抽水泵站金屬結(jié)構(gòu)運行安全與管理風(fēng)險研究

張曉凌

(陜西省延安市志丹縣地下水監(jiān)督監(jiān)測管理站，陜西 延安 717500)

塬面土地資源豐富，往往貧水干旱，河谷下切，土高水低，為解決水土資源平衡，興建水庫抽水站灌溉非常必要，多數(shù)大中型抽水泵站建成投運幾十年來，發(fā)揮了較好的經(jīng)濟和社會效益，但超過了設(shè)計使用年限，超期服役增加了運行安全風(fēng)險，嚴(yán)重影響了工程效益，開展工程現(xiàn)狀調(diào)查與運行安全評估、計算分析壓力鋼管等金屬結(jié)構(gòu)的強度，科學(xué)指導(dǎo)維修管護，確保工程運行安全，加強管理風(fēng)險防控。

1 工程實例

勝利水庫灌溉抽水泵站，澄城縣寺前鎮(zhèn)政府，副科級事業(yè)建制，企業(yè)化運營管理，現(xiàn)有編制8人，分一、二、三級管理站。泵站年均運行臺時3 000 h，總抽水量60.96萬 m3，年耗能55萬 kw·h。

現(xiàn)場調(diào)查工程管理設(shè)施簡陋，管理手段落后，管理人員通過多年的運行摸索具有一定的管理經(jīng)驗。管理站制定有泵站運行、維護、檢修、安全等技術(shù)規(guī)程和規(guī)章制度，距離《泵站技術(shù)管理規(guī)程》(SL255-2000)的規(guī)定還有一定的差距。每年3月份春灌前進行一次大檢查活動，主要檢查渠道、各水工建筑物及各機泵電氣設(shè)施的完好狀況。各個管理站建立有簡單的運行記錄。

各泵站存在主要問題：進、出水管銹蝕、穿孔，法蘭片變形，螺桿絲扣銹壞，時常發(fā)生爆管事件。閥體銹蝕嚴(yán)重，膠墊老化漏水，絲桿和閥板磨損，啟閉困難，啟閉過程有卡阻、振動現(xiàn)象、異響明顯，特別是逆止閥閥體早已水錘沖爛，失去作用，無法關(guān)閉影響抽真空，已影響正常運行。

綜上所述，3座泵站的金屬結(jié)構(gòu)破損、漏水嚴(yán)重，安全狀態(tài)差，存在影響安全運行的重大缺陷或事故隱患，急待更新改造。

2 金屬結(jié)構(gòu)復(fù)核計算分析與評價

勝利水庫抽水站金屬結(jié)構(gòu)主要有各類閥門、壓力管道、攔污柵等。閥門等銹蝕更換，本次研究重點進行計算壓力鋼管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、水錘和穩(wěn)定分析。

2.1 計算公式

2.1.1 結(jié)構(gòu)計算

依據(jù)埋藏式圓形壓力鋼管的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和穩(wěn)定分析原理。在均勻地質(zhì)情況下，鋼管承受內(nèi)壓時，計算公式采用《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》(GB50316-2000)中的公式。

(1)

tsd=ts+C

(2)

C=C1+C2

(3)

式中：ts為直管計算厚度，mm；P為設(shè)計壓力，MPa；D0為管子外徑，mm為在設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；Ej為焊接頭系數(shù)；tsd為直管設(shè)計厚度，mm；C為厚度附加量之和，mm；C1為厚度減薄附加值，包括加工、開槽和螺紋深度及材料厚度負(fù)偏差mm；C2為腐蝕或磨蝕附加量，mm；Y為系數(shù)。

2.1.2 構(gòu)造要求

計算公式采用《泵站設(shè)計規(guī)范》(GB50265—2010)7.3.11公式。

管壁最小厚度，除滿足結(jié)構(gòu)分析要求外，還需滿足構(gòu)造要求，一般不宜小于：

(4)

式中：δ為管壁厚度，mm；D為鋼管內(nèi)徑，mm。

2.1.3 附加厚度

按《水電站壓力鋼管設(shè)計規(guī)范》(SL281-2003)6.1.6條及《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計技術(shù)規(guī)定》規(guī)定，管壁厚度應(yīng)考慮管道壁厚負(fù)偏差的附加值和腐蝕裕度，其中負(fù)偏差附加值取1 mm，腐蝕裕度取2 mm。

