富山一級水電站壓力鋼管檢測分析與評估

王軍強，朱淑蘭，關 鍵，李東進，林秀松，艾文波

（1.水利部農村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310052；3.臺州市黃巖區富山電站事務中心，浙江 臺州 318023）

0 引言

壓力鋼管作為水電站的主要結構，其安全運行對水電站起著至關重要的作用。壓力鋼管安全檢測與評估是一項較綜合、全面的技術性工作，它涉及到結構、材料、防腐、焊接及儀器儀表等諸多專業[1]。近年來，隨著水利水電工程的迅速發展和技術進步, 許多水電站引水壓力鋼管的幾何和力學參數都超過了早期規范的經驗上限值[2]，特別是達到甚至超過設計使用年限，且部分存在日常維護不到位等情況，這對水電站引水壓力鋼管安全運行帶來了嚴峻的挑戰[3-4]。壓力鋼管能否安全使用直接影響到電站安全，公共安全，所以對壓力鋼管進行定期安全檢測是非常必要的。

黃巖富山一級水電站，位于臺州市黃巖區寧溪鎮方家岙村，距寧溪鎮7.5 km，距黃巖城區45 km。主體工程于1993年8月動工興建，1998年10月并網發電，2008年完成了電站自動化系統技術改造。電站總裝機容量2×8 000 kW，設計年均發電量為3 265萬kW·h，最大水頭為 485 m。電站主變接線采用擴大單元接線，主變型號為SFS8-31500/110，一個回路通過110 kV線路接入黃巖永寧變電所，另一回路通過35 kV線路接入寧溪變電所。為進一步了解該電站壓力鋼管的安全情況，及時發現可能存在的問題，對該電站的壓力鋼管進行安全檢測與評估。

1 檢測范圍及內容

1.1 壓力鋼管主要特性

黃巖富山一級水電站采用壓力鋼管引水，明管安裝，數量1根。其主要設計特性參數如表1。

表1 壓力鋼管主要特性參數表

1.2 檢測內容及方法

1.2.1 安全檢測內容

根據DL/T 709-1999《壓力鋼管安全檢測技術規程》的規定，對富山一級電站壓力鋼管進行安全檢測和評價。檢測內容主要包括：壓力鋼管外觀檢查、壓力鋼管管壁銹蝕檢測、壓力鋼管焊縫探傷檢測、壓力鋼管應力測試分析等4部分，并根據各部分檢測結果對壓力鋼管的運行狀態進行綜合評價。

1.2.2 安全檢測方法

（1）鋼管外觀檢查：外觀檢查主要以目測方式為主，同時配以放大鏡和游標卡尺等檢測工具，對壓力鋼管是否存在的明顯變形、裂紋、脫空、鼓包等危害進行檢查；對鋼管的焊縫及其熱影響區是否存在表面裂紋等危險缺陷及其異常變化進行檢查；對鎮墩、支墩的結構是否完整，鋼管的固定支撐是否穩定進行檢查。

（2）壓力鋼管管壁銹蝕狀態檢測：每兩個鎮墩之間的鋼管，隨機選取不同測區，采用超聲波測厚儀測量所選取測區鋼管壁厚；對鋼管表面的蝕坑情況進行檢測，檢測蝕坑的分布密度，使用深度卡尺測量蝕坑最大深度。

（3）壓力鋼管焊縫探傷檢測：根據GB/T 11345-2013《焊縫無損檢測超聲檢測技術、檢測等級和評定》的規定，對鋼管焊縫進行超聲波探傷，檢測焊縫內部是否存在裂縫及其他超標等缺陷，評定缺陷對鋼管運行安全的影響。

（4）壓力鋼管應力測試分析：鋼管明管段的應力測試采用電測法。分別選取9號、11號鎮墩上游側鋼管、2號機組球閥上游側三個截面進行測試，測量分析鋼管在靜水壓力、動水壓力、甩負荷等不同工況條件下的應力變化，結合鋼管的設計參數和運行條件，評定鋼管的應力狀況。

