響水澗抽水蓄能電站頂蓋排氣管裂紋產生原因分析及改進措施

楊圣銳，唐文利，穆 良，唐 亮，胡哲峰

（1.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧縣 068350；2.安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽省峨橋鎮 241082）

0 引言

安徽響水澗抽水蓄能電站位于安徽省蕪湖市三山區峨橋鎮境內，是一座日調節純抽水蓄能電站。電站裝機容量1000MW，裝設4臺立軸單級混流可逆式水泵水輪機/發電電動機組。

電站頂蓋排氣管路于±X方向各設置兩根DN200的排氣管路，采用奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti金屬材料，使用頂蓋內焊接和法蘭連接相結合的方式，312型不銹鋼焊條焊接。兩個方向的排氣管路經一DN300三通匯集，分別通過出口隔離閥、頂蓋排氣液動閥、頂蓋排氣電動閥三個閥門排至集水井。

1 頂蓋排氣管路作用及結構布置

1.1 頂蓋排氣管路作用

頂蓋排氣管路為抽水蓄能特有管路，設置于頂蓋上，在水泵SFC或BTB啟動充氣壓水成功后，排出空氣，以完成轉輪室的造壓。

1.2 頂蓋排氣管路結構布置

響水澗電站4臺機組均于+X偏-Y方向27°及-X偏+Y方向27°，頂蓋排氣管路結構布置如圖1所示。

2 頂蓋排氣管路裂紋情況及原因分析

2.1 頂蓋排氣管路裂紋情況

響水澗電站自2012年機組全部投產以來，頂蓋部位的連接管路在機組運行過程中多次發生開裂。2012年，首次發現1號機組-X方向頂蓋排氣管路出現射水情況。2014年，再次發現1號機組-X方向頂蓋排氣管路出現射水情況。2015年，1號機組分別出現兩次頂蓋排氣管路不同位置的射水情況，如圖2～圖4所示。期間所發現的裂紋主要表現為：大小不一的砂眼向外射水，每次均采用打磨補焊的臨時措施后，未對機組安全運行造成影響。為確保機組安全穩定運行，對1號機組頂蓋排氣管路裂紋進行分析。返修后的形貌如圖5、圖6所示。

2.2 管路缺陷分析

下面從管路規格選取、結構布局、振動情況進行分析，全面排查多次出現焊縫裂紋的原因。

2.2.1 管路規格選取分析

頂蓋排氣管和彎頭選取均為φ219×8，材料均為奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti，根據GB 150—2011標準，計算設計壓力：

