李德紅，項(xiàng)興華，陸建峰（浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江麗水323000）

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緊水灘電廠6號(hào)機(jī)壓力鋼管與蝸殼安全檢測(cè)

李德紅，項(xiàng)興華，陸建峰
（浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江麗水323000）

摘要：緊水灘電廠6號(hào)機(jī)進(jìn)行改造，水輪機(jī)從51.5 MW增至56.7 MW，而機(jī)組引水壓力鋼管、蝸殼已運(yùn)行26年。為了解能否滿足機(jī)組增容的安全要求，對(duì)6號(hào)機(jī)組壓力鋼管及蝸殼進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)。評(píng)價(jià)引水壓力鋼管、蝸殼符合機(jī)組增容的安全要求，確保機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：壓力鋼管；腐蝕；探傷；應(yīng)力檢測(cè)

1設(shè)備概況

緊水灘水電廠裝有6臺(tái)單機(jī)50 MW的混流式機(jī)組，電站總裝機(jī)300 MW。6臺(tái)機(jī)分別于1987年～1988年投產(chǎn)發(fā)電，均是杭州發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)。水輪機(jī)型號(hào)為HL220-LJ-300，立軸混流式，金屬蝸殼，包角345°，轉(zhuǎn)輪直徑3 m，額定出力51.5 MW，設(shè)計(jì)水頭69 m，最大水頭85 m，最小水頭60.5 m。引水系統(tǒng)由攔污柵、進(jìn)水口檢修門(mén)、進(jìn)水口快速工作閘門(mén)、輸水壓力鋼管、蝸殼及尾水管組成，輸水壓力鋼管采用壩后埋管型式。引水壓力鋼管、蝸殼圖見(jiàn)圖1，主要特性見(jiàn)表1。

圖1　機(jī)組引水壓力鋼管、蝸殼簡(jiǎn)圖

2013年緊水灘水電廠6號(hào)機(jī)進(jìn)行增容改造，從原先的51.5 MW增容至56.7 MW，而機(jī)組引水壓力鋼管、蝸殼已運(yùn)行26年的實(shí)際狀況。為了解能否滿足機(jī)組增容的安全要求，對(duì)6號(hào)機(jī)組壓力鋼管及蝸殼進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)安全檢測(cè)與安全評(píng)價(jià)。

表1　引水系統(tǒng)各部份主要特性參數(shù)

2安全檢測(cè)的內(nèi)容及方法

2.1安全檢測(cè)內(nèi)容

蝸殼及壓力鋼管的水平段、下彎段、伸縮節(jié)及尾水管進(jìn)行了外觀檢測(cè)及混凝土淘空狀況檢測(cè)、腐蝕狀態(tài)檢測(cè)、金屬材料性能檢測(cè)、焊縫超聲波探傷；壓力鋼管進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試；壓力鋼管動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試。

2.2安全檢測(cè)方法

1）外觀檢測(cè)主要采用目測(cè)為主，必要時(shí)輔以儀器；混凝土淘空狀況采用敲擊法檢測(cè)；腐蝕狀態(tài)采用超聲波測(cè)厚儀和深度游標(biāo)卡尺檢測(cè)；

2）金屬材料性能采用測(cè)定鋼材表面硬度（按GB1172換算材質(zhì)的σb）和在合適部位鉆取材料屑狀試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析的方法檢測(cè)；

3）焊縫采用超聲波進(jìn)行無(wú)損探傷；

4）廠房明管結(jié)構(gòu)靜態(tài)/動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試，廠房明管的應(yīng)力測(cè)試采用傳統(tǒng)的電測(cè)法，用靜態(tài)/動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、電阻應(yīng)變片、屏蔽電纜等組成測(cè)試儀器系統(tǒng)，對(duì)6號(hào)機(jī)組的廠房鋼管明管段進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試。

3外觀狀態(tài)檢測(cè)

