1、 2020-1-云南省小水电压力钢管安全性能 检测和评估 杨力，王明智，杨鹏，孙晋明，王兴文，李明东云南电力试验研究院（集团）有限公司，昆明 650217 Safety performance testing and evaluation of steel penstock in small-sized hydropower station of Yunnan province Yangli Wangmingzhi Yangpeng Sunjinming Wangxingwen Limingdong Yunnan electric test&research institute Group C
2、O.,LTD.Kunming 650217,China 摘要：压力钢管是水电站重要的金属部件，在长期使用中云南省各小水电并未对其定期进行安全性能检测，难以对省内小水电压力钢管现状进行宏观把控。2019 年本单位在云南省内抽样 55 座电站中的 65 条压力钢管进行安全性能检测，将数据结果进行归纳分析，揭露了云南省小水电压力钢管安全性能现状。关键词：压力钢管；安全性能检测 Abstract:As an important metal part in hydropower station,the steel penstock have not been well tested and evalua
3、ted in service life,thus the whole current situation of steel penstock in small-sized hydropower station of Yunnan province remain unclear.We have sampled,tested and evaluated 65 steel penstocks in 55 small-sized hydropower station in Yunnan province,further stated the current situation of steel pen
4、stock in small-sized hydropower station of Yunnan province.Key words:Steel penstock；Safety performance testing and evaluation 1 引言 小水电是绿色可再生能源，生态效益明显。1-2中国第一座水电站落址云南，至今云南的水电开发史已超百年，3小水电的发展也从密集资金投入建厂转变为清理整改阶段。压力钢管作为水电站重要的金属部件，在长期使用中各小水电并未对其定期进行安全性能检测，难以对云南省内小水电压力钢管现状进行宏观把控。2019年本单位在云南省内抽样55座电站 65条压力钢
5、管进行安全性能检测，将各项检测结果和结论进行统计分析，因样本容量相对较大、样本属性较为丰富，可进一步提高对云南省在用小水电压力钢管现状的认识。目前中国的小水电一般是指装机容量 5 万千瓦的中小水电和微型电站，4水电站压力钢管是从水库、前池或调压室向水轮机输送水量的管道，在输送过程中，由于坡度陡、水头高、内水压力大，管道承受较大的动水压力。管道靠近厂房，失事后将会造成严重后果。5依据DL/T 709-1999压力钢管安全检测技术规程对压力钢管进行技术资料审查、外观检测、材质检测、无损探伤、腐蚀状况检测、水质及底质检测和应力核算，检测工作完成后，根据检测结果，对压力钢管的安全等级进行评定。压力钢管
6、安全等级分为安全、基本安全和不安全三个等级。2 技术资料审查 在检测前，应对设计图、设计计算书、主要材料出厂质量证明、制造和安装试验及质量检查记录、竣工图、巡视检查记录、重大缺陷处理记录、腐蚀防护记录、外观检查记录、运行事故报告、原型观测资料等 11 类资料进行审查。如图1所示，在65条受检测的压力钢管中，仅有 1 条压力钢管具备完整的全套资料，有 27条压力钢管具备部分资料，其余的压力钢管无法提供任何资料，而具备的部分资料也仅为钢管设计图、巡视检查记录等少量资料。2020-2-图 1 资料审查情况 Fig1 material review 与当地的运行维护人员交流得知，有的电站从建设初期对技