圖1 頂蓋排氣管路結構圖Figure 1 The structure diagram of the exhaust pipe of the top cover

圖2 2號焊縫開裂處Figure 2 Crack section of No．2 weld

圖3 3號焊縫開裂處Figure 3 Crack section of No．3 weld

圖4 開裂焊縫位置三維效果圖Figure 4 3D effect map of cracking weld position

圖5 2號焊縫處理后效果Figure 5 Post treatment effect of No．2 weld

圖6 3號焊縫處理后效果Figure 6 Post treatment effect of No．3 weld

式中 [σ]——不銹鋼無縫管的許用應力；

sch——壁厚壓力等級；

P——管路的設計壓力。

其中，不銹鋼無縫管的許用應力[σ]=114MPa，對應壁厚壓力等級為sch40，根據下列公式換算得到管路的設計壓力P為4.56MPa

根據 GB 150—2011《壓力容器》，通過下列公式，計算管路壁厚：

式中 η——焊縫系數；

[σ]——不銹鋼無縫管的許用應力；

a——腐蝕余量；

P——管路設計壓力；

D——管路外徑；

C——壁厚偏差附加值。

其中，不銹鋼無縫管的許用應力[σ]=114MPa，焊縫系數取η=0.8，壁厚偏差附加值C按管路壁厚的10%，腐蝕余量a=1mm，計算結果如表1所示。

根據表1及以上的計算結果和設計值對比，可看出管路所能承受壓力、壁厚選取、法蘭及閥門壓力設計均符合標準。

2.2.2 管路結構布局分析

響水澗水泵水輪機是哈爾濱電氣集團與ALSTOM在寶泉、白蓮河技術轉化后、蒲石河項目聯合設計后首個自主設計的抽水蓄能機組，管路的個數、結構形式、波紋管、布置形式完全相同，采用頂蓋內焊接和法蘭連接相結合的方式。自機組運行5年以來，頂蓋排氣管4臺機共8根，只有1根存在開裂現象，其余管路均未出現問題，管路開裂為個別問題，而非共性問題。焊縫開裂處為管路中間的直管和彎頭的焊接焊縫，因此管路結構布局并不是管路焊縫開裂的原因。

但從2012年首次發現以來，由于管路設計彎曲較多，使焊縫數量變多，增加了隱患可能；且空間較為狹窄，導致采取打磨補焊的臨時措施時，只能采用手工焊，盡管通過無損探傷合格，但焊接質量依然受到限制，導致2014年再次開裂。

2.2.3 管路振動情況分析

機組振動偏大，會影響到管路運行情況，降低使用壽命，現取四臺機組頂蓋振動數據對比（2017年6月份平均數據）如表2所示。

表1 管路規格計算表Table 1 Pipe specification calculation table

表2 2017年6月4臺機組平均振動情況Table 2 Average average vibration of 4 units in June 2017

四臺機組頂蓋振動數據對比發現，頂蓋振動數據接近且在合理范圍之內，所以排除因頂蓋振動過大導致頂蓋排氣管焊縫靠下側有砂眼的原因。但由于機組長期運行且具有一定共振效果，也可能導致管路和焊縫疲勞破壞造成焊縫的損傷。

2.2.4 漏水原因分析

基于上述分析，可看出頂蓋排氣管多次出現裂紋與管路規格選取、管路結構布局情況無關，與管路振動具有一定關系。下面通過現場的管路修復環境、焊接管理、鋼材焊接特點進行具體分析：

（1）管路修復環境.

由于響水澗電站水頭較低，為190m，機組直徑較大，頂蓋內部空間狹窄。而開裂焊縫多為靠近頂蓋肋板和導葉套筒附近，檢修人員在內部活動空間有限，且需進行焊接、打磨等動火作業，對溫度、濕度、風速等施焊環境的把控難度大。因此，在頂蓋內進行直接焊接的質量難以保證，導致修復后的焊縫又再次出現砂眼的情況。

（2）焊接管理。

焊工管理：現場實施焊接時，因管路條件限制，僅能進行單面焊接，但須雙面成型，對焊工焊接技術要求較高，加大了修復困難度。

焊接設備管理：焊接設備及工具必須專人使用，本人進行維護，執行安全操作規定，設有安全防護，用后必須清理現場及設備，確保設備不帶病作業。實施較好，不存在問題。

焊材管理：焊接材料按要求使用，焊縫與母材具有良好的匹配，不產生任何不良組織，且嚴格進行入庫驗收保管相關要求，焊條使用前進行烘干，烘烤后的焊條放入恒溫箱內保存，每次領用按2h以內用量進行領取。實施較好，不存在問題。

焊接工藝管理：焊縫修補時，受焊接熱影響區的影響，焊縫周圍母材強度會受到影響，導致補焊處更易損壞，從而使頂蓋排氣管多次修復又開裂。

焊后質量檢測：對焊接部分僅能進行PT探傷，此管路不具有磁性，無法進行磁粉探傷，同時現場不具備射線探傷設備，無法進行射線探傷，故僅能檢測到焊接表面，致使焊接質量檢測做不到位，內部質量沒法保證。

