董陽偉

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引言

抽水蓄能機(jī)組在水泵工況啟動(dòng)及調(diào)相運(yùn)行時(shí)，要求轉(zhuǎn)輪在氣體中旋轉(zhuǎn)，此時(shí)上下迷宮環(huán)如沒有外來水冷卻會(huì)隨機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)熱嚴(yán)重影響不銹鋼葉片性質(zhì)和機(jī)組正常運(yùn)行[1]。為此將打開迷宮噴水閥，一來為上下迷宮環(huán)提供冷卻水，二來在轉(zhuǎn)輪周圍形成水環(huán)防止轉(zhuǎn)輪室氣體大量遺漏。為避免蝸殼內(nèi)水壓力過大進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室導(dǎo)致水環(huán)過厚引起的水流撞擊與有害的壓力脈動(dòng)，在蝸殼與尾水管之間設(shè)置將蝸殼與尾水管連通以排出蝸殼內(nèi)水環(huán)排水、平衡蝸殼與尾水管間壓力的平壓管段和液壓控制閥。

1 故障情況簡介

某抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組在抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況運(yùn)行不久，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組球閥下游側(cè)某一位置向外噴水，隨后申請(qǐng)停機(jī)，在停機(jī)過程中蝸殼層1號(hào)水淹廠房傳感器005SN、1/2號(hào)機(jī)組尾水閥坑2號(hào)水淹廠房傳感器002SN、1/2號(hào)機(jī)組尾水閥坑1號(hào)水淹廠房傳感器001SN、水淹廠房主跳傳感器005XV以及1～4號(hào)機(jī)組機(jī)械跳機(jī)繼電器002XV依次動(dòng)作，4臺(tái)機(jī)組被迫停運(yùn)。

后經(jīng)蝸殼層積水排凈后，現(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)1號(hào)機(jī)組蝸殼與尾水管平壓閥485VD下方近尾水管側(cè)管道變形破裂。

發(fā)生泄漏的尾水平壓管段設(shè)計(jì)材質(zhì)為TP304或1Cr18Ni9Ti，規(guī)格為φ219.10mm×3.76mm。蝸殼與尾水平壓管路結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，泄漏位置如圖1所示。

2 現(xiàn)場宏觀檢查情況

圖1 蝸殼與尾水平壓管路結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，法蘭與墻體之間的尾水管發(fā)生泄漏，如圖2所示，泄漏處張口較大，泄漏管段明顯脹粗。由于受墻體和焊縫約束，管段呈腰鼓狀，最大外徑約310mm。從圖3來看，尾水管為有縫鋼管，與設(shè)計(jì)要求的無縫鋼管不符。脹粗管段壁厚最薄處約2.7mm，墻體內(nèi)未明顯脹粗部位壁厚3.7～3.8mm。尾水管在與法蘭焊接時(shí)先套在法蘭上再進(jìn)行焊接，為插入式焊接，根部存在未焊透現(xiàn)象。與法蘭連接的焊縫上有一段銹蝕，為開裂起始部位，如圖4所示。沿此部位至尾水管母材被撕開，撕裂斷口新鮮。與法蘭連接的下彎頭外弧面壁厚約9.5mm，未見脹粗現(xiàn)象。

圖2 1號(hào)機(jī)組蝸殼與尾水管平壓管路破裂情況

圖3 蝸殼與尾水管平壓管段照片

圖4 法蘭上焊縫開裂后照片

圖5 4號(hào)機(jī)組蝸殼與尾水管平壓管路變形情況

隨后對(duì)其他機(jī)組相同部位管路檢查，發(fā)現(xiàn)4號(hào)機(jī)組該段管路也存在輕度變形，如圖5所示。

3 故障原因分析

通過勘察管路破損變形情況，結(jié)合機(jī)組日常運(yùn)行現(xiàn)象，分析認(rèn)為導(dǎo)致平壓管破裂變形的可能綜合原因有以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)際平壓管預(yù)埋管及連接法蘭未按設(shè)計(jì)要求選擇管材和型號(hào)。核對(duì)蝸殼與尾水管平壓管設(shè)計(jì)圖紙知道蝸殼至尾水管平壓管的預(yù)埋管路為管徑φ219.1mm、厚6mm的不銹鋼無縫鋼管，而現(xiàn)場實(shí)際發(fā)現(xiàn)蝸殼至尾水管平壓管的預(yù)埋管為管徑φ219.1mm、壁厚3.76mm、公稱壓力為PN50的不銹鋼焊接鋼管。而機(jī)組在從調(diào)相轉(zhuǎn)抽水或發(fā)電工況期間，蝸殼至尾水管平壓閥為打開狀態(tài)，在此過程中該管路短時(shí)間承受壓力約為5.7MPa，超出該不銹鋼焊接鋼管承壓要求。

