云南省小水電壓力鋼管安全性能檢測和評估

楊力，王明智，楊鵬，孫晉明，王興文，李明東

（云南電力試驗研究院（集團）有限公司，昆明 650217）

0 前言

小水電是綠色可再生能源，生態效益明顯[1-2]。中國第一座水電站落址云南，至今云南的水電開發史已超百年[3]，小水電的發展也從密集資金投入建廠轉變為清理整改階段。壓力鋼管作為水電站重要的金屬部件，在長期使用中各小水電并未對其定期進行安全性能檢測，難以對云南省內小水電壓力鋼管現狀進行宏觀把控。2019年本單位在云南省內抽樣55座電站65條壓力鋼管進行安全性能檢測，將各項檢測結果和結論進行統計分析，因樣本容量相對較大、樣本屬性較為豐富，可進一步提高對云南省在用小水電壓力鋼管現狀的認識。

目前中國的小水電一般是指裝機容量5萬千瓦的中小水電和微型電站[4]，水電站壓力鋼管是從水庫、前池或調壓室向水輪機輸送水量的管道，在輸送過程中，由于坡度陡、水頭高、內水壓力大，管道承受較大的動水壓力。管道靠近廠房，失事后將會造成嚴重后果[5]。依據DL/T 709-1999《壓力鋼管安全檢測技術規程》對壓力鋼管進行技術資料審查、外觀檢測、材質檢測、無損探傷、腐蝕狀況檢測、水質及底質檢測和應力核算，檢測工作完成后，根據檢測結果，對壓力鋼管的安全等級進行評定。壓力鋼管安全等級分為安全、基本安全和不安全三個等級。

1 技術資料審查

在檢測前，應對設計圖、設計計算書、主要材料出廠質量證明、制造和安裝試驗及質量檢查記錄、竣工圖、巡視檢查記錄、重大缺陷處理記錄、腐蝕防護記錄、外觀檢查記錄、運行事故報告、原型觀測資料等11類資料進行審查。如圖1所示，在65條受檢測的壓力鋼管中，僅有1條壓力鋼管具備完整的全套資料，有27條壓力鋼管具備部分資料，其余的壓力鋼管無法提供任何資料，而具備的部分資料也僅為鋼管設計圖、巡視檢查記錄等少量資料。

圖1 資料審查情況

與當地的運行維護人員交流得知，有的電站從建設初期對技術資料即要求不高、管理不嚴，有的電站的技術資料是在電站管理方變更過程中遺失。壓力鋼管屬于小水電中重要的金屬部件，其安全可靠程度直接關系到小水電未來發展方向和市場競爭力。相關的技術資料可為壓力鋼管的安全提供有力佐證，本輪檢測過程中判定為不安全的壓力鋼管，大多存在嚴重的焊縫未焊透、未熔合現象，這些都是建設過程中即存在的缺陷，但由于沒有相關資料無法進行追溯。

2 外觀檢測

外觀檢測是壓力鋼管安全檢測的必檢項目，是運行管理單位的基礎管理工作。外觀檢測中明管外壁的檢測宜每年進行一次，鋼管內壁檢測可結合機組大修進行。由于缺失相關資料，本輪檢測無法對鋼管的外觀狀況有延伸性的了解。

在檢測結果中，鋼管總體外觀良好，但存在的問題有：焊縫存在錯邊、焊疤、咬邊，鋼管表面存在焊瘤、鼓包，焊縫成型質量差，鋼管表面防腐層脫落部位銹蝕，表面損傷變形，螺栓銹蝕，漏水，植被、泥土覆蓋，支墩損傷等。其中鋼管本體、焊縫出現的問題是建設過程中存在的，其余屬后期管理問題。在65條進行外觀檢測的鋼管中，有14條鋼管未見明顯異常，其余均存在問題，如圖2所示。本輪檢測的鋼管服役年限大多較長，多年的安全平穩運行讓管理者有所松懈，沒有及時對鋼管外觀存在的問題進行消除，如：植被的根系會加速對鋼管表面的破壞，支墩損傷會為鋼管埋下安全隱患。對壓力鋼管進行定期的外觀檢測，是最為方便的監控手段，當發現植被覆蓋、螺栓銹蝕等易解決的問題時，應及時處理，對錯邊、變形等難以解決的問題，應加強監控。

圖2 51條壓力鋼管存在問題數量占比

3 材質檢測

在檢測的壓力鋼管中，材料基本上是用Q235和Q345，即舊標準中的A3和16Mn。Q235屬于碳素結構鋼，塑性較高但強度較低。Q345屬于低合金鋼，熱處理后強度和硬度較高。有的鋼管是整條選用Q235鋼，有的是上段壓力較小的筒節選擇Q235鋼，下段壓力較大的筒節選擇Q345鋼。通過硬度和光譜檢測，除了偶爾有一些測點硬度值偏高，其余未發現材質用錯或異常的情況，說明鋼管建設過程中對材料把控較嚴，鋼管選材經濟合理。