7、术资料即要求不高、管理不严，有的电站的技术资料是在电站管理方变更过程中遗失。压力钢管属于小水电中重要的金属部件，其安全可靠程度直接关系到小水电未来发展方向和市场竞争力。相关的技术资料可为压力钢管的安全提供有力佐证，本轮检测过程中判定为不安全的压力钢管，大多存在严重的焊缝未焊透、未熔合现象，这些都是建设过程中即存在的缺陷，但由于没有相关资料无法进行追溯。3 外观检测 外观检测是压力钢管安全检测的必检项目，是运行管理单位的基础管理工作。外观检测中明管外壁的检测宜每年进行一次，钢管内壁检测可结合机组大修进行。由于缺失相关资料，本轮检测无法对钢管的外观状况有延伸性的了解。A：错边；B：焊缝成型质量差；
8、C：咬边 A：misalignment；B：weld forming quality is poor；C：undercut 图 2 压力钢管建设过程中存在的问题 Fig2 the problems existing in the construction of steel penstocks 在检测结果中，钢管总体外观良好，但存在的问题有：焊缝存在错边、焊疤、咬边，钢管表面存在焊瘤、鼓包，焊缝成型质量差，钢管表面防腐层脱落部位锈蚀，表面损伤变形，螺栓锈蚀，漏水，植被、泥土覆盖，支墩损伤等。其中钢管本体、焊缝出现的问题是建设过程中存在的（如图 2 所示），其余属后期管理问题（如图 3 所示）。A
9、：腐蚀；B：漏水；C：植被覆盖；D：变形 A：corrosion；B：leakage；C：vegetational cover；D:deformation 图 3 压力钢管管理过程中存在的问题 Fig3 the problems existing in the management of steel penstocks 在 65 条进行外观检测的钢管中，有 14 条钢管未见明显异常，其余均存在问题，如图 4所示。本轮检测的钢管服役年限大多较长，多年的安全平稳运行让管理者有所松懈，没有及时对钢管外观存在的问题进行消除，如：植被的根系会加速对钢管表面的破坏，支墩损伤会为钢管埋下安全隐患。对压力钢管
10、进行定期的外观检测，是最为方便的监控手段，当发现植被覆盖、螺栓锈蚀等易解决的问题时，应及时处理，对错边、变形等难以解决的问题，应加强监控。2020-3-图 4 51 条压力钢管存在问题数量占比 Fig4 the proportion of 51 steel penstocks with problems 4 材质检测 在检测的压力钢管中，材料基本上是用Q235 和 Q345，即旧标准中的 A3 和 16Mn。Q235 属于碳素结构钢，塑性较高但强度较低。Q345 属于低合金钢，热处理后强度和硬度较高。有的钢管是整条选用 Q235 钢，有的是上段压力较小的筒节选择 Q235 钢，下段压力较大的筒
11、节选择 Q345 钢。通过硬度和光谱检测，除了偶尔有一些测点硬度值偏高，其余未发现材质用错或异常的情况，说明钢管建设过程中对材料把控较严，钢管选材经济合理。5 无损探伤 无损探伤是压力钢管安全检测中的重点检测项目，在条件允许的范围内应对压力钢管的一、二类焊缝按比例进行表面磁粉探伤和内部超声波、射线探伤。由于钢管大多服役年限较长，为了更好的把控钢管整体安全，本单位实际检测比例都超过了标准要求。在本轮检测中，所有判定为不安全的压力钢管均为焊缝发现多处埋藏缺陷。图 5 压力钢管缺陷存在情况 Fig5 the defects of steel penstocks 65 条压力钢管中，未发现表面和埋藏缺
12、陷的有 13 条，占比 20%，发现表面超标缺陷的有 6 条，占比 9.23%，发现埋藏超标缺陷的有45 条，占比 69.23%，如图 5 所示，存在问题的钢管比例较高。压力钢管的表面裂纹如图 6A所示，发现裂纹后打磨 2mm 后仍无法消除。埋藏缺陷如图 6B 所示，属焊缝未焊透。A：表面裂纹；B：埋藏缺陷，未焊透 A：surface crack；B：buried defects,incomplete penetration 图 6 压力钢管缺陷图 Fig6 defect diagrams of steel penstocks 在埋藏缺陷中主要是焊缝存在未焊透，6未焊透属于焊接缺陷中危害性较大
