翁國(guó)平，黃全福，方家祥

（1.杭州匯安電力工程技術(shù)有限公司，浙江杭州310004；2.福建省金湖電力有限責(zé)任公司，福建福州353300）

1 機(jī)組引水壓力鋼管概況及評(píng)價(jià)研究方法概述

某電站共有6臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組裝機(jī)5萬(wàn)kW，引水壓力鋼管采用一機(jī)一管的壩后埋管型式，主要特性如下：壓力鋼管總長(zhǎng)73 m、壓力鋼管直徑4.0～4.5 m、鋼管壁厚14～22 mm、鋼管材質(zhì)Q345（16 Mn）、設(shè)計(jì)水位190.29 m、機(jī)組中心線高程99.60 m。該電站的4號(hào)機(jī)組于1986年投運(yùn)，引水壓力鋼管至今已運(yùn)行近25 a。引水壓力鋼管當(dāng)年建設(shè)安裝時(shí)焊縫遺留有超標(biāo)缺陷，為了解遺留超標(biāo)缺陷的引水壓力鋼管在運(yùn)行25 a后的實(shí)際安全狀況，跟蹤監(jiān)測(cè)遺留超標(biāo)缺陷的性質(zhì)變化，及時(shí)發(fā)現(xiàn)引水壓力鋼管可能存在的其它安全隱患，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性和可靠性，延長(zhǎng)引水壓力鋼管安全服役時(shí)間，對(duì)引水壓力鋼管進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)研究。

引水壓力鋼管安全性評(píng)價(jià)研究的方法是結(jié)合4號(hào)機(jī)組擴(kuò)大性大修，對(duì)4號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管進(jìn)行了影響安全運(yùn)行的外觀、腐蝕狀態(tài)、金屬材料性能及焊縫質(zhì)量狀況檢測(cè)，并對(duì)引水鋼管明管段在實(shí)際水頭工況下進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試。然后，結(jié)合外觀腐蝕狀態(tài)、金屬材料性能及焊縫質(zhì)量狀況測(cè)試結(jié)果對(duì)引水壓力鋼管進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元復(fù)核計(jì)算分析，并將結(jié)構(gòu)有限元復(fù)核計(jì)算分析成果與引水鋼管明管段靜、動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試成果進(jìn)行比較研究，得出比較研究成果，綜合上述成果對(duì)引水壓力鋼管做出科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩栽u(píng)價(jià)。

2 機(jī)組引水壓力鋼管外觀狀態(tài)及其材料性能檢測(cè)

檢查引水壓力鋼管的伸縮節(jié)、下彎管、下平段、斜直段，發(fā)現(xiàn)引水壓力鋼管內(nèi)壁狀態(tài)良好，表面無(wú)裂紋、磨蝕和鼓包現(xiàn)象；檢查鋼管外圍混凝土，未發(fā)現(xiàn)具有即時(shí)危害性的面積較大脫空現(xiàn)象；將鋼管內(nèi)壁表面清除干凈后，發(fā)現(xiàn)局部有密集的銹蝕坑，蝕坑深度小于1 mm，鋼管明管段外表面有明顯銹蝕。經(jīng)檢測(cè)鋼管腐蝕屬于一般銹蝕，年平均銹蝕速率小于碳鋼的正常年平均銹蝕速率。鋼管管壁的蝕余厚度在初始厚度上減薄小于1.0 mm。

鋼管材料性能測(cè)試采用復(fù)查竣工驗(yàn)收資料和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試相結(jié)合的辦法。經(jīng)復(fù)查原設(shè)計(jì)圖紙和竣工驗(yàn)收資料，引水壓力鋼管各管段材質(zhì)：下水平段及下彎管為厚度16 mm的Q345、漸變段為厚度18～22 mm的Q345、斜直段為厚度14～20 mm的Q345。將在各管段測(cè)得的布氏硬度通過(guò)抗拉強(qiáng)度與布氏硬度的換算經(jīng)驗(yàn)公式σb=0.325gHB（16 Mn）進(jìn)行換算，得抗拉強(qiáng)度為490～640 MPa，其值與同厚度新鮮Q345板材σb比較無(wú)明顯區(qū)別，表明引水壓力鋼管的材料性能經(jīng)25 a的運(yùn)行無(wú)明顯折減。

3 機(jī)組引水壓力鋼管焊縫質(zhì)量現(xiàn)狀檢測(cè)

