混流式機組壓力鋼管安全性評估方法淺析

王 佩 胡靖遠

（1.湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410004；2.湖南五凌哈電能效科技有限公司，湖南 長沙 410004）

0 前言

某電廠共安裝4臺255MW混流式水輪發(fā)電機組，2006年投產(chǎn)發(fā)電，水庫設計洪水位476.21m，校核洪水位479.29m，正常蓄水位475.0m，相應庫容37.48億m3，調(diào)節(jié)庫容26.16億m3，死水位425m。

電廠引水的布置均采用一機一洞的方式，引水壓力鋼管位于各條隧道尾部，引水壓力鋼管由壓力鋼管段和蝸殼段兩部分組成。壓力鋼管段（#1-#27節(jié)），金屬材料均為16MnR，1#-18#節(jié)板厚26mm，19#管節(jié)28mm，20#-27#節(jié)鋼板厚度為32mm。機組蝸殼（包括湊合節(jié)1#、#2，金屬材料16MnR；蝸殼#1-#26節(jié)，金屬材料均為610U），壓力鋼管與蝸殼段連接處分別為湊合節(jié)1和湊合節(jié)2，湊合節(jié)1、2厚度為30mm，蝸殼人孔門、蝸殼取水孔、蝸殼排水孔均布置在湊合節(jié)2。

電廠壓力鋼管湊活節(jié)設計厚度比兩邊的接觸段更薄，或許存在設計強度偏低的可能性[1-2]。且電廠至今已運行10年，壓力鋼管經(jīng)多年運行后，可能由于銹蝕和磨損導致其運行安全可靠程度進一步降低，因此有必要采取措施對壓力鋼管安全性進行評估[3]。

1 壓力鋼管應力測試

為評估壓力鋼管湊活節(jié)明管段設計強度是否滿足安全運行要求，全面了解解壓力鋼管的運行狀況，電廠利用檢修機會，采用電測法對壓力鋼管明管段進行應力檢測。應力檢測包括靜應力檢測和動應力檢測，其中靜應力檢測荷載為作用于鋼管的靜水壓力，動應力檢測荷載為機組棄負荷作用于鋼管的靜水壓力和水錘壓力[4]。

1.1 測點布置

明管段測點的具體位置如圖1所示。靜應力檢測的測點分別布置在明管段靠上、下游墻體附近（A-A斷面、C-C斷面）以及明管段的中部位置（B-B斷面），共布置8個測點，每個測點均為三向測點。其中B-B斷面的3#、4#、5#測點3個三向測點同時為動應力檢測的測點。

圖1 壓力鋼管與蝸殼段示意圖

1.2 強度評判標準

根據(jù)《水電站壓力鋼管設計規(guī)范》（NB/T 35056—2015），按承載能力極限狀態(tài)設計原則，鋼管各點的應力應滿足公式（1）。

其中，鋼管各點的折算應力σzh按第四強度理論計算，其計算式如公式（2）所示。

式中：σθ為環(huán)向正應力；σx為軸向正應力；γθκ為剪應力。

鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值σR可以按公式（3）計算。

式中：γ0為環(huán)向結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，取值為1.1；ψ為設計狀況系數(shù)，取值根據(jù)持久工況、短暫工況和偶然工況而不同。動應力試驗時機組為甩負荷工況，屬于短暫工況，因此ψ的取值為0.9；γd為結(jié)構(gòu)系數(shù)，主廠房內(nèi)的明管，γd宜增大10%~20%，因此整體膜應力取值為1.76，局部應力取值為1.21；f為鋼材強度設計值。電廠壓力鋼管的材料為16MnR鋼，鋼管明管段壁厚大于16mm，并不大于36mm，屬鋼材尺寸分組中的第2組，因此f為290MPa。

鋼管結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力限值σR的取值見表1。

表1 壓力鋼管的抗力限值

1.3 試驗結(jié)果分析

試驗時，電廠水庫水位451.0m，鋼管水平段中心高程313.5m，下游尾水位321.0m，作用于鋼管的靜水頭130.0m。其中動應力試驗時，機組甩20MW運行負荷。試驗結(jié)果見表2和表3。

表2 機組明管段鋼管靜應力實測值（部分）

表3 機組明管段鋼管動應力實測值（部分）

可見，在水庫水位451.0m下，靜應力測試時5號測點最大折算應力為165.0MPa，已接近明管段整體膜應力區(qū)的抗力限值。機組棄實際運行負荷20MW時，4號測點的最大折算應力為159.1MPa，接近明管段整體膜應力區(qū)的抗力限值。5號測點的最大折算應力為175.3MPa，超過明管段整體膜應力區(qū)的抗力限值（166.4MPa）5.3%。

