在役機組引水壓力鋼管安全性評價研究

翁國平，黃全福，方家祥

（1.杭州匯安電力工程技術有限公司，浙江杭州310004；2.福建省金湖電力有限責任公司，福建福州353300）

1 機組引水壓力鋼管概況及評價研究方法概述

某電站共有6臺機組，每臺機組裝機5萬kW，引水壓力鋼管采用一機一管的壩后埋管型式，主要特性如下：壓力鋼管總長73 m、壓力鋼管直徑4.0～4.5 m、鋼管壁厚14～22 mm、鋼管材質Q345（16 Mn）、設計水位190.29 m、機組中心線高程99.60 m。該電站的4號機組于1986年投運，引水壓力鋼管至今已運行近25 a。引水壓力鋼管當年建設安裝時焊縫遺留有超標缺陷，為了解遺留超標缺陷的引水壓力鋼管在運行25 a后的實際安全狀況，跟蹤監測遺留超標缺陷的性質變化，及時發現引水壓力鋼管可能存在的其它安全隱患，提高機組運行的安全性和可靠性，延長引水壓力鋼管安全服役時間，對引水壓力鋼管進行安全性評價研究。

引水壓力鋼管安全性評價研究的方法是結合4號機組擴大性大修，對4號機組引水壓力鋼管進行了影響安全運行的外觀、腐蝕狀態、金屬材料性能及焊縫質量狀況檢測，并對引水鋼管明管段在實際水頭工況下進行靜、動態應力測試。然后，結合外觀腐蝕狀態、金屬材料性能及焊縫質量狀況測試結果對引水壓力鋼管進行結構有限元復核計算分析，并將結構有限元復核計算分析成果與引水鋼管明管段靜、動態應力測試成果進行比較研究，得出比較研究成果，綜合上述成果對引水壓力鋼管做出科學嚴謹的安全性評價。

2 機組引水壓力鋼管外觀狀態及其材料性能檢測

檢查引水壓力鋼管的伸縮節、下彎管、下平段、斜直段，發現引水壓力鋼管內壁狀態良好，表面無裂紋、磨蝕和鼓包現象；檢查鋼管外圍混凝土，未發現具有即時危害性的面積較大脫空現象；將鋼管內壁表面清除干凈后，發現局部有密集的銹蝕坑，蝕坑深度小于1 mm，鋼管明管段外表面有明顯銹蝕。經檢測鋼管腐蝕屬于一般銹蝕，年平均銹蝕速率小于碳鋼的正常年平均銹蝕速率。鋼管管壁的蝕余厚度在初始厚度上減薄小于1.0 mm。

鋼管材料性能測試采用復查竣工驗收資料和現場測試相結合的辦法。經復查原設計圖紙和竣工驗收資料，引水壓力鋼管各管段材質：下水平段及下彎管為厚度16 mm的Q345、漸變段為厚度18～22 mm的Q345、斜直段為厚度14～20 mm的Q345。將在各管段測得的布氏硬度通過抗拉強度與布氏硬度的換算經驗公式σb=0.325gHB（16 Mn）進行換算，得抗拉強度為490～640 MPa，其值與同厚度新鮮Q345板材σb比較無明顯區別，表明引水壓力鋼管的材料性能經25 a的運行無明顯折減。

3 機組引水壓力鋼管焊縫質量現狀檢測

機組引水壓力鋼管焊縫質量現狀檢測采用超聲波探傷。超聲波探傷的儀器為PXUT-350+超聲波探傷儀、探頭型號2.5P×K2.0、標定試塊型號為CSK-IA和RB-2、耦合劑為漿糊、探測靈敏度為DAC-16dB。焊縫超聲波探傷操作遵照GB/T 11345-1989《鋼焊縫手工超聲波探傷方法及探傷結果分級》執行，焊縫缺陷判斷按DL/T5017-2007《壓力鋼管制造安裝及驗收規范》的要求，對4號機組引水壓力鋼管焊縫按100%比例進行超聲波檢測。檢測發現引水壓力鋼管斜直段焊縫存在18處超標缺陷，最長缺陷連續長度為450 mm；檢測發現引水壓力鋼管水平段存在4處超標缺陷；檢測發現引水壓力鋼管伸縮節下節縱縫處存在1處超標缺陷。上述缺陷的存在將對引水壓力鋼管的安全穩定運行構成一定的隱患，按照相關標準的要求，連續的多個超標缺陷需作返修處理。因機組已穩定運行25 a，如對檢出的超標缺陷作返修處理，工程量十分巨大，而且也沒有十分可靠的施工工藝和可行的處理方案能確保返修處理結果符合標準要求。從檢測出的缺陷性質看，這些缺陷為建設安裝時遺留的缺陷，屬非即時危害性缺陷，并且經25 a的運行，缺陷性質也沒有發展變化。在沒有可靠穩妥的施工工藝和可行的處理方案的情況下，對存在超標缺陷的部位進行定期跟蹤監測，跟蹤缺陷性質是否發生變化，不失為一種安全、經濟、可行的科學處理方法。