（3）鋼材焊接特點。

晶間腐蝕。奧氏體不銹鋼焊接件容易在焊接接頭處發生晶間腐蝕，這是奧氏體不銹鋼較為典型的一種破壞方式。響水澗電站管路出現的“砂眼”問題極有可能是晶間腐蝕造成，一種可能為鋼管的問題，幾乎所有的不銹鋼都會出現晶間腐蝕；第二種可能是焊接時焊接熱輸入過大，焊接過程中應采用小電流、快速焊。

熱裂紋產生。奧氏體不銹鋼雜質偏析比較嚴重，且導熱系數小，線脹系數大，所以焊接時會產生較大的焊接內應力，加劇熱裂紋的產生。響水澗電站暫未發現此類缺陷。

應力腐蝕開裂。焊接接頭在腐蝕環境下受拉伸應力作用時所產生的延遲開裂現象。奧氏體不銹鋼焊接接頭的應力腐蝕開裂是焊接接頭比較嚴重的失效形式。同時，現有的不銹鋼均有產生應力腐蝕的可能，需引起注意和重視。響水澗電站暫未發現此類缺陷。

3 處理方法及工藝

3.1 前期調研

初期，采用打磨補焊的措施后，效果并不明顯。經前往同系統內其他單位運行情況的調研，得知某電站從最初的直接修補，到重新配割彎管段并加支架固定，再到整根鋼管一次成型并設置偏心法蘭安裝。但從改裝后的運行效果看，改造效果并不理想，改造后管路仍多次開裂。

3.2 處理方法

經過前期的調研、與廠家的多次溝通交流，確定了兩套方案。根據響水澗電站的實際情況，最終決定采用“方案二”。在此，對兩套方案進行闡述和分析，可供同情況電站參考。

3.2.1 方案一

對頂蓋排氣管路進行整體焊接更換，在保證質量的情況下，可永久性消除此類隱患。由于響水澗公司內頂蓋空間狹小，管路走向不規則，需拆除頂蓋，吊出頂蓋在外部配管安裝，管路安裝完畢后在回裝頂蓋，需機組A修時進行，故采用方案二，對于頂蓋空間較寬的電廠可直接采用此方案。

3.2.2 方案二

處理前后頂蓋排氣管路俯視圖，如圖7、圖8所示。

考慮到頂蓋排氣管路為重要管路，需盡快進行處理，故按原始管路重新配管焊接。采用此方法可無需等到機組A級檢修進行，B級檢修便可實施，降低了消缺條件，提高技術經濟效益。主要采取取消5號焊縫，并在安裝間焊接，分段組裝的方法，將頂蓋排氣管路進行重新裝配。主要步驟如下：

（1）拆除主軸密封水箱；

（2）拆除波紋管及導葉套筒；

（3）拆除2號法蘭至3號法蘭之間原始管路；

（4）1號焊縫至2號法蘭之間管路在安裝間配管焊接；焊接完畢后放入頂蓋內組裝；

圖7 原始管路俯視圖（單位：cm）Figure 7 Original pipeline overlook map

圖8 改造后管路俯視圖（單位：cm）Figure 8 Pipeline overlook map after transformation

（5）1號焊縫至4號焊縫之間管路在安裝間配管焊接，焊接完畢后放入頂蓋內組裝；

（6）在頂蓋內部完成1號焊縫的焊接；

（7）3號法蘭與其配管在安裝間焊接，焊接完畢后從外頂蓋放入，再在外頂蓋完成4號焊縫的焊接，這樣可以消除5號焊縫，從而減少焊縫的數量；

（8）全部管道焊接完畢做PT探傷及耐壓試驗，無滲漏后進行螺栓連接。

3.3 處理工藝

3.3.1 焊材選用

響水澗本次處理缺陷焊材為1Cr18Ni9Ti，使用ER316L焊絲，手工鎢極氬弧焊焊接。

采用鎢極氬弧焊焊接，是因為氬氣能有效地隔絕空氣，本身又不溶于金屬，不和金屬反應，施焊過程中電弧還能自動清除熔池表面氧化膜的作用，可成功焊接不銹鋼和各種合金。鎢極電弧穩定，特別適合用于薄板的焊接。熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入容易調節，可進行各種位置的焊接，也是實現單面焊雙面成型的理想方法。且填充焊絲熔滴不通過電弧，不會產生飛濺，焊縫成型美觀。