（2）平壓管明管段與連接法蘭存在焊接質(zhì)量缺陷。焊縫的焊接質(zhì)量受多方面因素影響，因應(yīng)力集中導(dǎo)致的焊縫缺陷相當(dāng)常見[2]?，F(xiàn)場發(fā)現(xiàn)預(yù)埋管路與明管段的連接法蘭材質(zhì)為低合金鋼，與設(shè)計(jì)材質(zhì)（1Cr18Ni9Ti）不一致，且預(yù)埋管厚度3.76mm與法蘭焊接處厚度11mm相差值大，使得焊接部位容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。水平明管段帶徑焊接法蘭為碳鋼而管路為不銹鋼，尾水管與法蘭連接的焊縫為異種鋼焊縫，又采用插入式焊接，焊接方法不當(dāng)，存在未焊透現(xiàn)象，造成焊縫連接強(qiáng)度降低。另外，法蘭設(shè)計(jì)材質(zhì)為不銹鋼，而實(shí)際材質(zhì)為低合金鋼。低合金鋼抗空蝕性能明顯低于不銹鋼，長期運(yùn)行后引起法蘭空蝕減薄也為機(jī)組安全運(yùn)行帶來隱患。

（3）平壓管段內(nèi)壓力脈動(dòng)引起的管路振動(dòng)。機(jī)組在調(diào)相運(yùn)行時(shí)，蝸殼內(nèi)的水環(huán)水排至尾水管時(shí)，瞬間的沖擊力較大，容易產(chǎn)生“水錘”效應(yīng)，使管路內(nèi)瞬間壓力增加引起該段管路振動(dòng)。在從調(diào)相轉(zhuǎn)抽水或發(fā)電時(shí)，因機(jī)組順控流程設(shè)計(jì)為在球閥工作密封開啟充水平壓過程中蝸殼至尾水管平壓閥為打開狀態(tài)，管路存在瞬間比較大的軸向水推力和壓力脈動(dòng)造成水平管段的振動(dòng)。

（4）裝配產(chǎn)生的變形應(yīng)力。在管路的焊接、裝配可能存在由于焊接變形及法蘭螺栓把合過程中產(chǎn)生的附加彎矩，附加彎矩會(huì)在管路中產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)力。

綜合認(rèn)為：蝸殼與尾水管平壓管泄漏段壁厚較薄，且沒有墻體約束，當(dāng)瞬間壓力達(dá)到其屈服強(qiáng)度時(shí)，裸露在墻體外部分就出現(xiàn)塑性變形、脹粗。多次動(dòng)作后，該管段不斷脹粗并呈腰鼓狀。隨著尾水管的不斷脹粗，最終沿最薄弱的異種鋼焊縫與法蘭熔合線未焊透處開裂，導(dǎo)致尾水管撕裂噴水。

4 故障處理方案與實(shí)施

結(jié)合上述造成蝸殼與尾水管平壓管破裂變形的原因，對(duì)該故障的處理方案主要有以下幾項(xiàng)措施：

（1）將該裸露的平壓明管段更換為φ219.1mm×6mm的不銹鋼無縫鋼管并與原來管路焊接。該處焊縫通過不銹鋼法蘭轉(zhuǎn)接。將不銹鋼法蘭與原混凝土錨筋焊接，最后用混凝土將法蘭與墻體澆筑為一體。

（2）替換全部碳鋼材料為不銹鋼材質(zhì)，提高管路部件材質(zhì)耐氣蝕能力并提高焊接質(zhì)量。改善厚、薄管路的連接，采用工地焊接形成的帶徑法蘭（與混凝土錨筋固定）減少管路的應(yīng)力集中。

（3）增加管路水平及垂直方向的支架并固定，減小管路因沖擊產(chǎn)生的振動(dòng)。

5 結(jié)束語

從蝸殼與尾水管平壓管破裂故障的分析與處理來看，盡管該段管路在抽水蓄能電站眾多設(shè)備和材料中微不足道，但如其發(fā)生故障，引起的損失和破壞力卻又大得多，所以在今后的抽水蓄能電站建設(shè)和運(yùn)維中，應(yīng)從設(shè)計(jì)、材料采購、制造安裝、運(yùn)維檢修等各個(gè)方面做好質(zhì)量監(jiān)督與管控，特別要加強(qiáng)承壓焊縫的無損檢測和日常運(yùn)維巡視，才能確保電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

[1] 李海波.抽水蓄能機(jī)組調(diào)相運(yùn)行淺析.水電廠機(jī)電技術(shù)，2008（10）:12-14.

[2] 邵澤波.無損檢測技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003.1.