李德紅，項興華，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號機(jī)壓力鋼管與蝸殼安全檢測

李德紅，項興華，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6號機(jī)組壓力鋼管及蝸殼進(jìn)行了現(xiàn)場安全檢測。評價引水壓力鋼管、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

1設(shè)備概況

緊水灘水電廠裝有6臺單機(jī)50 MW的混流式機(jī)組，電站總裝機(jī)300 MW。6臺機(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、進(jìn)水口快速工作閘門、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、蝸殼圖見圖1，主要特性見表1。

圖1　機(jī)組引水壓力鋼管、蝸殼簡圖

2013年緊水灘水電廠6號機(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年的實際狀況。為了解能否滿足機(jī)組增容的安全要求，對6號機(jī)組壓力鋼管及蝸殼進(jìn)行了現(xiàn)場安全檢測與安全評價。

表1　引水系統(tǒng)各部份主要特性參數(shù)

2安全檢測的內(nèi)容及方法

2.1安全檢測內(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)行了外觀檢測及混凝土淘空狀況檢測、腐蝕狀態(tài)檢測、金屬材料性能檢測、焊縫超聲波探傷；壓力鋼管進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)力測試；壓力鋼管動態(tài)應(yīng)力測試。

2.2安全檢測方法

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

2）金屬材料性能采用測定鋼材表面硬度（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；

3）焊縫采用超聲波進(jìn)行無損探傷；

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

3外觀狀態(tài)檢測

3.1外觀檢查

外觀檢測以目測為主，配合使用普通的量測工具，檢查壓力鋼管各管段的狀態(tài)：表面有無損傷、裂紋、局部有無明顯變形、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。鋼管和蝸殼表面無裂紋、磨蝕和鼓包現(xiàn)象、尾水管有氣蝕現(xiàn)象。

本次對鋼管的下彎管、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)字超聲波測厚儀,0～200 mm深度游標(biāo)卡尺和TT-220涂層測厚儀進(jìn)行測量。本次對壓力鋼管的下平段及蝸殼進(jìn)行了銹蝕深度測量，共獲得510個測點數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)如表2。在機(jī)組檢修時由于進(jìn)水口閘門漏水，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

金屬材料性能采用復(fù)查竣工驗收資料和現(xiàn)場測試相結(jié)合的辦法。首先復(fù)查竣工驗收資料，確定鋼管、蝸殼及尾水管的材質(zhì)范圍，然后用測定鋼材表面硬度（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)查竣工驗收資料和原設(shè)計圖紙，壓力鋼管各管段、蝸殼及尾水管材質(zhì)見表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)果見表6。

表2　壓力鋼管、蝸殼及尾水管銹蝕測量數(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，對鋼管下平段和蝸殼（1～19）節(jié)進(jìn)行了表面硬度的測試，共獲得180個有效數(shù)據(jù)，其中下平段80個，蝸殼100個。具體實測表面硬度及所換算抗拉強(qiáng)度見表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)驗公式為：σb= 0.325GHB（16Mn）。

表8　材料硬度檢測結(jié)果表

通過對試樣的化學(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。通過材料硬度測試可知，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》與DL/T5017《壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求，對緊水灘水電站6號機(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。6號機(jī)蝸殼焊縫經(jīng)100%超聲波檢測共發(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)為安裝施工時遺留的缺陷，非機(jī)組運(yùn)行過程形成。尾水管焊縫經(jīng)超聲波檢測發(fā)現(xiàn)第2條環(huán)縫整條缺陷，缺陷為整條的未焊透缺陷。

本次超聲波檢測共發(fā)現(xiàn)27處非即時危害性超標(biāo)缺陷，按照標(biāo)準(zhǔn)DL5017《壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》和DL/T 709《壓力鋼管安全檢測技術(shù)規(guī)程》的要求，連續(xù)的多個超標(biāo)缺陷需作返修處理。從檢測出的缺陷性質(zhì)看，這些缺陷為建設(shè)安裝時遺留的缺陷，雖屬非即時危害性缺陷，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。如果沒有可靠穩(wěn)妥的施工工藝和可行的處理方案對缺陷進(jìn)行處理，應(yīng)對存在超標(biāo)缺陷的部位進(jìn)行定期跟蹤監(jiān)測，跟蹤監(jiān)測缺陷性質(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)測周期，以便及時發(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

6.1測點布置

對6號機(jī)組蝸殼上游側(cè)的廠房水平明管段進(jìn)行了動、靜態(tài)應(yīng)力測試。在靜態(tài)應(yīng)力測試中，為了得到具有代表性的數(shù)據(jù)，選擇了主要受力校核點布設(shè)應(yīng)力測點進(jìn)行應(yīng)力測試。在廠房明管段布置了4個靜態(tài)應(yīng)力測試點，均采用三向直角應(yīng)變法。在動態(tài)應(yīng)力測試過程中，選擇了有代表性的鋼管下部2號測點和左側(cè)面3號測點及1號和4號測點的環(huán)向片進(jìn)行了測量，測點布置見圖2。

6.2結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力檢測

檢測工況為進(jìn)水口水位173.61 m，尾水出水口水位103.36 m。實際作用水頭70.25 m。試驗進(jìn)行時，儀器在鋼管無水時進(jìn)行調(diào)零。當(dāng)整個壓力鋼管充滿水并開啟6號機(jī)進(jìn)水口所有閘門后，儀器讀數(shù)。因試驗工況不可重復(fù)，僅進(jìn)行了一次靜應(yīng)力檢測，具體數(shù)據(jù)見表9。從數(shù)據(jù)可以看出，6號機(jī)組廠房明管段實測靜態(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)計規(guī)范》，廠房內(nèi)明管段許用應(yīng)力為143 MPa（0.44σs）。因此，機(jī)組各測點靜態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值均在許用應(yīng)力值范圍內(nèi)。