3.3.2 焊接方法

響水澗采用全鎢極氬弧焊焊接，焊接保護氣體為99.99%Ar?？偟膩碚f，奧氏體不銹鋼具有優良的焊接性，幾乎所有的熔化焊接方法均可用于焊接奧氏體不銹鋼，在此不再做過多介紹。

3.3.3 焊接工藝

針對排氣管焊縫處采用風動砂輪機、角向砂輪機和旋轉銼等工具對該焊縫進行機械磨削方式清除，打磨出坡口，坡口角度為40°～45°，寬約10mm，深度約10mm；同時，將坡口面及坡口兩側 30mm以內母材表面的熔渣、油污等所有影響焊接質量的異物應清理干凈。按照廠家要求，為了預防冷裂紋的產生，對坡口處進行焊前預熱，對補焊區域及相鄰約200mm范圍內的母材預熱至80～100℃，并在焊接過程中始終保持這一溫度。再次確認已清除焊接區及附近200mm范圍內的有害污物及雜質。對坡口逐層焊接，除第一層和表層焊縫外每層焊縫采用氣動鏟錘擊方法消除應力。鍾擊至焊縫表面達到均勻屈服為止，降低焊接殘余應力。對修后焊縫處做100%的PT探傷檢查，確認可正常投入運行。

3.4 焊材使用意見

（1）本焊材為奧氏體不銹鋼，其焊接性能良好，但容易在焊接接頭處發生晶間腐蝕。被腐蝕的焊接接頭表面無明顯變化，受力時則會沿晶界斷裂，幾乎完全失去強度。一般可向焊縫熔入鐵素體使焊縫金屬成為雙相組織，或減少焊接熔池過熱，或選用較小的焊接電流和較快的焊接速度，加快冷卻速度。

（2）為了防止焊接接頭在腐蝕環境下受拉伸應力作用時產生延遲開裂現象，即應力腐蝕開裂。需保證焊縫成形良好，不產生任何應力集中或點蝕的缺陷；合理選擇焊材，使焊縫與母材具有良好的匹配，不產生任何不良組織；消除應力處理：焊后熱處理，如焊后完全退火或退火；在難以實施熱處理時采用焊后錘擊或噴丸等。

4 處理結果

通過上述處理，有效解決響水澗電站頂蓋排氣管路存在的隱患。排除了因頂蓋內部空間狹小、潮濕等因素導致的頂蓋內焊縫修復質量難以保證的問題，且去掉5號焊縫，減低了頂蓋排氣管路出現故障的可能，如圖9、圖10所示。

5 結束語

頂蓋排氣管路是抽水蓄能電站常使用的管路之一，事故多發部位。由于設計布置、機組振動、焊接質量、焊接工藝、環境因素等問題，均可能使其出現裂紋、砂眼等情況。發現后應立即采取臨時措施，針對實際情況盡快進行處理，做好無損探傷檢測（有條件可進行射線探傷），必要時對管路進行整體更換。

圖9 取消5號焊縫排氣管路Figure 9 Remove No． 5 weld exhaust line

圖10 重新配管焊接后的管路Figure 10 Remanufactured pipe after welding

建議以下三點，供其他單位在設計階段或整改期間參考：

（1）對內頂蓋部分，設計時預留足夠的空間，方便日后檢修及相應可能的改造工作；

（2）減少不必要的管路焊縫連接，盡可能減少彎曲部分，降低缺陷發生；

（3）采用較先進的減壓環管，有利于減少頂蓋排氣管路來自水壓的沖擊及振動導致的缺陷發生。