抽水泵站金屬結構運行安全與管理風險研究

張曉凌

(陜西省延安市志丹縣地下水監督監測管理站，陜西 延安 717500)

塬面土地資源豐富，往往貧水干旱，河谷下切，土高水低，為解決水土資源平衡，興建水庫抽水站灌溉非常必要，多數大中型抽水泵站建成投運幾十年來，發揮了較好的經濟和社會效益，但超過了設計使用年限，超期服役增加了運行安全風險，嚴重影響了工程效益，開展工程現狀調查與運行安全評估、計算分析壓力鋼管等金屬結構的強度，科學指導維修管護，確保工程運行安全，加強管理風險防控。

1 工程實例

勝利水庫灌溉抽水泵站，澄城縣寺前鎮政府，副科級事業建制，企業化運營管理，現有編制8人，分一、二、三級管理站。泵站年均運行臺時3 000 h，總抽水量60.96萬 m3，年耗能55萬 kw·h。

現場調查工程管理設施簡陋，管理手段落后，管理人員通過多年的運行摸索具有一定的管理經驗。管理站制定有泵站運行、維護、檢修、安全等技術規程和規章制度，距離《泵站技術管理規程》(SL255-2000)的規定還有一定的差距。每年3月份春灌前進行一次大檢查活動，主要檢查渠道、各水工建筑物及各機泵電氣設施的完好狀況。各個管理站建立有簡單的運行記錄。

各泵站存在主要問題：進、出水管銹蝕、穿孔，法蘭片變形，螺桿絲扣銹壞，時常發生爆管事件。閥體銹蝕嚴重，膠墊老化漏水，絲桿和閥板磨損，啟閉困難，啟閉過程有卡阻、振動現象、異響明顯，特別是逆止閥閥體早已水錘沖爛，失去作用，無法關閉影響抽真空，已影響正常運行。

綜上所述，3座泵站的金屬結構破損、漏水嚴重，安全狀態差，存在影響安全運行的重大缺陷或事故隱患，急待更新改造。

2 金屬結構復核計算分析與評價

勝利水庫抽水站金屬結構主要有各類閥門、壓力管道、攔污柵等。閥門等銹蝕更換，本次研究重點進行計算壓力鋼管的結構應力、水錘和穩定分析。

2.1 計算公式

2.1.1 結構計算

依據埋藏式圓形壓力鋼管的結構應力分析和穩定分析原理。在均勻地質情況下，鋼管承受內壓時，計算公式采用《工業金屬管道設計規范》(GB50316-2000)中的公式。

(1)

tsd=ts+C

(2)

C=C1+C2

(3)

式中：ts為直管計算厚度，mm；P為設計壓力，MPa；D0為管子外徑，mm為在設計溫度下材料的許用應力，MPa；Ej為焊接頭系數；tsd為直管設計厚度，mm；C為厚度附加量之和，mm；C1為厚度減薄附加值，包括加工、開槽和螺紋深度及材料厚度負偏差mm；C2為腐蝕或磨蝕附加量，mm；Y為系數。

2.1.2 構造要求

計算公式采用《泵站設計規范》(GB50265—2010)7.3.11公式。

管壁最小厚度，除滿足結構分析要求外，還需滿足構造要求，一般不宜小于：

(4)

式中：δ為管壁厚度，mm；D為鋼管內徑，mm。

2.1.3 附加厚度

按《水電站壓力鋼管設計規范》(SL281-2003)6.1.6條及《火力發電廠汽水管道設計技術規定》規定，管壁厚度應考慮管道壁厚負偏差的附加值和腐蝕裕度，其中負偏差附加值取1 mm，腐蝕裕度取2 mm。

2.2 工況選擇

勝利水庫3座抽水站鋼管均為地埋式，本次復核計算著重選取了泵后輸水干管壓力較高段鋼管作為復核對象。其中一級泵站揚程略小，按特殊組合中的水壓試驗工況對鋼管進行壁厚復核驗算。二、三級泵站揚程較大，按特殊組合中的校核運用Ⅰ工況工況對鋼管進行壁厚復核驗算。

2.3 計算結果

計算結果見表1。

表1 壓力鋼管復核結果表

2.4 水錘復核計算

3座抽水站中二級泵站揚程最高，選取二級泵站進行水錘復核計算。計算的方法采用簡易計算法中的較常用的帕馬金水錘計算曲線法，假設泵后不設止回閥。所用到的計算公式如下所示：

(5)

式中：a為水錘波傳播速度，m/s；k為水彈性模量，2.06×109Pa；E為管材性模量，20.6×1010Pa；D為輸水干管公稱直徑，600 mm；δ為管倒壁厚，5.2 mm。

(6)

式中：2ρ為管道常數，無因次數，代表單位額定水頭下，該管系最大壓力增值； V0為水泵額定流量下管中流速，1.73 m/s；H0為水泵額定工況下的揚程，91.5 m；g為重力加速度，9.81 m/s2。

(7)

式中：K為水泵機組轉子的慣性系數，s-1；n0為水泵額定轉速，300S-90型泵額定轉速為1 480 r/min；Q0為額定工況下水泵流量，0.488 m3/s；H0為額定工況下的水泵揚程，91.5 m；η0為額定工況下的水泵效率，77%；GD2為機組轉動部分的飛輪慣量，N·m2，可近似取電機的GD2(本項目取1 765.8)，如計入泵時，在加大10%～20%。

根據以上公式及現有基礎資料，可以計算得到相關參數，并查帕馬金水錘計算曲線即可得到二級泵站的水錘復核計算結果見表2。

表2 二級泵站水錘復核計算結果表

2.5 計算結果評價

由計算結果可知：(1)泵站不設止回閥時，最大停泵水錘壓力為正常工作壓力的1.3倍。這個壓力不會導致泵殼的破裂事故，但由于管道被不斷侵蝕，壁厚變薄，存在一定的運行風險。

(2)水泵最大反轉速度為正常轉讀的1.37倍，這是比較大的。泵后需要設置安全可靠的兩階段關閉閥門。

(3)在突然斷電后，輸水管線的一部分處于負壓狀態，為了防止在管道中出現水柱拉斷現象，應采用補氣或補水措施，以消除負壓。

3 結語

泵站壓力鋼管原設計壁厚滿足規范要求，經過幾十年運行，進、出水鋼管已銹蝕嚴重，氧化層呈片狀剝落，管壁變薄，部分有嚴重蝕坑。由計算結果可知，3座站鋼管現狀壁厚已小于計算壁厚，現狀不滿足規范要求。再考慮到整體強度降低，銹蝕及密封老化漏水，安全性差，符合《水利水電工程金屬結構報廢標準》等相關規范和要求，因此壓力鋼管評定為四類、閥門構件等評定為四類設備，建議拆除重建?；诠芾砼c風險防控，依據分析計算成果，壓力鋼管按原設計重建，改造后泵后支管設安全可靠的逆止閥、兩階段關閉的工作閥及檢修閥門，增設起重行車、拍門和攔污柵，方便運行檢修。