由于實測的水位173.61 m與設(shè)計水位190.29 m有一定差距，下面就實測點在設(shè)計水位下的靜態(tài)應(yīng)力進(jìn)行反演計算。

圖2　6號機(jī)組廠房明管貼片布置圖

根據(jù)上面的反演計算公式得設(shè)計水位下的靜態(tài)應(yīng)力值，見表9。6號機(jī)組廠房明管段設(shè)計工況靜態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值在63～83 MPa范圍內(nèi)。機(jī)組各測點當(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)力測試數(shù)據(jù)

6.3機(jī)組甩負(fù)荷動態(tài)應(yīng)力檢測

根據(jù)現(xiàn)場條件，本次對6號機(jī)組的廠房明管段進(jìn)行了25 %、50 %、75 %和100 %的甩負(fù)荷動態(tài)應(yīng)力測試試驗。動態(tài)應(yīng)力試驗是通過水輪機(jī)分別在上述負(fù)荷下工作正常后，在短時間內(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。檢測工況為進(jìn)水口水位173.08 m，尾水出水口水位103.65 m。實際作用水頭69.43 m。6號機(jī)組鋼管內(nèi)充滿水時，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 %。

6號機(jī)組25 %甩負(fù)荷情況下，廠房明管測點實測最大動態(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，實測最大動態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值為10.4 MPa，對應(yīng)蝸殼進(jìn)口中心壓力最大值為8 836.1 kPa。75 %甩負(fù)荷情況下實測最大動態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值為11.0 MPa，對應(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，實測最大動態(tài)當(dāng)量應(yīng)力值為11.4 MPa，對應(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)力測試結(jié)果分析

6號機(jī)組25 %甩負(fù)荷過程，4測點靜態(tài)應(yīng)力值為64 MPa，動態(tài)應(yīng)力值為10.7 MPa，應(yīng)力變化相對值ξ1=10.7/64=0.17。機(jī)組50 %甩負(fù)荷過程，4測點靜態(tài)應(yīng)力值為64 MPa，動態(tài)應(yīng)力值為10.4 MPa，應(yīng)力變化相對值ξ2=10.4/64=0.16。機(jī)組75%甩負(fù)荷過程，4測點靜態(tài)應(yīng)力值為64MPa，動態(tài)應(yīng)力值為11.0MPa，應(yīng)力變化相對值ξ3=11.0/64=0.17。機(jī)組100 %甩負(fù)荷過程，4測點靜態(tài)應(yīng)力值為64 MPa，動態(tài)應(yīng)力值為11.4 MPa，應(yīng)力變化相對值ξ4=11.4/64=0.18。

檢測工況與設(shè)計工況的水頭有一定差距，現(xiàn)估算6號機(jī)組廠房明管段在實測水位100 %甩負(fù)荷和設(shè)計水位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。動態(tài)工作應(yīng)力系數(shù)k=1+ξ4=1.18。將表9中4號機(jī)數(shù)據(jù)乘動態(tài)工作應(yīng)力系數(shù)列表10?？闯?號機(jī)組的廠房內(nèi)明管段實測工況下最大當(dāng)量工作應(yīng)力值76 MPa，設(shè)計工況下最大當(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)力測試結(jié)論

從現(xiàn)場應(yīng)力測試結(jié)果及表9、表10可以看出，6號機(jī)組廠房明管段在本次測試工況下最大當(dāng)量靜態(tài)應(yīng)力64 MPa，反演計算得設(shè)計工況下最大當(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。通過對6號機(jī)組25 %、50 %、75 %和100 %甩負(fù)荷試驗，應(yīng)力變化相對值最大值出現(xiàn)在100 %甩負(fù)荷工況下。在100 %甩負(fù)荷工況時，本次應(yīng)力變化相對值最大值為ξ4=0.18，試驗6號機(jī)組100 %甩負(fù)荷試驗

工況下的最大當(dāng)量工作應(yīng)力76 MPa，通過反演計算，設(shè)計工況下，6號機(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安全檢測評估與結(jié)論

6號機(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)檢測結(jié)果與圖紙復(fù)查材質(zhì)的結(jié)果一致。6號機(jī)蝸殼和引水壓力鋼管焊縫經(jīng)超聲波檢測共發(fā)現(xiàn)27處超標(biāo)缺陷，但從缺陷性質(zhì)看均為建設(shè)安裝時遺留的缺陷，屬非即時危害性缺陷。6號機(jī)組廠房明管段測試工況下和反演計算的設(shè)計工況下最大當(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，試驗工況下和設(shè)計工況下最大當(dāng)量工作應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力。

對6號機(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、材料復(fù)核、焊縫超聲波探傷、結(jié)構(gòu)靜態(tài)應(yīng)力檢測，檢測和分析結(jié)果表明：6號機(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)行時的安全需要。由于建設(shè)安裝時遺留的焊縫超標(biāo)缺陷，為了確保安全，需在機(jī)組檢修時進(jìn)行定期跟蹤監(jiān)測。并隨著機(jī)組服役年限的增加而縮短跟蹤監(jiān)測周期，以便及時發(fā)現(xiàn)缺陷性質(zhì)的變化。

作者簡介：李德紅（1976-），男，高級工程師，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

中圖分類號：TV732.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）03-0043-05