13、的缺陷，历史上已有多起由于未焊透引起的压力钢管损毁事故，造成严重的人员和财产损失。未焊透减少了焊缝的有效面积，使接头强度下降。未焊透还会引起应力集中，扩展成为裂纹源，造成焊缝破坏。未焊透属于压力钢管建设过程中的焊接缺陷，如今压力钢管已成型运行多年，处理起来较为困难，但它属于严重的安全隐患，虽然无法预测何时会发生安全事故，但裂纹有可能在运行期间慢慢扩展延伸至一定尺寸，最终直接发生宏观筒节的断裂事故，也有可能在地震、滑坡等外力作用下造成损毁。小水电压力钢管若是发生焊缝开裂事故，会使管内存水迅速外泄，威胁厂房安全。本单位也对澜沧江流域上大型水电站的压力钢管进行过安全检测，未曾发现相似缺陷，可见小水电
14、的压力钢管在建设过程中，工程问题较多。因为没有相关的A B 2020-4-资料，无法查证具体是施工工艺、质量监督还是第三方无损检测出现疏漏。6 腐蚀状况检测 压力钢管的腐蚀状况检测采用测厚仪加目视的手段开展。在条件允许下，每次检测均对整条钢管进行壁厚测定，在 65 条钢管中，仅有一条出现母材分层现象，其余均未出现壁厚异常。在压力钢管的表面和内表面，均出现一定程度的腐蚀，由于钢管所取水质较好，无酸碱性超标，故压力钢管整体腐蚀状况较为良好，未出现由于 Cl-离子超标，将水管焊缝腐蚀开裂的情况。7 水质和底质检测 水质采样来自压力钢管上游进水口附近，底质采样来自压力钢管拦污栅或前池的淤积物。水质分析
15、检测 pH 值、总碱度、Cl-，底质分析检测底质所含 10 种成分及各成分含量。通过检测发现，各个电站的水质、底质情况较为统一，未见明显的酸碱等不利元素超标的水质和底质。8 应力核算 本轮压力钢管进行应力检测的结果均为满足要求。对压力钢管的主要受力构件和腐蚀严重部位进行应力核算。测点选择钢管跨中、支承环、镇墩附近管壁等应力集中、复杂及腐蚀严重部位。经过检测计算，所测钢管的各计算点的应力值均未超过对应位置处的许用应力值，除少许钢管应力值接近许用应力值外，其余钢管均保留有足够的应力余量值，在设计水头下可正常工作。9 压力钢管安全等级评定 安全检测工作完成后，根据安全检测成果，对压力钢管的安全等级进
16、行评定。2019 年总计在云南省内抽样 55 座电站 65 条压力钢管进行安全性能检测，其中安全等级评定为“不安全”压力钢管有 41 条，评定为“基本安全”的有 24条，所有评定为“不安全”的压力钢管均是由于钢管焊缝存在多处埋藏缺陷，严重威胁到钢管的安全运行。由图 7 可知，所检测的压力钢管大多服役年限较长，主要集中在 2050 年这个阶段，在建造时期工艺水平仍较落后，加上工程规模较小，建造规范性不足，遗留了大量缺陷。在后期运行维护过程中，基本没有做到按期对其进行安全性能检测，运维单位对压力钢管的整体安全性能难以做到心中有数，合理监督把控。图 7 压力钢管服役时长分布图 Fig7 the se
17、rvice time of steel penstocks 10 结束语 本轮抽样检测的压力钢管中，超过半数的钢管都存在建造缺陷，虽然到目前为止，经过数十年运行的压力钢管仍没有出现安全事故，但带病运行始终不是长久之计，应引起运维单位足够的重视。参 考 文 献 1景翔.中小水电项目开发管理初探J.云南电力技术，2012（40）：78-79.2张成龙.坚持科学发展观合理开发水电资源实现地方经济可持续发展J.水力发电，2006（6）：1-2.3张海燕.云南小水电的发展策略D.华北电力大学，2007：1-2.4 朱军.中国水力发电史M.北京：中国电力出版社，2007：59-70.5丁鲜梅.农村小水电压力钢管设计研究J.吉林农业，2013（06）：257.6牛水强.浅谈焊接缺陷危害、产生原因及控制措施J.科技与创新，2016（09）：152.收稿日期：作者简介：杨力（1991 年 8 月），女，云南大理，硕士研究生，工程师，主要从事金属无损检测工作及理化检验工作。王明智（1991 年 6 月），男，云南普洱，硕士研究生，工程师，主要从事金属无损检测工作。杨鹏（1984 年 10 月），男，云南大理硕士研究生，工程师，主要从事承压特种设备检验工作。