機(jī)組引水壓力鋼管焊縫質(zhì)量現(xiàn)狀檢測(cè)采用超聲波探傷。超聲波探傷的儀器為PXUT-350+超聲波探傷儀、探頭型號(hào)2.5P×K2.0、標(biāo)定試塊型號(hào)為CSK-IA和RB-2、耦合劑為漿糊、探測(cè)靈敏度為DAC-16dB。焊縫超聲波探傷操作遵照GB/T 11345-1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及探傷結(jié)果分級(jí)》執(zhí)行，焊縫缺陷判斷按DL/T5017-2007《壓力鋼管制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》的要求，對(duì)4號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管焊縫按100%比例進(jìn)行超聲波檢測(cè)。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)引水壓力鋼管斜直段焊縫存在18處超標(biāo)缺陷，最長(zhǎng)缺陷連續(xù)長(zhǎng)度為450 mm；檢測(cè)發(fā)現(xiàn)引水壓力鋼管水平段存在4處超標(biāo)缺陷；檢測(cè)發(fā)現(xiàn)引水壓力鋼管伸縮節(jié)下節(jié)縱縫處存在1處超標(biāo)缺陷。上述缺陷的存在將對(duì)引水壓力鋼管的安全穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成一定的隱患，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，連續(xù)的多個(gè)超標(biāo)缺陷需作返修處理。因機(jī)組已穩(wěn)定運(yùn)行25 a，如對(duì)檢出的超標(biāo)缺陷作返修處理，工程量十分巨大，而且也沒(méi)有十分可靠的施工工藝和可行的處理方案能確保返修處理結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。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，屬非即時(shí)危害性缺陷，并且經(jīng)25 a的運(yùn)行，缺陷性質(zhì)也沒(méi)有發(fā)展變化。在沒(méi)有可靠穩(wěn)妥的施工工藝和可行的處理方案的情況下，對(duì)存在超標(biāo)缺陷的部位進(jìn)行定期跟蹤監(jiān)測(cè)，跟蹤缺陷性質(zhì)是否發(fā)生變化，不失為一種安全、經(jīng)濟(jì)、可行的科學(xué)處理方法。

4 引水壓力鋼管結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)

引水壓力鋼管結(jié)構(gòu)受力狀況對(duì)其安全至關(guān)重要。4號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管采用壩后埋管形式，只有蝸殼上游側(cè)的廠房水平段為明管，便于布設(shè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，且此段運(yùn)行狀況最為惡劣。

引水壓力鋼管結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)包括壓力鋼管充水時(shí)的靜態(tài)應(yīng)力檢測(cè)和機(jī)組甩負(fù)荷動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)。

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斷面布設(shè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(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)力變化，溫度補(bǔ)償采用共用補(bǔ)償。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上部測(cè)點(diǎn)和左側(cè)面測(cè)點(diǎn)兩測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)點(diǎn)的溫度補(bǔ)償采用單片的一對(duì)一補(bǔ)償。

引水壓力鋼管結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力檢測(cè)工況：進(jìn)水口水位173.87 m，鋼管軸線的安裝高程99.60 m，實(shí)際作用水頭74.27 m。

測(cè)試過(guò)程：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啟4號(hào)進(jìn)水口閘門，上游水位即為庫(kù)水位，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)。廠房明管段的材料為Q345（16 Mn），取E=2.06×105MPa，μ=0.3。測(cè)試應(yīng)變儀靈敏度系數(shù)η=2.18，應(yīng)變計(jì)靈敏系數(shù)η1=2.18。

對(duì)三向應(yīng)變片：

主應(yīng)力

當(dāng)量應(yīng)力采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算，有限元計(jì)算也采用該理論，以便進(jìn)行比較。

4號(hào)機(jī)組引水鋼管廠房明管段實(shí)測(cè)靜態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值在50～60 MPa范圍內(nèi)。具體數(shù)值見表1。

由于實(shí)測(cè)水位173.87 m與設(shè)計(jì)水位190.29 m有一定差距，對(duì)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。設(shè)計(jì)水位的應(yīng)力值為實(shí)測(cè)應(yīng)力值乘以設(shè)計(jì)水位與實(shí)測(cè)水位比值所得。反演計(jì)算出設(shè)計(jì)水位下的靜態(tài)應(yīng)力在60～75 MPa之間，根據(jù)DL/T5141-2001《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（0.44 σs）。因此，機(jī)組各測(cè)點(diǎn)在實(shí)測(cè)和設(shè)計(jì)水位下的靜態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值均在許用應(yīng)力值范圍內(nèi)。