3.1外觀檢查

外觀檢測(cè)以目測(cè)為主，配合使用普通的量測(cè)工具，檢查壓力鋼管各管段的狀態(tài)：表面有無(wú)損傷、裂紋、局部有無(wú)明顯變形、鼓包，鋼管外圍混凝土是否脫空，鋼管焊縫和灌漿孔封堵是否完好。受現(xiàn)場(chǎng)條件限制，本次主要檢查了壓力鋼管的伸縮節(jié)、下彎管中的下四節(jié)、下平段、蝸殼、尾水管。鋼管和蝸殼內(nèi)壁狀態(tài)基本良好。鋼管和蝸殼表面無(wú)裂紋、磨蝕和鼓包現(xiàn)象、尾水管有氣蝕現(xiàn)象。

本次對(duì)鋼管的下彎管、下平段及蝸殼的左右中心線下部分管壁外圍混凝土的脫空情況作了詳細(xì)的檢查，檢查結(jié)果未發(fā)現(xiàn)具有即時(shí)危害性的面積較大脫空現(xiàn)象，尾水管外圍混凝土有較大面積的脫空現(xiàn)象。

3.2腐蝕狀態(tài)檢測(cè)與分析

將蝸殼、鋼管內(nèi)壁表面清除干凈后，發(fā)現(xiàn)局部有密集的銹蝕坑。外表面做過(guò)防腐處理，銹蝕情況良好。根據(jù)壓力鋼管主要構(gòu)件的銹蝕程度和銹蝕部位，本次的銹蝕深度采用TT-110數(shù)字超聲波測(cè)厚儀,0～200 mm深度游標(biāo)卡尺和TT-220涂層測(cè)厚儀進(jìn)行測(cè)量。本次對(duì)壓力鋼管的下平段及蝸殼進(jìn)行了銹蝕深度測(cè)量，共獲得510個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)如表2。在機(jī)組檢修時(shí)由于進(jìn)水口閘門(mén)漏水，鋼管內(nèi)表面底部水流附近的銹蝕比較嚴(yán)重。

3.3檢測(cè)成果

鋼管下平段、蝸殼及尾水管存在不同程度的局部銹蝕，做好防腐工作。鋼管下平段、蝸殼及尾水管總體平均銹蝕量0.88 mm，最大銹蝕量2.8 mm，銹蝕深度分布在0.0～2.0 mm的頻數(shù)為92 %，屬于一般銹蝕。鋼管下平段、蝸殼及尾水管總體年平均銹蝕速率為0.035 mm/a，小于正常年平均銹蝕速率0.040 mm/a。蝸殼年平均銹蝕速率0.034 mm/a，下平段內(nèi)表面年平均銹蝕速率0.035 mm/a，鋼管明管段外表面年平均銹蝕速率0.033 mm/a，尾水管內(nèi)表面年平均銹蝕速率0.036 mm/a，均小于正常年平均銹蝕速率。鋼管內(nèi)表面底部水流附近的銹蝕比較嚴(yán)重，應(yīng)采取措施。

4金屬材料性能檢測(cè)

金屬材料性能采用復(fù)查竣工驗(yàn)收資料和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的辦法。首先復(fù)查竣工驗(yàn)收資料，確定鋼管、蝸殼及尾水管的材質(zhì)范圍，然后用測(cè)定鋼材表面硬度（按GB1172換算材質(zhì)的σb）和在合適部位鉆取材料屑狀試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析的方法進(jìn)行復(fù)核。經(jīng)復(fù)查竣工驗(yàn)收資料和原設(shè)計(jì)圖紙，壓力鋼管各管段、蝸殼及尾水管材質(zhì)見(jiàn)表3、表4所示。在圖紙上標(biāo)明材料為Q345（16Mn）的部位取樣，材質(zhì)試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表5。在圖紙上標(biāo)明材料為Q235（A3）的部位取樣，材質(zhì)試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表6。

表2　壓力鋼管、蝸殼及尾水管銹蝕測(cè)量數(shù)據(jù)分析一覽表

表3　鋼管各管段材質(zhì)狀況一覽表

表4　蝸殼各段材質(zhì)狀況一覽表

表5　Q345（16Mn）抽檢材質(zhì)試樣的化學(xué)成分分析一覽表

表6　蝸殼Q235（A3）抽檢材質(zhì)試樣的化學(xué)成分分析一覽表

為進(jìn)一步確定材料的牌號(hào)，對(duì)鋼管下平段和蝸殼（1～19）節(jié)進(jìn)行了表面硬度的測(cè)試，共獲得180個(gè)有效數(shù)據(jù)，其中下平段80個(gè)，蝸殼100個(gè)。具體實(shí)測(cè)表面硬度及所換算抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表7，表8。

