水電站壓力鋼管事故、處理和防范a

1、 水電站壓力鋼管 事故、處理和防范 鐘秉章 2010.41近年來水電建設持續(xù)呈現(xiàn)新的大躍進態(tài)勢，尤其在西南地區(qū)的許多梯級電站沿河先后開工。按照目前各路資金諸侯爭搶水電資源的情況，用不著20年，除西藏和怒江之外我國的水電建設將終結(jié)。而目前開工和近期建成的部份工程因邊勘測、邊設計、邊施工、甚至邊申報審批，造成設計、施工、監(jiān)理、工程管理各方面技術(shù)力量嚴重不足，已經(jīng)帶來一系列工程質(zhì)量問題和隱患。對于已經(jīng)出現(xiàn)的工程質(zhì)量問題往往不公開，不成功的經(jīng)驗不能及時成為大家共同的知識財富并從中吸取教訓十分可惜。為此冒昧書寫本文，希望實例所涉及的有關(guān)單位理解。因資料收集困難和不全面，若導致謬誤，請知者補充指正。2一、

2、冶勒水電站鋼岔管開裂冶勒水電站大壩位于四川涼山州冕寧，廠房在雅安市石棉縣境內(nèi), 總裝機容量240mW，是南椏河梯級中的龍頭電站。多年調(diào)節(jié)能力水庫，總庫容2.98億m3，調(diào)節(jié)庫容2.76億m3。瀝青混凝土心墻堆石壩，壩高124.5m。2001年4月開工，2005年12月兩臺法國ALSTOM公司制造的沖擊式水輪發(fā)電機組投產(chǎn)（實際單機容量125mW），主要擔任系統(tǒng)調(diào)峰。2006年10月埋藏式岔管出現(xiàn)開裂事故。對稱月牙肋鋼岔管設計水壓7.0MPa，主管內(nèi)徑3.4，支管內(nèi)徑2.2m，分岔角600，腰部母線轉(zhuǎn)折角80，公切球半徑1.89m。從岔管中心到閥室上游約40m，覆蓋厚230m，圍巖為石英閃長巖，2

3、3類圍巖。設計沒有按照聯(lián)合受力設計岔管，而沿用早年漁子溪電站岔管設計假定：管殼承受70內(nèi)水壓力來設計厚度；肋板單獨承受全部不平衡內(nèi)水壓力，并采用現(xiàn)行設計規(guī)范的埋藏式岔管應力控制標準。膜應力按第四強度0.65和局部膜應力0.8屈服，肋板應力按照0.65屈服強度，管殼厚40mm，肋板厚70mm。 水電七局在彭山本部進行岔管的下料、卷板工序，卷制成形的瓦片運輸至工地鋼管廠完成后續(xù)制造工序。經(jīng)業(yè)主同意在對岔管焊縫作100射線和100超聲波探傷后取消水壓試驗。鋼材為舞陽鋼鐵公司的WDB620控軋控冷（即TMCP）貝氏體組織鋼板，規(guī)定碳當量Ceq0.4以下，實際值0.37-0.38，裂紋敏感系數(shù)Pcm0.

4、2，實際值0.18。出廠作了100%超聲波探傷，廠家認為WDB620生產(chǎn)內(nèi)控標準比國標更嚴格。當時厚度控制在50mm以下，后來一段時間厚度超過40mm要作調(diào)質(zhì)處理出廠。廠家認為焊接線能量控制在40kJ/cm以下，不超過50kJ/cm，融合線處沖擊值不會有問題。日本TMCP高強鋼生產(chǎn)可以做到230mm厚度。設計噴針關(guān)閉時間68秒，球閥動水關(guān)閉時間175 秒。在事故發(fā)生前，沒有發(fā)生過過短時間的關(guān)閉。發(fā)生開裂事故時，水庫還沒有蓄水到正常高水位，實際運行水壓6.3MPa。2006年10月20日放空檢查，發(fā)現(xiàn)主錐和支錐之間環(huán)縫上長400mm的裂縫透水，以及左側(cè)支錐管和肋板之間有裂縫長1200mm，無透水