表1 廠房明管段靜態(tài)應(yīng)力測(cè)試和設(shè)計(jì)水位的推測(cè)數(shù)據(jù)/MPaTable 1:Static stress test and FEM analysis on design water level of exposed pipe

引水壓力鋼管甩負(fù)荷動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)：進(jìn)水口水位173.78 m，鋼管軸線的安裝高程99.60 m，實(shí)際作用水頭74.18 m。

在引水壓力鋼管甩負(fù)荷動(dòng)態(tài)應(yīng)力檢測(cè)過(guò)程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，對(duì)機(jī)組引水壓力鋼管的廠房明管段進(jìn)行了25%、50%、75%和100%額定出力時(shí)的甩負(fù)荷應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)。甩負(fù)荷工況是水輪機(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)葉快速關(guān)閉，鋼管的受力發(fā)生變化。

測(cè)試過(guò)程：4號(hào)機(jī)組鋼管內(nèi)充滿水時(shí)，儀器調(diào)零，并開始記錄，機(jī)組開機(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%。

測(cè)試得機(jī)組25%甩負(fù)荷情況下，應(yīng)力變化相對(duì)值ξ1=0.20；50%甩負(fù)荷情況下，應(yīng)力變化相對(duì)值ξ2=0.20；75%甩負(fù)荷情況下，應(yīng)力變化相對(duì)值ξ3=0.22；100%甩負(fù)荷情況下，應(yīng)力變化相對(duì)值ξ4=0.24。

檢測(cè)工況水頭與設(shè)計(jì)水頭有一定差距，因最大應(yīng)力變化相對(duì)值ξ4發(fā)生在100%額定出力甩負(fù)荷工況時(shí)，所以只分別估算具有典型意義的實(shí)測(cè)水位和設(shè)計(jì)水位100%額定出力時(shí)甩負(fù)荷工況下的工作應(yīng)力，并得出相關(guān)結(jié)論，其它工況不再作進(jìn)一步反演。

動(dòng)態(tài)工作應(yīng)力系數(shù)k=1+ξ4=1.24。

4號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管廠房明管段測(cè)試工況下最大當(dāng)量靜態(tài)應(yīng)力59 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73 MPa；通過(guò)反演計(jì)算，設(shè)計(jì)水頭工況下，4號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管廠房明管段100%甩負(fù)荷最大當(dāng)量工作應(yīng)力為91 MPa，以上應(yīng)力值均小于材料的許用應(yīng)力143 MPa。

表2 4號(hào)機(jī)組廠房明管段鋼管在設(shè)計(jì)水頭下的工作應(yīng)力一覽表/MPaTable 2:Working stress on design water level of exposed pipe of Unit 4

5 引水壓力鋼管結(jié)構(gòu)有限元分析

根據(jù)實(shí)際引水壓力鋼管的結(jié)構(gòu)特性，4號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管結(jié)構(gòu)有限元分析采取了整體建模計(jì)算的辦法。引水壓力鋼管有限元計(jì)算分析中，對(duì)各段模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，鋼管在約束的處理上也進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即對(duì)鋼筋混凝土內(nèi)的剛性環(huán)作相應(yīng)的限制處理，而每?jī)蓚€(gè)剛性環(huán)之間的管面讓其自由，這實(shí)際上減少了管件的約束，計(jì)算結(jié)果偏安全。

模型介紹：鋼管模型尺寸按照?qǐng)D紙。鋼管有限元模型節(jié)點(diǎn)總數(shù)為25829，單元總數(shù)為22981。約束處理：水泥結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼管上的剛性環(huán)處限制其軸向和徑向自由度，每?jī)蓚€(gè)剛性環(huán)之間的管面自由，鋼管的入口處軸向位移約束。計(jì)算載荷：對(duì)壓力鋼管的正常蓄水位、設(shè)計(jì)水位、校核水位和實(shí)測(cè)水位四個(gè)工況進(jìn)行了計(jì)算。

受力為鋼管自重以及隨長(zhǎng)度不同而不斷變化的靜水壓力。水自重產(chǎn)生的壓力比入口端的靜水壓力小一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且隨著管長(zhǎng)的增加，水自重所占的比例將越來(lái)越小，可將其忽略。