表7　16Mn鋼的抗拉強(qiáng)度

注：抗拉強(qiáng)度與布氏硬度間換算的經(jīng)驗(yàn)公式為：σb= 0.325GHB（16Mn）。

表8　材料硬度檢測(cè)結(jié)果表

通過(guò)對(duì)試樣的化學(xué)成分分析可知鋼管及蝸殼（1～19）節(jié)的材料為Q345（16Mn）鋼；蝸殼（20～21）節(jié)、尾水管的材料為Q235（A3）鋼。通過(guò)材料硬度測(cè)試可知，鋼管及蝸殼（1～19）節(jié)的材料符合Q345（16Mn）鋼的抗拉強(qiáng)度要求。

5焊縫超聲波探傷

根據(jù)GB/T11345《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及探傷結(jié)果分級(jí)》與DL/T5017《壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)緊水灘水電站6號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管焊縫、蝸殼及尾水管焊縫進(jìn)行超聲波檢測(cè)。6號(hào)機(jī)蝸殼焊縫經(jīng)100%超聲波檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)15處存在超標(biāo)缺陷，引水壓力鋼管經(jīng)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)7處超標(biāo)缺陷，引水壓力鋼管伸縮節(jié)經(jīng)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)4處超標(biāo)缺陷。缺陷都為夾渣或氣孔，缺陷的性質(zhì)為安裝施工時(shí)遺留的缺陷，非機(jī)組運(yùn)行過(guò)程形成。尾水管焊縫經(jīng)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)第2條環(huán)縫整條缺陷，缺陷為整條的未焊透缺陷。

本次超聲波檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)27處非即時(shí)危害性超標(biāo)缺陷，按照標(biāo)準(zhǔn)DL5017《壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》和DL/T 709《壓力鋼管安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》的要求，連續(xù)的多個(gè)超標(biāo)缺陷需作返修處理。從檢測(cè)出的缺陷性質(zhì)看，這些缺陷為建設(shè)安裝時(shí)遺留的缺陷，雖屬非即時(shí)危害性缺陷，但不符合上述規(guī)范的要求。這次檢出的超標(biāo)缺陷如作返修處理，應(yīng)當(dāng)提供十分可靠施工工藝和可行的處理方案，確保返修處理結(jié)果符合上述標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。如果沒(méi)有可靠穩(wěn)妥的施工工藝和可行的處理方案對(duì)缺陷進(jìn)行處理，應(yīng)對(duì)存在超標(biāo)缺陷的部位進(jìn)行定期跟蹤監(jiān)測(cè)，跟蹤監(jiān)測(cè)缺陷性質(zhì)是否發(fā)生變化。并隨著機(jī)組服役年限的增加而縮短檢定監(jiān)測(cè)周期，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷性質(zhì)的變化。

6壓力鋼管結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)

6.1測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)6號(hào)機(jī)組蝸殼上游側(cè)的廠房水平明管段進(jìn)行了動(dòng)、靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試。在靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試中，為了得到具有代表性的數(shù)據(jù)，選擇了主要受力校核點(diǎn)布設(shè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試。在廠房明管段布置了4個(gè)靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，均采用三向直角應(yīng)變法。在動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試過(guò)程中，選擇了有代表性的鋼管下部2號(hào)測(cè)點(diǎn)和左側(cè)面3號(hào)測(cè)點(diǎn)及1號(hào)和4號(hào)測(cè)點(diǎn)的環(huán)向片進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2。

6.2結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力檢測(cè)

檢測(cè)工況為進(jìn)水口水位173.61 m，尾水出水口水位103.36 m。實(shí)際作用水頭70.25 m。試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)，儀器在鋼管無(wú)水時(shí)進(jìn)行調(diào)零。當(dāng)整個(gè)壓力鋼管充滿水并開(kāi)啟6號(hào)機(jī)進(jìn)水口所有閘門(mén)后，儀器讀數(shù)。因試驗(yàn)工況不可重復(fù)，僅進(jìn)行了一次靜應(yīng)力檢測(cè)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。從數(shù)據(jù)可以看出，6號(hào)機(jī)組廠房明管段實(shí)測(cè)靜態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值在49～64 MPa范圍內(nèi)。根據(jù)《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》，廠房?jī)?nèi)明管段許用應(yīng)力為143 MPa（0.44σs）。因此，機(jī)組各測(cè)點(diǎn)靜態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值均在許用應(yīng)力值范圍內(nèi)。