4 引水壓力鋼管結構應力檢測

引水壓力鋼管結構受力狀況對其安全至關重要。4號機組引水壓力鋼管采用壩后埋管形式，只有蝸殼上游側的廠房水平段為明管，便于布設應力測點，且此段運行狀況最為惡劣。

引水壓力鋼管結構應力檢測包括壓力鋼管充水時的靜態應力檢測和機組甩負荷動態應力檢測。

在靜態應力測試中，為了得到具有代表性的數據，選擇了主要受力校核斷面布設應力測點進行測試。在廠房明管段布置了4個靜態應力測試點，均采用三向直角應力變化，溫度補償采用共用補償。在動態應力測試過程中，選擇了有代表性的鋼管上部測點和左側面測點兩測點進行測量，測點的溫度補償采用單片的一對一補償。

引水壓力鋼管結構靜態應力檢測工況：進水口水位173.87 m，鋼管軸線的安裝高程99.60 m，實際作用水頭74.27 m。

測試過程：儀器在鋼管無水時進行調零。當整個壓力鋼管充滿水并開啟4號進水口閘門，上游水位即為庫水位，儀器讀數。因試驗工況不可重復，僅進行了一次靜應力檢測。廠房明管段的材料為Q345（16 Mn），取E=2.06×105MPa，μ=0.3。測試應變儀靈敏度系數η=2.18，應變計靈敏系數η1=2.18。

對三向應變片：

主應力

當量應力采用第四強度理論計算，有限元計算也采用該理論，以便進行比較。

4號機組引水鋼管廠房明管段實測靜態當量應力值在50～60 MPa范圍內。具體數值見表1。

由于實測水位173.87 m與設計水位190.29 m有一定差距，對實測點在設計水位下的靜態應力進行反演計算。設計水位的應力值為實測應力值乘以設計水位與實測水位比值所得。反演計算出設計水位下的靜態應力在60～75 MPa之間，根據DL/T5141-2001《水電站壓力鋼管設計規范》，廠房內明管段許用應力為143 MPa（0.44 σs）。因此，機組各測點在實測和設計水位下的靜態當量應力值均在許用應力值范圍內。

表1 廠房明管段靜態應力測試和設計水位的推測數據/MPaTable 1:Static stress test and FEM analysis on design water level of exposed pipe

引水壓力鋼管甩負荷動態應力檢測：進水口水位173.78 m，鋼管軸線的安裝高程99.60 m，實際作用水頭74.18 m。

在引水壓力鋼管甩負荷動態應力檢測過程中，根據現場條件，對機組引水壓力鋼管的廠房明管段進行了25%、50%、75%和100%額定出力時的甩負荷應力測試試驗。甩負荷工況是水輪機分別在上述負荷下工作正常后，在短時間內甩掉負荷，使水輪機的導葉快速關閉，鋼管的受力發生變化。

測試過程：4號機組鋼管內充滿水時，儀器調零，并開始記錄，機組開機、帶負荷、甩負荷25%、甩負荷50%、甩負荷75%、甩負荷100%。

測試得機組25%甩負荷情況下，應力變化相對值ξ1=0.20；50%甩負荷情況下，應力變化相對值ξ2=0.20；75%甩負荷情況下，應力變化相對值ξ3=0.22；100%甩負荷情況下，應力變化相對值ξ4=0.24。

檢測工況水頭與設計水頭有一定差距，因最大應力變化相對值ξ4發生在100%額定出力甩負荷工況時，所以只分別估算具有典型意義的實測水位和設計水位100%額定出力時甩負荷工況下的工作應力，并得出相關結論，其它工況不再作進一步反演。

動態工作應力系數k=1+ξ4=1.24。

4號機組引水壓力鋼管廠房明管段測試工況下最大當量靜態應力59 MPa，反演計算得設計工況下最大當量靜態應力73 MPa；通過反演計算，設計水頭工況下，4號機組引水壓力鋼管廠房明管段100%甩負荷最大當量工作應力為91 MPa，以上應力值均小于材料的許用應力143 MPa。

