張 平

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）

0 引言

五強溪水電廠位于湖南省沅陵縣境內(nèi)的沅水干流上，全廠裝機5×250 MW。5臺機組壓力鋼管運行均接近20年，可能存在隱患或帶病運行。為保證整個電廠的安全，防止壓力鋼管局部破裂出現(xiàn)大量漏水事故，有必要對其進行安全檢測與評估。

電廠5臺機組設置獨立的引水壓力鋼管。4號機組壓力鋼管長83.89 m，直徑11.2 m，設上游段、下彎段、水平段、伸縮節(jié)及廠內(nèi)延伸段。自上游段至下彎段設計用18～22 mm/16Mn鋼板。水平段用36 mm/SM58Q高強鋼板，伸縮節(jié)及廠內(nèi)延伸段為40 mm/62U高強鋼板。為進一步了解設備長時間運行后的安全情況，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的各種缺陷，對4號機壓力鋼管進行安全檢測與評估。

1 檢測范圍及內(nèi)容

檢測范圍：4號機壓力鋼管下彎段、水平段、伸縮節(jié)及廠內(nèi)延伸段。檢測內(nèi)容:外觀檢測、銹蝕量檢測、材質檢測、焊縫無損探傷、靜應力檢測、動應力檢測等。

2 外觀及腐蝕情況檢測

2.1 概述

外觀檢查是以目測為主，配合使用測量工具，對壓力鋼管的外觀形態(tài)和銹蝕狀況進行檢查。外觀形態(tài)檢查主要檢查鋼管管壁、伸縮節(jié)及焊縫區(qū)的滲漏，鋼管管壁表面損傷及明顯變形，焊縫表面缺陷及其異常情況等。銹蝕狀況檢查是對鋼管各管段的銹蝕分布、銹蝕面積及銹蝕部位等進行描述，評定各部位的銹蝕程度。

2.2 外觀檢查

對壓力鋼管內(nèi)部及明管段外部進行檢查，檢查結果表明壓力鋼管外觀形態(tài)完好，無明顯移位、變形和損傷，鋼管表面涂層基本完好，埋管外包混凝土未發(fā)現(xiàn)明顯掏空現(xiàn)象。主要存在以下問題：

（1）加筋環(huán)焊縫以及加筋環(huán)與鋼管聯(lián)接焊縫、鋼管內(nèi)壁局部存在焊瘤、咬邊、孔眼、凹坑、飛濺物等外觀缺陷；伸縮節(jié)內(nèi)部蓋板密封焊縫成型質量差，存在焊瘤、咬邊等問題。

（2）廠房明管段鋼管外壁銹蝕主要發(fā)生在加筋環(huán)支撐點及鋼管與上下游側墻聯(lián)接部位，主要以銹坑、銹跡斑形式分布，局部密集成片分布，銹坑深度為 1.0～1.5 mm。

（3）加勁環(huán)支撐點搭接焊縫存在裂紋，明管段下游側墻體開裂。

（4）鋼管內(nèi)壁一般銹蝕或較重銹蝕，管壁表面分布有銹斑、銹包或較深的點銹坑，在100 mm×100 mm范圍內(nèi)約有40個銹坑，坑深為0.4～2.9 mm。

2.3 銹蝕量檢測

根據(jù)鋼管管壁的銹蝕程度和銹蝕部位，銹蝕量檢測采用數(shù)字超聲波測厚儀、測針和涂層厚度測定儀等儀器和工具進行。對壓力鋼管內(nèi)壁及明管段外壁進行蝕余厚度測量，計算出銹蝕量與銹蝕速度（見表 1、表 2）。

圖1 壓力鋼管分段與編號

表1 鋼管內(nèi)壁銹蝕量檢測結果

表2 明管段外壁銹蝕量檢測結果

3 材料檢測

3.1 材料合金分析

試驗前，先對試樣表面進行處理，清除試樣表面污垢、涂層、銹蝕等雜物，然后進行成分分析，測試出試樣化學成分的百分含量（見表3、表4）。

表3 伸縮節(jié)合金成分測試結果

表4 水平段合金成分測試結果

3.2 材料硬度與抗拉強度檢測

硬度和抗拉強度檢測使用HLN-11A型里氏硬度計在現(xiàn)場進行測試，儀器將硬度測試值自動轉換成相應的抗拉強度值，硬度和抗拉強度值測試一次完成。測試結果見表5。

表5 硬度及抗拉測試結果

4 焊縫無損探傷

雖然壓力鋼管在制造安裝階段已對焊縫進行過較為嚴格的探傷，但經(jīng)長期運行后，在荷載作用下焊縫有可能產(chǎn)生新的缺陷，原先經(jīng)檢查在容許范圍內(nèi)的缺陷亦有可能擴展。焊接缺陷會降低焊縫的抗拉強度、延伸率、沖擊韌性和疲勞強度，故需要對焊縫進行抽檢探傷。