2.2 工況選擇

勝利水庫3座抽水站鋼管均為地埋式，本次復(fù)核計算著重選取了泵后輸水干管壓力較高段鋼管作為復(fù)核對象。其中一級泵站揚程略小，按特殊組合中的水壓試驗工況對鋼管進行壁厚復(fù)核驗算。二、三級泵站揚程較大，按特殊組合中的校核運用Ⅰ工況工況對鋼管進行壁厚復(fù)核驗算。

2.3 計算結(jié)果

計算結(jié)果見表1。

表1 壓力鋼管復(fù)核結(jié)果表

2.4 水錘復(fù)核計算

3座抽水站中二級泵站揚程最高，選取二級泵站進行水錘復(fù)核計算。計算的方法采用簡易計算法中的較常用的帕馬金水錘計算曲線法，假設(shè)泵后不設(shè)止回閥。所用到的計算公式如下所示：

(5)

式中：a為水錘波傳播速度，m/s；k為水彈性模量，2.06×109Pa；E為管材性模量，20.6×1010Pa；D為輸水干管公稱直徑，600 mm；δ為管倒壁厚，5.2 mm。

(6)

式中：2ρ為管道常數(shù)，無因次數(shù)，代表單位額定水頭下，該管系最大壓力增值； V0為水泵額定流量下管中流速，1.73 m/s；H0為水泵額定工況下的揚程，91.5 m；g為重力加速度，9.81 m/s2。

(7)

式中：K為水泵機組轉(zhuǎn)子的慣性系數(shù)，s-1；n0為水泵額定轉(zhuǎn)速，300S-90型泵額定轉(zhuǎn)速為1 480 r/min；Q0為額定工況下水泵流量，0.488 m3/s；H0為額定工況下的水泵揚程，91.5 m；η0為額定工況下的水泵效率，77%；GD2為機組轉(zhuǎn)動部分的飛輪慣量，N·m2，可近似取電機的GD2(本項目取1 765.8)，如計入泵時，在加大10%～20%。

根據(jù)以上公式及現(xiàn)有基礎(chǔ)資料，可以計算得到相關(guān)參數(shù)，并查帕馬金水錘計算曲線即可得到二級泵站的水錘復(fù)核計算結(jié)果見表2。

表2 二級泵站水錘復(fù)核計算結(jié)果表

2.5 計算結(jié)果評價

由計算結(jié)果可知：(1)泵站不設(shè)止回閥時，最大停泵水錘壓力為正常工作壓力的1.3倍。這個壓力不會導(dǎo)致泵殼的破裂事故，但由于管道被不斷侵蝕，壁厚變薄，存在一定的運行風(fēng)險。

(2)水泵最大反轉(zhuǎn)速度為正常轉(zhuǎn)讀的1.37倍，這是比較大的。泵后需要設(shè)置安全可靠的兩階段關(guān)閉閥門。

(3)在突然斷電后，輸水管線的一部分處于負(fù)壓狀態(tài)，為了防止在管道中出現(xiàn)水柱拉斷現(xiàn)象，應(yīng)采用補氣或補水措施，以消除負(fù)壓。

3 結(jié)語

泵站壓力鋼管原設(shè)計壁厚滿足規(guī)范要求，經(jīng)過幾十年運行，進、出水鋼管已銹蝕嚴(yán)重，氧化層呈片狀剝落，管壁變薄，部分有嚴(yán)重蝕坑。由計算結(jié)果可知，3座站鋼管現(xiàn)狀壁厚已小于計算壁厚，現(xiàn)狀不滿足規(guī)范要求。再考慮到整體強度降低，銹蝕及密封老化漏水，安全性差，符合《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報廢標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)范和要求，因此壓力鋼管評定為四類、閥門構(gòu)件等評定為四類設(shè)備，建議拆除重建?；诠芾砼c風(fēng)險防控，依據(jù)分析計算成果，壓力鋼管按原設(shè)計重建，改造后泵后支管設(shè)安全可靠的逆止閥、兩階段關(guān)閉的工作閥及檢修閥門，增設(shè)起重行車、拍門和攔污柵，方便運行檢修。