5、。在肋板頂端，三個管節(jié)交接處也有較短裂紋。由于岔管開裂，內(nèi)水外滲，放空時沒有發(fā)生繼發(fā)失穩(wěn)事故實是萬幸。345長400mm穿透裂紋長1200mm未穿透裂紋裂紋 水流方向 冶勒岔管開裂位置示意圖6 管道放空后主錐管和支錐管間的裂紋噴水7肋板和左側(cè)支錐管間角焊縫邊緣開裂長度約 1200mm裂紋出現(xiàn)在焊縫邊緣8 肋板和左側(cè)支錐管間角焊縫融合線處開裂焊縫邊緣出現(xiàn)裂紋左側(cè)支錐管月牙肋板9 冶勒水電站鋼岔管事故分析在有條件按照埋藏式岔管設計，而按明岔管設計，沒有利用圍巖的彈性抗力來降低鋼板厚度。從事故后開孔和阻水灌漿，空隙較大，進漿達3噸水泥。管外回填混凝土質(zhì)量存在問題。中國水電七局在彭山本部進行岔管的下料

6、、卷板工序，卷制成形的瓦片運輸至工地鋼管廠完成后續(xù)制造工序。建設方同意在對岔管進行徹底的射線（100）和超聲波（100）探傷后取消水壓試驗。舞陽鋼鐵公司的WDB620控軋控冷（即TMCP）貝氏體組織鋼板。成分控制,Ceq0.4以下,實際0.37-0.38,Pcm0.2,實際0.18，探傷出廠.控制在50mm以上,11-35噸的鋼錠,厚可以達到900mm,焊接線能量40kJ/cm 以下.不超過50kJ/cm.融合線處沖擊值不夠. 從焊接裂紋位置和蓋面焊道形態(tài)看出線能量超標。是不是金相組織出了問題？無焊接記錄，沒有辦法查實際線能量值。對于高強鋼施工單位沒有嚴格控制焊接線能量，沒有施工記錄。預熱溫度

7、控制不好也會產(chǎn)生冷裂紋。10事故處理先作阻水灌漿，使得后面的焊接工作得以順利進行。無損探傷確定裂縫擴展情況，鉆止裂孔。預熱后電弧氣刨到底，加墊板補焊。至11月20日，兩條出問題的焊縫全部修補完成。48小時后無損檢查，沒有再出現(xiàn)超標缺陷。肋板裂縫斜入母材，刨到140mm，未見底。 11月22日完成肋板加強筋板和兩面加補強夾板施工。 高壓固結(jié)灌漿共設40孔，孔深6M，灌漿壓力（基巖部分7MPa，混凝土部分4MPa）；封孔前作接觸灌漿，采用環(huán)氧漿液4MPa 。為了確保灌漿過程鋼管不發(fā)生外壓失穩(wěn)，除進行變形監(jiān)測外，還在灌漿工藝上采用“控制性水泥灌漿”以控制高壓水泥漿液擴散半徑和范圍。 12月3日完成高

8、壓固結(jié)灌漿施工。耗用水泥108噸。對鋼岔管的材料方面存在的問題沒有把握，無施焊的參數(shù)記錄，是不是還有線能量超標的焊縫存在，防止今后出問題，特別增加圍巖固結(jié)灌漿壓力值。12月11日回裝伸縮節(jié)管，充水。111213經(jīng)驗教訓高HD值的鋼岔管如果有合適的埋藏條件應盡可能利用圍巖，力求合理的厚度和選用強度級別合適的鋼材。對于高強鋼要特別謹慎，作好施工的各個工藝環(huán)節(jié)和記錄。要提請監(jiān)理注意，也要從設計角度為施工考慮。對于TMCP鋼，除機械強度指標、化學成分外，應作金相檢查和焊接工藝評定后的實際金相情況，特別要注意在不良環(huán)境條件下的焊接規(guī)范確定和工藝管理。不論是不是按照埋藏式岔管（鋼管）設計，回填混凝土和灌漿

9、要非常重視，不合適的外邊界非常不利，可以出現(xiàn)很高的局部彎曲應力。設計誤區(qū)：往往以為鋼板厚一點就更安全。應按照HD值依次首選低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q295C、Q345C、Q390C、Q420C、Q460C，大的HD值才考慮高強鋼。14二、景洪水電站景洪水電站位于云南景洪，是瀾滄江上最下游的一個梯級電站，其升船機的進出水管道有6個鋼岔管，主管管徑2.5米，岔管壁厚18mm，外加強梁最大寬300mm，厚48mm。按照明岔管設計，鋼材為16MnR，外包C20鋼筋混凝土，設計內(nèi)水壓力0.740.9MPa。2008年4月出現(xiàn)焊接裂紋，到現(xiàn)場看到U形梁從厚度中間開裂，實際上是典型的鋼材層間撕裂，和焊接工藝沒有關(guān)