結(jié)構(gòu)尺寸與材料特性：結(jié)構(gòu)的外形尺寸按設(shè)計(jì)圖紙取用。鋼管的主要結(jié)構(gòu)材料為Q345（16 Mn），取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。材料的屈服強(qiáng)度σs為345 MPa（δ≤16），325 MPa（16≤δ≤25）。根據(jù)引水壓力鋼管腐蝕測(cè)試結(jié)果，鋼管板厚為初始值減薄1.0 mm；根據(jù)焊縫現(xiàn)場(chǎng)探傷報(bào)告，對(duì)焊縫有缺陷處壁厚進(jìn)行了減薄3 mm處理。

根據(jù)DL/T5141-2001《水電站壓力鋼管設(shè)計(jì)規(guī)范》，各段不同壁厚的許用應(yīng)力見表3。

本文的工作應(yīng)力估算以測(cè)試的工作應(yīng)力系數(shù)作參考。由于計(jì)算為線彈性問(wèn)題，可近似將有限計(jì)算出的靜態(tài)應(yīng)力值乘工作應(yīng)力系數(shù)。反演計(jì)算工況為正常水位、設(shè)計(jì)水位和校核水位。壓力鋼管各工況最大當(dāng)量應(yīng)力與變形的計(jì)算數(shù)據(jù)結(jié)果見表4，均小于許用應(yīng)力值。

4號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管在機(jī)組100%甩負(fù)荷過(guò)程時(shí)動(dòng)態(tài)工作應(yīng)力值最大?，F(xiàn)將計(jì)算得出的壓力鋼管靜態(tài)值進(jìn)行100%甩負(fù)荷情況下工作應(yīng)力的反演計(jì)算，對(duì)壓力鋼管各段的安全情況進(jìn)行分析。

表3 各段材料許用應(yīng)力Table 3:Allowable stress of the material

應(yīng)力變化相對(duì)值ξ4=0.24，動(dòng)態(tài)工作應(yīng)力系數(shù)k=1+ξ4=1.24。

將各段各工況的計(jì)算靜態(tài)應(yīng)力進(jìn)行工作應(yīng)力估算，結(jié)果見表5。

從表中數(shù)據(jù)可知，鋼管各段均在校核水位下100%甩負(fù)荷產(chǎn)生最大工作應(yīng)力值，上彎管最大為100 MPa，直管段最大工作應(yīng)力為161 MPa，下彎管最大工作應(yīng)力值為165 MPa，小于埋管許用應(yīng)力值218 MPa；廠房明管最大工作應(yīng)力為140 MPa，小于明管許用應(yīng)力值143 MPa。

表4 壓力鋼管各段各工況下最大當(dāng)量應(yīng)力與變形一覽表Table 4:Maximum equivalent stress and maximum deformation in different conditions

6 理論計(jì)算與應(yīng)力試驗(yàn)的結(jié)果比較分析

測(cè)試時(shí)在廠房明管管壁處貼有四個(gè)三向應(yīng)變計(jì)，現(xiàn)將實(shí)測(cè)水位下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與相應(yīng)部位的計(jì)算應(yīng)力值進(jìn)行比較。試驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)基本吻合，表明計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值相符，均小于材料的許用應(yīng)力。

7 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)4號(hào)機(jī)組引水壓力鋼管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算分析，引水壓力鋼管的強(qiáng)度和剛度滿足安全運(yùn)行的要求，具備適當(dāng)?shù)陌踩６?。但在校核水位下?yīng)避免100%甩負(fù)荷的工況出現(xiàn)。

在焊縫超聲波探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)焊縫存在多處超標(biāo)缺陷，性質(zhì)均為建設(shè)安裝時(shí)遺留的缺陷，超標(biāo)缺陷性質(zhì)未發(fā)生變化（未發(fā)展為裂紋）。進(jìn)一步對(duì)焊縫超標(biāo)缺陷進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)有限元受力計(jì)算分析，超標(biāo)缺陷周圍的受力狀態(tài)無(wú)明顯改變，這些超標(biāo)缺陷在一定期限內(nèi)不會(huì)造成引水壓力鋼管的失效。所以在安全性平時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷并非一定需要進(jìn)行消缺處理，但為了確保安全，應(yīng)結(jié)合機(jī)組擴(kuò)大性大修時(shí)進(jìn)行定期系統(tǒng)檢測(cè)，一旦檢測(cè)發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷性質(zhì)出現(xiàn)變化的狀況，應(yīng)立即進(jìn)行修復(fù)。這不失為經(jīng)濟(jì)有效的方法?！?/p>

表5 各工況下各段工作應(yīng)力估算值Table 5:Working stresses in different conditions

表6 實(shí)測(cè)水位下試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)比較表Table 6:Comparison between tested stress and stress calcu?lated by FEM analysis on actual water level