2 外觀及腐蝕、焊縫情況檢測

2.1 壓力鋼管外觀檢查

壓力鋼管的外觀檢查采用目測方式，對鋼管各部位存在的表面缺陷進行檢查。檢查結果如下：

（1）檢查各段壓力鋼管無明顯變形、裂紋、沖刷磨損、脫空、鼓包等異常現象；

（2）未發現焊縫及熱影響區域有明顯裂紋等現象；

（3）鎮墩、支墩結構完整，支撐穩定。鋼管及伸縮節處無變形和漏水等異常情況；

（4）戶外明管段表面防腐涂層大面積脫落；個別管節防腐涂層剝落嚴重；部分鋼管管節表面附著雜、腐爛物；鋼管下部雨水、露水聚集區，涂層已基本失效，銹蝕嚴重，蝕坑密布；

（5）廠房內鋼管防腐涂層良好，無脫落、銹蝕現象。

2.2 壓力鋼管銹蝕檢測

每兩個鎮墩之間的鋼管，隨機選取不同測區，采用超聲波測厚儀測量所選取區域鋼管壁厚。對鋼管表面的蝕坑情況進行檢測，檢測蝕坑的分布密度，使用游標卡尺測量蝕坑最大深度。

2.2.1 鋼管外表面腐蝕坑分布及蝕坑深度

采用深度游標卡尺和超聲波測厚儀對蝕坑深度進行測量。每兩個相鄰鎮墩之間選取2個表面銹蝕嚴重的部位作為測區，每個測區大約為100 cm2，表面進行打磨處理。通過測量得出該區域蝕坑數量和最大蝕坑深度。經檢測，所檢測區域單位面積（100 cm2）蝕坑數量為25～135個，蝕坑深度0.5 mm～2.5 mm。具體檢測部位及蝕坑分布見表2鋼管腐蝕坑檢測統計表。

表2 鋼管腐蝕坑檢測統計表

2.2.2 鋼管壁厚檢測

使用超聲波測厚儀，抽檢未產生明顯蝕坑部位的鋼管管壁厚度，累計獲得360個有效數據。其中：設計壁厚14 mm段，平均檢測厚度為** mm；設計壁厚16 mm段，平均檢測厚度為** mm；設計壁厚18 mm段，平均檢測厚度為** mm；設計壁厚20 mm段，平均檢測厚度為** mm；設計壁厚22 mm段，平均檢測厚度為** mm。現場檢測壁厚均在設計允許范圍值以內。

具體檢測結果見表3。

表3 壓力鋼管的厚度實測值

2.3 壓力鋼管焊縫超聲波檢測

壓力鋼管工作期間運行正常，焊縫處未發生滲漏、裂縫等異常情況。根據鋼管運行情況和檢測要求，采用超聲波法對壓力鋼管的焊縫進行內部質量探傷檢測。每兩個鎮墩之間隨機抽檢不少于3道縱縫和3道環縫。本次累計抽檢縱縫35道，共59 m；環縫35道，共67 m，均未發現裂縫等超標缺陷。

3 應力測試分析

本次主要對富山一級電站廠房外主管第11號鎮墩前明管和第9號鎮墩前明管及廠房內2號機下平段（球閥前明管段）等3個截面進行動、靜態應力測試。在應力測試中，為了得到具有代表性的數據，選擇主要受力校核點進行測量。

靜態應力測試在11號鎮墩前明管處四個側面布置4個三向應變片；在9號鎮墩前明管處四個側面布置4個環向方向的單向應變片。在廠房內2號機球閥前明管處右側面布置1個三向應變片及下側面和左側面分別布置了1個環向方向的單向應變片。共計11個應變片21個測點，具體測點布置見圖1。

圖1 鋼管貼片布置圖

動態應力測試時候，選取11號鎮墩前明管右側1-3測點，上側面6測點，左側面9測點，下側面12測點做機組甩負荷測試。9號鎮墩前明管和2號機球閥上游側鋼管測點布置與靜態測點一致。

3.1 靜態應力檢測

進水口水位568 m，尾水出水口水位97.32 m，實際工作水頭470.68 m。

3.1.1 結構靜態應力檢測

試驗時，壓力鋼管內已充滿靜態水，儀器進行調零，當整個壓力鋼管放空時，儀器讀數，此為反過程。第二次測量時在鋼管放空時調零，鋼管充滿水時，儀器讀數，此為正過程。兩次試驗重現性好，本次采用正過程進行分析計算，具體數據見表4。

表4 壓力鋼管靜態應力測試數據表

壓力鋼管的 材料為16 Mn，取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比=0.28。測試應變儀的靈敏度系數η=2.18，應變計的靈敏系數η1=2.15。應力與應變的關系如下。

（1）對單向應變片應力計算方式為 ：

式中：ε為應變量；σ為應力值。

（2）對三向應變片主應力計算方式為：

式中：εx、εy、εxy分別為三個方向的應變量；σ1，2為主應力值；θ為主應力方向角。

（3）對三向應變片當量應力計算方式為（當量應力采用第四強度理論計算）：

3.1.2 檢測結果

從表4可以看出，9號鎮墩前明管實測靜態應力值在63 MPa～136 MPa范圍內；11號鎮墩明管前實測靜態當量應力值在90 MPa～116 MPa范圍內；廠房內2號機球閥上游側鋼管實測靜態應力值在40 MPa～51 MPa范圍內。

根據DL/T 5141-2001《水電站壓力鋼管設計規范》，廠房外明管段許用應力為179 MPa（0.55），廠房內明管段許用應力為143 MPa（0.44）。因此，鋼管各測點靜態應力值均在許用應力值范圍內。

3.2 壓力鋼管甩負荷動態應力檢測

3.2.1 主管結構動態應力檢測

在機組當前運行工況下，設置兩臺機組同時甩100%額定負荷，作為模擬鋼管運行過程中，可能產生的最大動態應力的條件。試驗過程中，兩臺水輪機均在額定功率下運行，手動操作兩臺機組同時甩負荷，同時保持水輪機調速器設置為自動控制狀態。機組在甩負荷操作時，轉輪轉速突然上升，調速器自動緊急動作，測量此時的鋼管動態應力變化曲線。

