(jìn)行安全性能檢測(cè)，其中安全等級(jí)評(píng)定為“不安全”壓力鋼管有41條，評(píng)定為“基本安全”的有24條，所有評(píng)定為“不安全”的壓力鋼管均是由于鋼管焊縫存在多處埋藏缺陷，嚴(yán)重威脅到鋼管的安全運(yùn)行。由圖3可知，所檢測(cè)的壓力鋼管大多服役年限較長(zhǎng)，主要集中在20~50年這個(gè)階段，在建造時(shí)期工藝水平仍較落后，加上工程規(guī)模較小，建造規(guī)范性不足，遺留了大量缺陷。在后期運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中，基本沒(méi)有做到按期對(duì)其進(jìn)行安全性能檢測(cè)，運(yùn)維單位對(duì)壓力鋼管的整體安全性能難以做到心中有數(shù)，合理監(jiān)督把控。

圖3 壓力鋼管缺陷存在情況

圖3 壓力鋼管服役時(shí)長(zhǎng)分布圖

9 結(jié)束語(yǔ)

本輪抽樣檢測(cè)的壓力鋼管中，超過(guò)半數(shù)的鋼管都存在建造缺陷，雖然到目前為止，經(jīng)過(guò)數(shù)十年運(yùn)行的壓力鋼管仍沒(méi)有出現(xiàn)安全事故，但帶病運(yùn)行始終不是長(zhǎng)久之計(jì)，應(yīng)引起運(yùn)維單位足夠的重視。