4號機壓力鋼管焊縫超聲探傷檢測按文獻【2】要求執(zhí)行，一類焊縫：超聲波探傷應不少于20%；二類焊縫：超聲波探傷應不少于10%；發(fā)現(xiàn)裂紋時應根據(jù)具體情況在裂紋的延伸方向增加探傷長度，直至全長。其中鋼管縱焊縫為一類焊縫，環(huán)焊縫為二類焊縫，本次壓力鋼管共檢測一類焊縫25 m，二類焊縫256 m，檢測比例均大于規(guī)程要求。具體檢測位置及長度如下頁圖2所示。

4.1 超聲波檢測結果

對鋼管焊縫進行超聲波探傷抽查，對接焊縫主要抽查T形焊縫，抽查焊縫總長281 m，檢測未發(fā)現(xiàn)超標缺陷。

4.2 磁粉檢測結果

對鋼管焊縫及伸縮節(jié)內(nèi)部密封擋水板焊縫進行磁粉探傷抽查。對接焊縫主要抽查T形焊縫，抽查焊縫總長281m；內(nèi)部密封擋水板焊縫抽查下部，抽查長20 m。檢測發(fā)現(xiàn)4處裂紋。

（1）人孔門下游第二條環(huán)焊縫右岸側距底部約3 000 mm處，焊縫融合線上存在一條長16 mm、深5 mm的裂紋。

（2）人孔門下游第二條環(huán)焊縫右岸側距底部約3 000 mm處，焊縫融合線上存在一條長14 mm、深8 mm的裂紋。

（3）伸縮節(jié)上游第三條環(huán)焊縫右岸側，丁字焊縫上方100 mm處，焊縫融合線上存在一條長10 mm、深7 mm的裂紋。

（4）伸縮節(jié)下游第一條環(huán)焊縫右岸側距底部5 000 mm處，距焊縫熔合線10 mm處的母材上有一條長5 mm、深3 mm的裂紋。

針對上述檢測發(fā)現(xiàn)的缺陷，已將裂紋打磨至消除，使用che507焊條堆焊處理并打磨平滑，經(jīng)探傷合格。

4.3 著色檢測結果

對引水管段伸縮節(jié)內(nèi)部密封擋水板整圈異種鋼焊縫進行著色檢測，長約81 m。未發(fā)現(xiàn)表面開口缺陷。

圖2 焊縫檢測示意圖（虛線為壓力鋼管底部）

5 應力檢測

壓力鋼管運行多年后，受磨蝕、銹蝕、變形等因素的影響，其結構強度與設計狀態(tài)相比將有所下降，運行的可靠性降低。為了解在役壓力鋼管的應力狀況，有必要對鋼管進行應力檢測。

5.1 檢測方法

應力檢測采用電測法，分為靜應力檢測和動應力檢測，檢測部位為廠房明管段。靜應力檢測是檢測在靜水壓力作用下鋼管管壁的應力；動應力檢測是檢測機組甩負荷產(chǎn)生水錘壓力時鋼管的應力。結構應力檢測采用電阻應變計、動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)及筆記本微機等設備。結構應力檢測系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 結構應力檢測系統(tǒng)框圖

5.2 測點布置

鋼管靜、動應力檢測的測點布置在鋼管與側墻聯(lián)接處附近（A-A斷面）、伸縮節(jié)下游側附近（B-B斷面）、伸縮節(jié)上游側附近（C-C斷面）、加強勁附近（D-D斷面）等四個斷面。每個斷面對稱布置4個三向測點，四個斷面共布置16個三向測點，測點的具體位置如圖4所示。

5.3 檢測工況

（1）靜應力檢測荷載為作用于鋼管的靜水壓力。鋼管檢測時，水庫水位105 m，作用于鋼管的水頭為55 m（鋼管中心高程為50.0 m）。

（2）動應力檢測荷載為作用于鋼管的靜水壓力和水錘壓力。鋼管檢測甩負荷工況為：

工況一：機組甩50%額定負荷（131.3 MW）。

工況二：機組甩75%額定負荷（186.5 MW）。

工況三：機組甩實際最大負荷（244.5 MW）。

5.4 檢測數(shù)據(jù)處理依據(jù)