2 仿真復核分析

為進一步核算電廠壓力鋼管在最高水頭甩最大負荷的極端情況下的應力情況，該文提出采用CFD仿真的方法進行復核。

2.1 壓力鋼管建模

壓力鋼管是一種典型的空間薄壁結(jié)構(gòu)體系[5-6]。根據(jù)廠房明管段鋼管的結(jié)構(gòu)形式和受力特點，將鋼管離散為板殼單元。為了更準確地反映墻體對鋼管的約束，考慮上、下游兩側(cè)部分墻體與鋼管共同承擔水壓力荷載，并將共同承擔荷載的部分墻體離散為塊體單元，邊界條件與鋼管共同承擔水壓力荷載的兩側(cè)部分混凝土墻體的四周為固定約束。所建模型如圖2所示。

圖2 廠房鋼管明管段有限元計算模型

2.2 壓力鋼管仿真

該文分別計算了兩個工況下壓力鋼管的應力情況，工況一模擬庫水位451.00m，尾水位321.00m，鋼管明管段中心高程為313.45m，作用于鋼管的靜水頭130.0m，與靜應力試驗工況相同，目的是對比仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)的偏差，評估仿真數(shù)據(jù)的真實性。工況二模擬壓力鋼管運行的最高壓力狀態(tài)，即上游庫水位478.81m棄最大負荷，考慮最大水錘壓力，此時壓力鋼管處于最大作用水頭200m。

仿真結(jié)果如圖3所示。工況一，即實測水位下，鋼管明管段整體膜應力區(qū)的最大折算應力為159.6MPa，出現(xiàn)在明管段底部跨中附近區(qū)域；局部應力區(qū)的最大折算應力為191.2MPa，出現(xiàn)在明管段與上游側(cè)混凝土樓板連接部位。在實測水位下，鋼管整體膜應力區(qū)的最大折算應力接近抗力限值（166.4MPa），局部應力區(qū)的最大折算應力小于抗力限值（217.9MPa）。

圖3 壓力鋼管應力仿真結(jié)果

工況二，當上游庫水位478.81m棄最大負荷時，鋼管明管段整體膜應力區(qū)的最大折算應力為218.2MPa，出現(xiàn)在明管段底部跨中附近區(qū)域；局部應力區(qū)的最大折算應力為276.3MPa，出現(xiàn)在明管段與上游側(cè)混凝土樓板連接部位。鋼管明管段整體膜應力區(qū)的最大折算應力超過抗力限值（166.4MPa）31.1%，局部應力區(qū)的最大折算應力超過抗力限值（242.1MPa）14.1%。

2.3 仿真與實測結(jié)果對比分析

廠房明管結(jié)構(gòu)應力檢測是根據(jù)鋼管的結(jié)構(gòu)特點，在鋼管主要部位的特征斷面布置測點，因此結(jié)構(gòu)應力檢測只能了解明管測點處的應力狀況，而明管的結(jié)構(gòu)整體應力只能通過結(jié)構(gòu)有限元計算才能得到。為了確保明管結(jié)構(gòu)應力檢測和明管結(jié)構(gòu)有限元計算成果的準確性，有必要將兩種方法所得到的結(jié)果進行比較。

根據(jù)廠房明管段鋼管有限元計算所得到的應力云圖，可計算出對應于測點位置的應力值，進而對實測應力和計算應力進行比較和分析。

在實測水位下，廠房明管段鋼管各測點的折算應力檢測成果與計算成果見表4。

表4 鋼管各測點計算折算應力與實測折算應力的比較

由表4的數(shù)據(jù)可以看出，在實測水位下，鋼管測點實測應力與計算應力的最大相對差值為15.2%，最小相對差值為1.2%。8個測點中，有1個測點的實測應力與計算應力相對差值大于10%，有4個測點的相對差值在5%~10%，3個測點的相對差值小于5%。實測結(jié)果與計算結(jié)果表明，廠房明管段鋼管實測應力與計算應力差異相對較小，應力檢測方法與有限元計算方法二者互為驗證，表明檢測成果和有限元計算成果是可信的。

3 結(jié)語

該文針對某電廠壓力鋼管明管段疑似存在的設計缺陷，提出了一種應力檢測試驗和CFD仿真相結(jié)合的安全性評估方法，對壓力鋼管的應力水平進行核算。試驗結(jié)果表明，電廠的壓力鋼管明管段在正常運行狀態(tài)下，可以滿足安全運行的需要，但在特殊的甩負荷工況下，可能存在安全隱患。其中在最大水頭甩最大負荷的極端條件下，鋼管明管段整體膜應力區(qū)的最大折算應力超過抗力限值31.1%，局部應力區(qū)的最大折算應力超過抗力限值14.1%。其中常規(guī)水頭下的應力檢測結(jié)果與有限元計算結(jié)果二者互為驗證，表明最大水頭甩最大負荷的極端條件下的有限元計算成果是可信的。因此，電廠下一步有必要采取有效的壓力鋼管明管段補強措施，保障機組安全穩(wěn)定運行。