兩臺機組額定負荷下運行時，測量儀器應力值調零。操作兩臺機組同時甩100%負荷前開始應力值的數據錄波。錄波至甩負荷操作，機組轉速平穩后停止。

動態應力測試過程中，9號鎮墩前明管和11號鎮墩前明管各測點的動態應變曲線見圖2和圖3。

圖2 9號鎮墩前明管處甩100%負荷動態應變曲線

圖3 11號鎮墩前明管處甩100%負荷動態應變曲線

3.2.2 廠房內明管動態應力檢測

在2號機組當前運行工況下，設置2號機組甩100%額定負荷，作為模擬2號機球閥上游側鋼管運行過程中，可能產生的最大動態應力的條件。試驗過程中，2號水輪機在額定功率下運行，手動操作機組甩負荷，同時保持水輪機調速器設置為自動控制狀態。機組在甩負荷操作時，轉輪轉速突然上升，調速器自動緊急動作，測量此時的鋼管動態應力變化曲線。

2號機組額定負荷下運行時，測量儀器應力值調零。操作甩100%負荷前開始應力值的數據錄波。錄波至甩負荷操作，機組轉速平穩后停止。

動態應力測試過程中，2號機球閥上游側明管測點的動態應變曲線見圖4。

圖4 廠房內2號機球閥上游側明管處100%甩負荷動態應變曲線

3.2.3 檢測結果

根據圖2～4動態應變測量曲線進行分析：

兩臺機組同時100%甩負荷情況下，9號鎮墩前明管處動態應力最大值得為7.7 MPa；11號鎮墩前明管處動態應力最大值為13.4 MPa；2號機甩100%負荷情況下，廠房內2號機球閥上游側鋼管處動態應力最大值為8.9 MPa。

3.3 結構應力測試結果分析

在本次計算分析中分別選取9號鎮墩、11號鎮墩、2號機前三個截面測得的最大靜態應力值，并與甩負荷中各截面測得的最大動態應力值，進行比較得到應力變化相對值ξ。各測點的應力變化相對值計算如下。

（1）動態工作應力的估算

廠房外明管9號和11號鎮墩前，兩臺機組同時100%甩負荷過程是本次檢測過程中最危險的狀況，且相對應力值計算也是取了最大靜態應力值和甩負荷最大動態應力值。現估算所有測點在此工況下的工作應力，并作出相關結論。

將表4中的靜態應力數據乘相應截面的動態工作應力系數，獲得對應的動態應力值，并將動態計算應力值和許用應力比較結果，鋼管各測量段的工作應力均在許用應力范圍內。

壓力鋼結構管應力測試表見表5。

（2）結構應力測試結論

1）靜態應力測試：根據表4測量數據分析，9號、11號鎮墩前明管段實測靜態應力值在63 MPa～136 MPa范圍內，2號機球閥上游側鋼管段實測靜態應力值在40 MPa～51 MPa范圍內，應力值均未超出材料許用應力。

2）動態應力測試：兩臺機組同時100%甩負荷過程中，9號、11號鎮墩前明管處，動態應力測試最大應力值在67 MPa～144 MPa范圍內，應力值均未超出材料許用應力；通過2號機進口處，動態應力測試最大應力值在44 MPa～56 MPa范圍內，應力值均未超出材料許用應力。

測量結果表明，壓力鋼管運行中產生的應力均在材料運行安全范圍內。

4 結論及建議

本文按照DL/T 709-1999《壓力鋼管安全檢測技術規程》的要求，對黃巖富山一級電站壓力鋼管進行了外觀檢查、腐蝕檢測、焊縫探傷、應力檢測和分析。結果如下：

富山一級水電站壓力鋼管無明顯變形、裂紋、沖刷磨損、脫空、鼓包等異常現象；未見焊縫及熱影響區域有危險裂紋；鎮墩、支墩穩固；鋼管、伸縮節無異常變形和滲漏水現象；累計抽檢縱縫35道，共59 m，環縫35道，共67 m，未發現裂縫和超標缺陷；應力測試分析結果表明，鋼管運行產生的應力均未超過材料的許用應力，運行在安全范圍內；同時，檢查戶外明管安裝的鋼管表面防腐涂層大面積脫落，局部剝落嚴重。鋼管裸露部分存在銹蝕嚴重，蝕坑密布的現象。經過對壓力鋼管檢測結果的綜合分析，對富山一級電站壓力鋼管安全等級評定為“基本安全”。

下一階段，建議富山一級水電站對壓力鋼管除銹并定期進行防腐涂刷，對鋼管附近的雜草和表面的腐爛物進行清除，保持鋼管防腐涂層表面清潔，減緩腐蝕速度。按照規范要求對壓力鋼管定期進行安全檢測。