單向測點應力與應變的關系為：Eσε=三向測點應力與應變的關系式為：

圖4 明管測點布置示意

式中：

σ—單向測點的應力；

σθ、σx—分別為三向測點的環(huán)向應力、軸向應力（θ、x方向分別與 εA、εc方向一致）；

τθx—三向測點的剪應力；

τmax—三向測點的最大剪應力；

E—鋼材的彈性模量（E=2.06×105MPa）；

μ—鋼材的泊松比（μ=0.30）；

ε—單向測點的應變；

εA、εB、εC、—分別為三向測點沿環(huán)向、與軸向成45o方向、軸向的應變值。

三向測點的等效應力（σeq）計算公式為：

5.5 檢測成果與分析

在實測水位下，鋼管最大環(huán)向應力為85.9 MPa，最大等效應力為92.3 MPa；機組甩50%額定負荷時，鋼管最大環(huán)向應力為97.1 MPa，最大等效應力為104.0 MPa；機組甩75%額定負荷時，鋼管最大環(huán)向應力為107.9 MPa，最大等效應力為116.3 MPa；機組甩實際最大負荷時，鋼管最大環(huán)向應力為113.4 MPa，最大等效應力為121.2 MPa。最大環(huán)向應力點均出現(xiàn)在A-A斷面的1號測點，最大等效應力點均出現(xiàn)在B-B斷面的2號測點。

圖5給出了動應力實測典型過程曲線（相對于凈水壓力下測點應力變化），圖中四個曲線分別為機組甩75%負荷時3號環(huán)向和軸向應變，11號軸向應變和12號與軸向成45o方向應變曲線。

圖5 動應力實測典型過程線

依據(jù)文獻【3】規(guī)定的承載能力極限狀態(tài)設計原則可知：鋼管62 U材質、SM58 Q材質的的整體膜應力區(qū)、局部應力區(qū)的抗力限值如表6所示。

表6 硬度及抗拉測試結果

6 有限元復合計算與分析

為確定實測應力值的可靠性及準確度，需要對壓力鋼管進行有限元復核計算與分析。

6.1 水錘計算

6.1.1 水錘波傳播速度的確定

水錘波的傳播速度與管壁材料、厚度、管徑以及水的彈性模量等有關。其傳播速度可表示為：

式中：Ew—水的體積彈性模量，2.1×107MPa；

K—管道的抗力系數(shù)；

g—重力加速度。

根據(jù)以上公式，可以求出管道中水錘傳播速度，水錘波速約等于1 000 m/s。6.1.2水錘形式的確定

水錘的產(chǎn)生形式有直接水錘和間接水錘，直接水錘是水電站必須避免的。間接水錘是指當閥門關閉過程結束前，水庫異號反射回來的降壓波已到達閥門處。進行水錘計算，關鍵是求出其最大值。

第一相水錘可以按以下公式進行計算：

式中：γ-分項系數(shù)，取1.1；ρ、σ-管道的特性系數(shù)。

式中：Ts-導葉總關閉時間；L-管道總長；v-流速。

末相水錘可以按以下公式計算：

經(jīng)計算，第一相水錘為在最大水頭下丟棄全負荷的間接水錘。在實測水位（55 m）下甩最大負荷，最大水錘壓力作用水頭為18.9 m；在設計洪水位（60.1 m）下甩最大負荷，最大水錘壓力作用水頭為18.7 m。在其他參數(shù)一定情況下，作用水頭越大，管道特性系數(shù)σ越小，第一相水錘越小，所以在設計洪水位下的第一相水錘小于實測水位下的第一相水錘。

6.2 有限元模型

6.2.1 單元劃分

根據(jù)廠房明管段鋼管的結構形式和受力特點，對伸縮節(jié)上游側、下游側鋼管分別進行計算。壓力鋼管是典型的空間薄壁結構體系，因此將鋼管離散為板殼單元。鋼管伸縮節(jié)上游側鋼管計算模型的節(jié)點總數(shù)為52 560個，單元總數(shù)為17 280個；伸縮節(jié)下游側鋼管計算模型的節(jié)點總數(shù)為19 920個，單元總數(shù)為6 480個；鋼管明段有限元計算模型如圖6所示。

圖6 鋼管明管段有限元計算模型

6.2.2 約束處理

伸縮節(jié)上游側鋼管與混凝土墻體直接聯(lián)接和伸縮節(jié)為徑向簡支約束，加筋環(huán)為徑向約束，加勁環(huán)上2個支撐點為固定約束，伸縮節(jié)下游側鋼管與混凝土墻體直接聯(lián)接為固定約束，伸縮節(jié)一端為徑向約束。

6.2.3 鋼管幾何尺寸與材料特性

鋼管構件的外形尺寸按設計圖紙并結合實測尺寸取用，鋼管構件的厚度采用現(xiàn)場實測的蝕余厚度。壓力鋼管明管段材質為62U和SM58Q，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比 μ=0.3，容重 γ=78 kN/m3。62 U的屈服強度和抗拉強度分別為585 MPa和621 MPa，SM58 Q的屈服強度和抗拉強度分別為509.9 MPa和 617.8 MPa。