表2 4號機組廠房明管段鋼管在設計水頭下的工作應力一覽表/MPaTable 2:Working stress on design water level of exposed pipe of Unit 4

5 引水壓力鋼管結構有限元分析

根據實際引水壓力鋼管的結構特性，4號機組引水壓力鋼管結構有限元分析采取了整體建模計算的辦法。引水壓力鋼管有限元計算分析中，對各段模型進行了簡化，鋼管在約束的處理上也進行了簡化，即對鋼筋混凝土內的剛性環作相應的限制處理，而每兩個剛性環之間的管面讓其自由，這實際上減少了管件的約束，計算結果偏安全。

模型介紹：鋼管模型尺寸按照圖紙。鋼管有限元模型節點總數為25829，單元總數為22981。約束處理：水泥結構內鋼管上的剛性環處限制其軸向和徑向自由度，每兩個剛性環之間的管面自由，鋼管的入口處軸向位移約束。計算載荷：對壓力鋼管的正常蓄水位、設計水位、校核水位和實測水位四個工況進行了計算。

受力為鋼管自重以及隨長度不同而不斷變化的靜水壓力。水自重產生的壓力比入口端的靜水壓力小一個數量級，而且隨著管長的增加，水自重所占的比例將越來越小，可將其忽略。

結構尺寸與材料特性：結構的外形尺寸按設計圖紙取用。鋼管的主要結構材料為Q345（16 Mn），取彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比μ=0.3。材料的屈服強度σs為345 MPa（δ≤16），325 MPa（16≤δ≤25）。根據引水壓力鋼管腐蝕測試結果，鋼管板厚為初始值減薄1.0 mm；根據焊縫現場探傷報告，對焊縫有缺陷處壁厚進行了減薄3 mm處理。

根據DL/T5141-2001《水電站壓力鋼管設計規范》，各段不同壁厚的許用應力見表3。

本文的工作應力估算以測試的工作應力系數作參考。由于計算為線彈性問題，可近似將有限計算出的靜態應力值乘工作應力系數。反演計算工況為正常水位、設計水位和校核水位。壓力鋼管各工況最大當量應力與變形的計算數據結果見表4，均小于許用應力值。

4號機組引水壓力鋼管在機組100%甩負荷過程時動態工作應力值最大。現將計算得出的壓力鋼管靜態值進行100%甩負荷情況下工作應力的反演計算，對壓力鋼管各段的安全情況進行分析。

表3 各段材料許用應力Table 3:Allowable stress of the material

應力變化相對值ξ4=0.24，動態工作應力系數k=1+ξ4=1.24。

將各段各工況的計算靜態應力進行工作應力估算，結果見表5。

從表中數據可知，鋼管各段均在校核水位下100%甩負荷產生最大工作應力值，上彎管最大為100 MPa，直管段最大工作應力為161 MPa，下彎管最大工作應力值為165 MPa，小于埋管許用應力值218 MPa；廠房明管最大工作應力為140 MPa，小于明管許用應力值143 MPa。

表4 壓力鋼管各段各工況下最大當量應力與變形一覽表Table 4:Maximum equivalent stress and maximum deformation in different conditions

6 理論計算與應力試驗的結果比較分析

測試時在廠房明管管壁處貼有四個三向應變計，現將實測水位下的試驗數據與相應部位的計算應力值進行比較。試驗和計算數據基本吻合，表明計算結果與實測值相符，均小于材料的許用應力。

7 結語

通過對4號機組引水壓力鋼管進行現場檢測和結構有限元計算分析，引水壓力鋼管的強度和剛度滿足安全運行的要求，具備適當的安全裕度。但在校核水位下應避免100%甩負荷的工況出現。

在焊縫超聲波探傷時發現焊縫存在多處超標缺陷，性質均為建設安裝時遺留的缺陷，超標缺陷性質未發生變化（未發展為裂紋）。進一步對焊縫超標缺陷進行局部結構有限元受力計算分析，超標缺陷周圍的受力狀態無明顯改變，這些超標缺陷在一定期限內不會造成引水壓力鋼管的失效。所以在安全性平時現場檢測時，發現超標缺陷并非一定需要進行消缺處理，但為了確保安全，應結合機組擴大性大修時進行定期系統檢測，一旦檢測發現超標缺陷性質出現變化的狀況，應立即進行修復。這不失為經濟有效的方法。■

表5 各工況下各段工作應力估算值Table 5:Working stresses in different conditions

表6 實測水位下試驗數據和計算數據比較表Table 6:Comparison between tested stress and stress calcu?lated by FEM analysis on actual water level