某抽水蓄能電站蝸殼平壓管破裂分析與處理

董陽偉

（國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

0 引言

抽水蓄能機組在水泵工況啟動及調相運行時，要求轉輪在氣體中旋轉，此時上下迷宮環如沒有外來水冷卻會隨機組轉動發熱嚴重影響不銹鋼葉片性質和機組正常運行[1]。為此將打開迷宮噴水閥，一來為上下迷宮環提供冷卻水，二來在轉輪周圍形成水環防止轉輪室氣體大量遺漏。為避免蝸殼內水壓力過大進入轉輪室導致水環過厚引起的水流撞擊與有害的壓力脈動，在蝸殼與尾水管之間設置將蝸殼與尾水管連通以排出蝸殼內水環排水、平衡蝸殼與尾水管間壓力的平壓管段和液壓控制閥。

1 故障情況簡介

某抽水蓄能電站1號機組在抽水調相轉抽水工況運行不久，運行人員發現1號機組球閥下游側某一位置向外噴水，隨后申請停機，在停機過程中蝸殼層1號水淹廠房傳感器005SN、1/2號機組尾水閥坑2號水淹廠房傳感器002SN、1/2號機組尾水閥坑1號水淹廠房傳感器001SN、水淹廠房主跳傳感器005XV以及1～4號機組機械跳機繼電器002XV依次動作，4臺機組被迫停運。

后經蝸殼層積水排凈后，現地檢查發現1號機組蝸殼與尾水管平壓閥485VD下方近尾水管側管道變形破裂。

發生泄漏的尾水平壓管段設計材質為TP304或1Cr18Ni9Ti，規格為φ219.10mm×3.76mm。蝸殼與尾水平壓管路結構圖如圖1所示，泄漏位置如圖1所示。

2 現場宏觀檢查情況

圖1 蝸殼與尾水平壓管路結構圖

現場檢查發現，法蘭與墻體之間的尾水管發生泄漏，如圖2所示，泄漏處張口較大，泄漏管段明顯脹粗。由于受墻體和焊縫約束，管段呈腰鼓狀，最大外徑約310mm。從圖3來看，尾水管為有縫鋼管，與設計要求的無縫鋼管不符。脹粗管段壁厚最薄處約2.7mm，墻體內未明顯脹粗部位壁厚3.7～3.8mm。尾水管在與法蘭焊接時先套在法蘭上再進行焊接，為插入式焊接，根部存在未焊透現象。與法蘭連接的焊縫上有一段銹蝕，為開裂起始部位，如圖4所示。沿此部位至尾水管母材被撕開，撕裂斷口新鮮。與法蘭連接的下彎頭外弧面壁厚約9.5mm，未見脹粗現象。

圖2 1號機組蝸殼與尾水管平壓管路破裂情況

圖3 蝸殼與尾水管平壓管段照片

圖4 法蘭上焊縫開裂后照片

圖5 4號機組蝸殼與尾水管平壓管路變形情況

隨后對其他機組相同部位管路檢查，發現4號機組該段管路也存在輕度變形，如圖5所示。

3 故障原因分析

通過勘察管路破損變形情況，結合機組日常運行現象，分析認為導致平壓管破裂變形的可能綜合原因有以下幾點：

（1）實際平壓管預埋管及連接法蘭未按設計要求選擇管材和型號。核對蝸殼與尾水管平壓管設計圖紙知道蝸殼至尾水管平壓管的預埋管路為管徑φ219.1mm、厚6mm的不銹鋼無縫鋼管，而現場實際發現蝸殼至尾水管平壓管的預埋管為管徑φ219.1mm、壁厚3.76mm、公稱壓力為PN50的不銹鋼焊接鋼管。而機組在從調相轉抽水或發電工況期間，蝸殼至尾水管平壓閥為打開狀態，在此過程中該管路短時間承受壓力約為5.7MPa，超出該不銹鋼焊接鋼管承壓要求。

（2）平壓管明管段與連接法蘭存在焊接質量缺陷。焊縫的焊接質量受多方面因素影響，因應力集中導致的焊縫缺陷相當常見[2]。現場發現預埋管路與明管段的連接法蘭材質為低合金鋼，與設計材質（1Cr18Ni9Ti）不一致，且預埋管厚度3.76mm與法蘭焊接處厚度11mm相差值大，使得焊接部位容易產生應力集中。水平明管段帶徑焊接法蘭為碳鋼而管路為不銹鋼，尾水管與法蘭連接的焊縫為異種鋼焊縫，又采用插入式焊接，焊接方法不當，存在未焊透現象，造成焊縫連接強度降低。另外，法蘭設計材質為不銹鋼，而實際材質為低合金鋼。低合金鋼抗空蝕性能明顯低于不銹鋼，長期運行后引起法蘭空蝕減薄也為機組安全運行帶來隱患。

（3）平壓管段內壓力脈動引起的管路振動。機組在調相運行時，蝸殼內的水環水排至尾水管時，瞬間的沖擊力較大，容易產生“水錘”效應，使管路內瞬間壓力增加引起該段管路振動。在從調相轉抽水或發電時，因機組順控流程設計為在球閥工作密封開啟充水平壓過程中蝸殼至尾水管平壓閥為打開狀態，管路存在瞬間比較大的軸向水推力和壓力脈動造成水平管段的振動。

（4）裝配產生的變形應力。在管路的焊接、裝配可能存在由于焊接變形及法蘭螺栓把合過程中產生的附加彎矩，附加彎矩會在管路中產生附加彎曲應力。

綜合認為：蝸殼與尾水管平壓管泄漏段壁厚較薄，且沒有墻體約束，當瞬間壓力達到其屈服強度時，裸露在墻體外部分就出現塑性變形、脹粗。多次動作后，該管段不斷脹粗并呈腰鼓狀。隨著尾水管的不斷脹粗，最終沿最薄弱的異種鋼焊縫與法蘭熔合線未焊透處開裂，導致尾水管撕裂噴水。

4 故障處理方案與實施

結合上述造成蝸殼與尾水管平壓管破裂變形的原因，對該故障的處理方案主要有以下幾項措施：

（1）將該裸露的平壓明管段更換為φ219.1mm×6mm的不銹鋼無縫鋼管并與原來管路焊接。該處焊縫通過不銹鋼法蘭轉接。將不銹鋼法蘭與原混凝土錨筋焊接，最后用混凝土將法蘭與墻體澆筑為一體。

（2）替換全部碳鋼材料為不銹鋼材質，提高管路部件材質耐氣蝕能力并提高焊接質量。改善厚、薄管路的連接，采用工地焊接形成的帶徑法蘭（與混凝土錨筋固定）減少管路的應力集中。

（3）增加管路水平及垂直方向的支架并固定，減小管路因沖擊產生的振動。

5 結束語

從蝸殼與尾水管平壓管破裂故障的分析與處理來看，盡管該段管路在抽水蓄能電站眾多設備和材料中微不足道，但如其發生故障，引起的損失和破壞力卻又大得多，所以在今后的抽水蓄能電站建設和運維中，應從設計、材料采購、制造安裝、運維檢修等各個方面做好質量監督與管控，特別要加強承壓焊縫的無損檢測和日常運維巡視，才能確保電站安全、穩定運行。

[1] 李海波.抽水蓄能機組調相運行淺析.水電廠機電技術，2008（10）:12-14.

[2] 邵澤波.無損檢測技術.北京：化學工業出版社，2003.1.