6.3 應力計算結果與分析

應力計算工況主要考慮作用于鋼管的水壓力、鋼管自重及甩負荷的水錘壓力，作用水頭值依照水錘形式確定計算值。

6.3.1 強度評判標準

依據(jù)文獻【3】規(guī)定，按承載能力極限狀態(tài)設計原則，鋼管各點的應力應滿足：

按第四強度理論，鋼管各點的應力為Mises等效應力，其計算式為：R

σ 按下式計算：

式中：seqvσ—鋼管結構構件的Von Mises等效應力；Rσ—鋼管結構構件的抗力限值；θσ—環(huán)向正應力；xσ—軸向正應力；xθτ—剪應力；0γ—結構重要性系數(shù)，取1.1；ψ—設計狀況系數(shù)，取1.0；dγ—結構系數(shù)，主廠房內(nèi)的明管，dγ宜增大10%～20%。整體膜應力區(qū)取1.76，局部應力區(qū)取1.21；f—鋼材強度設計值。壓力鋼管的抗力限值列于表6。

6.3.2 應力計算成果與分析

在靜水壓力（工況一）、實測水位下機組甩額定負荷（工況二）、設計洪水位下機組甩額定負荷（工況三）時鋼管管壁的Mises等效應力云圖如圖7所示。

圖7 鋼管管壁的Mises等效應力云圖（單位：Pa）

三種工況下鋼管管壁最大Mises等效應力計算結果列于表7。

表7 廠房明管段管壁最大Mises等效應力

由有限元計算結果可知，在靜水壓力、實測水位下機組甩額定負荷、設計洪水位下機組甩額定負荷時鋼管的最大Mises等效應力均小于抗力限值。

6.4 有限元計算成果與實測成果比較分析

鋼管應力檢測是根據(jù)鋼管的結構特點及工況，在鋼管的特征斷面布置測點，因而，應力檢測只能測表面一點處的應力狀況，而鋼管整體的應力狀況只能通過有限元分析計算才能得到。為了解鋼管應力檢測和有限元分析計算成果的準確性，有必要對檢測與計算成果進行比較。

在工況一的實測水位下，和廠房明管段鋼管各測點的等效應力檢測成果與有限元計算結果列于表8。

表8 鋼管明管段各測點的計算應力和實測應力

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知：在鋼管的16個測點中，實測應力與計算應力相對差值超過10%以上的測點僅有3個；相對最大差值為19.4%，出現(xiàn)在6號測點。相對最小差值為1.6%，出現(xiàn)在2號測點。廠房明管段鋼管的實測應力與計算應力差異均較小，檢測成果與有限元計算成果互為驗證，表明檢測成果和計算成果是可信的。

7 檢測結果綜合分析

用定量光譜儀及硬度計對明管段的化學成分及硬度進行檢測，結果表明明管段材料成分和性能與設計相符。

明管段鋼管靜應力檢測（水頭55 m）結果表明，最大等效應力值為材料抗力限值的35.2%；動應力檢測（水頭55 m，分三個工況：機組甩50%，75%和100%額定負荷）結果表明，最大等效應力值為材料抗力限值的46.3%。同一測點在甩滿負荷時的等效應力均高于靜應力檢測中的等效應力，應力水平最高差44%，差值為28.9 MPa。

對明管段的實測應力與有限元計算應力進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者相對差值最大為19.5%，最小為1.6%，相對差值高于10%的測點僅4個，低于5%的測點有7個，結果表明有限元計算結果與實測應力結果有一定的吻合性。

8 結論

綜上分析認為，五強溪水電站4號機組引水系統(tǒng)壓力鋼管安全等級評定合格。

鋼管應力檢測和有限元仿真計算結果表明，明管段在洪水位下甩負荷時，在明管段的混凝土墻體、伸縮節(jié)及加勁環(huán)等附近部位應力水平較高，達到材料抗力限值74.4%?？紤]到鋼管結構局部的不連續(xù)性及腐蝕、焊接等缺陷，局部區(qū)域會產(chǎn)生應力集中，有可能達到甚至超過材料的屈服極限，在機組負荷變化引起的水錘壓力交變作用下，鋼管長時運行，局部區(qū)域有可能產(chǎn)生疲勞裂紋并致破壞，應加強該區(qū)域部位的定期檢測與巡查。同時處理好鋼管內(nèi)壁裂紋、伸縮節(jié)下游墻體開裂、加筋環(huán)支撐點裂紋及局部腐蝕等問題。

參考文獻：

[1]楊光明，鄭圣義，夏仕鋒. 水電站壓力鋼管安全檢測與評估研究 [J].水力發(fā)電學報，2005（05）.

[2] GB11345-2013鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果分級[S].

[3] DL/T5141-2001水電站壓力鋼管設計規(guī)范[S].