4 無損探傷

無損探傷是壓力鋼管安全檢測中的重點檢測項目，在條件允許的范圍內應對壓力鋼管的一、二類焊縫按比例進行表面磁粉探傷和內部超聲波、射線探傷。由于鋼管大多服役年限較長，為了更好的把控鋼管整體安全，本單位實際檢測比例都超過了標準要求。在本輪檢測中，所有判定為不安全的壓力鋼管均為焊縫發現多處埋藏缺陷。

65條壓力鋼管中，未發現表面和埋藏缺陷的有13條，占比20%，發現表面超標缺陷的有6條，占比9.23%，發現埋藏超標缺陷的有45條，占比69.23%，存在問題的鋼管比例較高。發現裂紋后打磨2 mm后仍無法消除。埋藏缺陷屬焊縫未焊透。

在埋藏缺陷中主要是焊縫存在未焊透[6]，未焊透屬于焊接缺陷中危害性較大的缺陷，歷史上已有多起由于未焊透引起的壓力鋼管損毀事故，造成嚴重的人員和財產損失。未焊透減少了焊縫的有效面積，使接頭強度下降。未焊透還會引起應力集中，擴展成為裂紋源，造成焊縫破壞。未焊透屬于壓力鋼管建設過程中的焊接缺陷，如今壓力鋼管已成型運行多年，處理起來較為困難，但它屬于嚴重的安全隱患，雖然無法預測何時會發生安全事故，但裂紋有可能在運行期間慢慢擴展延伸至一定尺寸，最終直接發生宏觀筒節的斷裂事故，也有可能在地震、滑坡等外力作用下造成損毀。小水電壓力鋼管若是發生焊縫開裂事故，會使管內存水迅速外泄，威脅廠房安全。本單位也對瀾滄江流域上大型水電站的壓力鋼管進行過安全檢測，未曾發現相似缺陷，可見小水電的壓力鋼管在建設過程中，工程問題較多。因為沒有相關的資料，無法查證具體是施工工藝、質量監督還是第三方無損檢測出現疏漏。

5 腐蝕狀況檢測

壓力鋼管的腐蝕狀況檢測采用測厚儀加目視的手段開展。在條件允許下，每次檢測均對整條鋼管進行壁厚測定，在65條鋼管中，僅有一條出現母材分層現象，其余均未出現壁厚異常。在壓力鋼管的表面和內表面，均出現一定程度的腐蝕，由于鋼管所取水質較好，無酸堿性超標，故壓力鋼管整體腐蝕狀況較為良好，未出現由于Cl-離子超標，將水管焊縫腐蝕開裂的情況。

6 水質和底質檢測

水質采樣來自壓力鋼管上游進水口附近，底質采樣來自壓力鋼管攔污柵或前池的淤積物。水質分析檢測pH值、總堿度、Cl-，底質分析檢測底質所含10種成分及各成分含量。通過檢測發現，各個電站的水質、底質情況較為統一，未見明顯的酸堿等不利元素超標的水質和底質。

7 應力核算

本輪壓力鋼管進行應力檢測的結果均為滿足要求。對壓力鋼管的主要受力構件和腐蝕嚴重部位進行應力核算。測點選擇鋼管跨中、支承環、鎮墩附近管壁等應力集中、復雜及腐蝕嚴重部位。經過檢測計算，所測鋼管的各計算點的應力值均未超過對應位置處的許用應力值，除少許鋼管應力值接近許用應力值外，其余鋼管均保留有足夠的應力余量值，在設計水頭下可正常工作。

8 壓力鋼管安全等級評定

安全檢測工作完成后，根據安全檢測成果，對壓力鋼管的安全等級進行評定。2019年總計在云南省內抽樣55座電站65條壓力鋼管進行安全性能檢測，其中安全等級評定為“不安全”壓力鋼管有41條，評定為“基本安全”的有24條，所有評定為“不安全”的壓力鋼管均是由于鋼管焊縫存在多處埋藏缺陷，嚴重威脅到鋼管的安全運行。由圖3可知，所檢測的壓力鋼管大多服役年限較長，主要集中在20~50年這個階段，在建造時期工藝水平仍較落后，加上工程規模較小，建造規范性不足，遺留了大量缺陷。在后期運行維護過程中，基本沒有做到按期對其進行安全性能檢測，運維單位對壓力鋼管的整體安全性能難以做到心中有數，合理監督把控。

圖3 壓力鋼管缺陷存在情況

圖3 壓力鋼管服役時長分布圖

9 結束語

本輪抽樣檢測的壓力鋼管中，超過半數的鋼管都存在建造缺陷，雖然到目前為止，經過數十年運行的壓力鋼管仍沒有出現安全事故，但帶病運行始終不是長久之計，應引起運維單位足夠的重視。