由于實(shí)測(cè)的水位173.61 m與設(shè)計(jì)水位190.29 m有一定差距，下面就實(shí)測(cè)點(diǎn)在設(shè)計(jì)水位下的靜態(tài)應(yīng)力進(jìn)行反演計(jì)算。

圖2　6號(hào)機(jī)組廠房明管貼片布置圖

根據(jù)上面的反演計(jì)算公式得設(shè)計(jì)水位下的靜態(tài)應(yīng)力值，見(jiàn)表9。6號(hào)機(jī)組廠房明管段設(shè)計(jì)工況靜態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值在63～83 MPa范圍內(nèi)。機(jī)組各測(cè)點(diǎn)當(dāng)量應(yīng)力值均在許用應(yīng)力值143 MPa（0.44σs）范圍內(nèi)。

表9　廠房明管段靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)

6.3機(jī)組甩負(fù)荷動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，本次對(duì)6號(hào)機(jī)組的廠房明管段進(jìn)行了25 %、50 %、75 %和100 %的甩負(fù)荷動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)。動(dòng)態(tài)應(yīng)力試驗(yàn)是通過(guò)水輪機(jī)分別在上述負(fù)荷下工作正常后，在短時(shí)間內(nèi)甩掉負(fù)荷，使水輪機(jī)的導(dǎo)葉關(guān)閉，鋼管的受力變化產(chǎn)生的。檢測(cè)工況為進(jìn)水口水位173.08 m，尾水出水口水位103.65 m。實(shí)際作用水頭69.43 m。6號(hào)機(jī)組鋼管內(nèi)充滿水時(shí)，儀器調(diào)零，并開(kāi)始記錄，機(jī)組開(kāi)機(jī)、帶負(fù)荷、甩負(fù)荷25%，甩負(fù)荷50 %，甩負(fù)荷75 %，甩負(fù)荷100 %。

6號(hào)機(jī)組25 %甩負(fù)荷情況下，廠房明管測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)最大動(dòng)態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值為10.7 MPa，蝸殼進(jìn)口中心壓力最大值為824.6 kPa。50 %甩負(fù)荷情況下，實(shí)測(cè)最大動(dòng)態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值為10.4 MPa，對(duì)應(yīng)蝸殼進(jìn)口中心壓力最大值為8 836.1 kPa。75 %甩負(fù)荷情況下實(shí)測(cè)最大動(dòng)態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值為11.0 MPa，對(duì)應(yīng)蝸殼進(jìn)口中心壓力最大值為837.7 kPa。100 %甩負(fù)荷情況下，實(shí)測(cè)最大動(dòng)態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值為11.4 MPa，對(duì)應(yīng)蝸殼進(jìn)口中心壓力最大值為838.5 kPa。

6.4結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

6號(hào)機(jī)組25 %甩負(fù)荷過(guò)程，4測(cè)點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力值為64 MPa，動(dòng)態(tài)應(yīng)力值為10.7 MPa，應(yīng)力變化相對(duì)值ξ1=10.7/64=0.17。機(jī)組50 %甩負(fù)荷過(guò)程，4測(cè)點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力值為64 MPa，動(dòng)態(tài)應(yīng)力值為10.4 MPa，應(yīng)力變化相對(duì)值ξ2=10.4/64=0.16。機(jī)組75%甩負(fù)荷過(guò)程，4測(cè)點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力值為64MPa，動(dòng)態(tài)應(yīng)力值為11.0MPa，應(yīng)力變化相對(duì)值ξ3=11.0/64=0.17。機(jī)組100 %甩負(fù)荷過(guò)程，4測(cè)點(diǎn)靜態(tài)應(yīng)力值為64 MPa，動(dòng)態(tài)應(yīng)力值為11.4 MPa，應(yīng)力變化相對(duì)值ξ4=11.4/64=0.18。

檢測(cè)工況與設(shè)計(jì)工況的水頭有一定差距，現(xiàn)估算6號(hào)機(jī)組廠房明管段在實(shí)測(cè)水位100 %甩負(fù)荷和設(shè)計(jì)水位100 %甩負(fù)荷工況下的工作應(yīng)力，并得出相關(guān)結(jié)論。其它工況就不再作進(jìn)一步的反演。動(dòng)態(tài)工作應(yīng)力系數(shù)k=1+ξ4=1.18。將表9中4號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)乘動(dòng)態(tài)工作應(yīng)力系數(shù)列表10?？闯?號(hào)機(jī)組的廠房?jī)?nèi)明管段實(shí)測(cè)工況下最大當(dāng)量工作應(yīng)力值76 MPa，設(shè)計(jì)工況下最大當(dāng)量工作應(yīng)力值98 MPa，均小于許用應(yīng)力143 MPa。

表10　6號(hào)機(jī)組廠房明管段鋼管的工作應(yīng)力一覽表

6.5結(jié)構(gòu)應(yīng)力測(cè)試結(jié)論

從現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及表9、表10可以看出，6號(hào)機(jī)組廠房明管段在本次測(cè)試工況下最大當(dāng)量靜態(tài)應(yīng)力64 MPa，反演計(jì)算得設(shè)計(jì)工況下最大當(dāng)量靜態(tài)應(yīng)力76 MPa，應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力。通過(guò)對(duì)6號(hào)機(jī)組25 %、50 %、75 %和100 %甩負(fù)荷試驗(yàn)，應(yīng)力變化相對(duì)值最大值出現(xiàn)在100 %甩負(fù)荷工況下。在100 %甩負(fù)荷工況時(shí)，本次應(yīng)力變化相對(duì)值最大值為ξ4=0.18，試驗(yàn)6號(hào)機(jī)組100 %甩負(fù)荷試驗(yàn)

工況下的最大當(dāng)量工作應(yīng)力76 MPa，通過(guò)反演計(jì)算，設(shè)計(jì)工況下，6號(hào)機(jī)組最大當(dāng)量工作應(yīng)力為100%甩負(fù)荷工況下的98 MPa，以上應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力。

7安全檢測(cè)評(píng)估與結(jié)論

6號(hào)機(jī)組引水系統(tǒng)中的鋼管、蝸殼及尾水管存在不同程度的局部銹蝕，但銹蝕速率小于正常年平均銹蝕速率。鋼管及蝸殼的材質(zhì)檢測(cè)結(jié)果與圖紙復(fù)查材質(zhì)的結(jié)果一致。6號(hào)機(jī)蝸殼和引水壓力鋼管焊縫經(jīng)超聲波檢測(cè)共發(fā)現(xiàn)27處超標(biāo)缺陷，但從缺陷性質(zhì)看均為建設(shè)安裝時(shí)遺留的缺陷，屬非即時(shí)危害性缺陷。6號(hào)機(jī)組廠房明管段測(cè)試工況下和反演計(jì)算的設(shè)計(jì)工況下最大當(dāng)量靜態(tài)應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力；甩負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)工況下和設(shè)計(jì)工況下最大當(dāng)量工作應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力。

對(duì)6號(hào)機(jī)引水系統(tǒng)的壓力鋼管及蝸殼進(jìn)行了外觀狀態(tài)檢測(cè)、材料復(fù)核、焊縫超聲波探傷、結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)和分析結(jié)果表明：6號(hào)機(jī)引水壓力鋼管及蝸殼基本能滿足機(jī)組從原先50 MW擴(kuò)容至55 MW在正常運(yùn)行時(shí)的安全需要。由于建設(shè)安裝時(shí)遺留的焊縫超標(biāo)缺陷，為了確保安全，需在機(jī)組檢修時(shí)進(jìn)行定期跟蹤監(jiān)測(cè)。并隨著機(jī)組服役年限的增加而縮短跟蹤監(jiān)測(cè)周期，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷性質(zhì)的變化。

作者簡(jiǎn)介：李德紅（1976-），男，高級(jí)工程師，從事水電機(jī)械技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015-05-26

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.013

中圖分類(lèi)號(hào)：TV732.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2016）03-0043-05