10、系。問題出在設計圖上沒有給出用作梁的鋼材抗層狀撕裂指標要求，而業(yè)主從廣東韶關(guān)鋼廠訂貨，該廠是中型鋼廠，不具備制作厚板的設備條件。鋼坯小，軋制壓縮比不夠，鋼板芯部質(zhì)量差。在現(xiàn)行設計規(guī)范DL/T51412001中6.1.36“對沿鋼板厚度方向受拉的構(gòu)件，鋼材的技術(shù)要求應符合現(xiàn)行國家標準GB/T5313的規(guī)定，且應對每一張原軋制鋼板進行檢驗”。這實際上要求用作岔管的外加強梁、肋板的鋼材有抗層狀撕裂的指標。設計單位還是規(guī)范的主要編寫單位，設計、校核、審查圖紙都沒有注意到規(guī)范中的這一規(guī)定。在SL2812003規(guī)范中也有同樣的規(guī)定。15岔管制造現(xiàn)場16三個外加強梁都有少量內(nèi)插（設計不合理）17從梁的厚度中

11、部開裂梁芯部裂紋18原因：梁和管殼焊接時因焊縫收縮而產(chǎn)生的Z向力分量，而導致沒有抗層狀撕裂能力的梁開裂。處理很簡單：更換所有岔管的外加強梁，重新制作?，F(xiàn)在已經(jīng)正常運行。同樣的問題早在60年代就有過典型的案例。貴州貓?zhí)游寮壦娬臼侨菏讲砉?，當年買不到合格的厚板，只 好用鞍鋼生產(chǎn)的三不保鋼材（不保證外部形狀、不保證沒有分層、不保證沖擊值）制作梁。焊接時因外加強梁與兩邊管殼間的角焊縫收縮應力使得外加強梁受到Z向力，導致加強梁的外緣出現(xiàn)開裂。由于外加強梁的寬度甚大，還會在外緣開裂實在很難以預料。在現(xiàn)場用酸煮法作低倍組織試驗，很方便證實是鋼材質(zhì)量問題，鋼板沿厚度出現(xiàn)多層硫化合物夾雜十分明顯。這種事故

12、在安裝前出現(xiàn)是好事情，運行期間由于內(nèi)水壓力也可以使外加強梁受法向荷載，那時出問題將會更難于處理。19三、吉沙水電站吉沙電站位于云南省德欽，總裝機容量為120mW（260 mW），工程區(qū)的地震基本烈度為，地震動峰值加速度為0.1g，地震動反應特征周期為0.4s。引水系統(tǒng)總長約15.53km，引水隧洞長約14.47km，高壓埋管道段長約1054m，主管內(nèi)徑2.6m2.3m。在距廠房中心線38m布置對稱“Y”型內(nèi)加強月牙肋型鋼岔管，主管直徑2.3m，支管內(nèi)徑為1.4m，分岔角為70。岔管設計內(nèi)水壓力652m水頭，按明管設計鋼材，采用國產(chǎn)07MnCrMoVR調(diào)質(zhì)鋼，焊條為J607RH。岔管及支管采用管

13、槽明挖，外敷60 cm厚混凝土，管頂碎石回填厚近10m。主岔管壁厚34mm，肋板厚100mm，肋寬比0.33。夾江水工廠中標后轉(zhuǎn)包給一家從未用過高強鋼的廠家制作岔管，管理十分混亂，沒有施工過程記錄資料，是否進行預熱和后熱，線能多少，焊條批號及烘干情況等均說不清。焊縫普遍存在表面夾渣、咬邊、未焊滿、表面氣孔、飛濺、焊瘤等缺陷。在岔管安裝前對制作焊縫進行無損檢測時，發(fā)現(xiàn)焊縫多處存在裂紋，超聲波檢驗還發(fā)現(xiàn)焊縫中存在其它超標缺陷。通過磁粉探傷發(fā)現(xiàn)在肋旁角焊縫存在兩條裂縫，最大長150mm。同時還存在較大的制造誤差，坡口成形不合格，在制造過程中，焊縫有返修、火焰矯形等痕跡。從照片的蓋面焊縫形狀看存在焊接

14、線能量嚴重超標，后請第三方作超聲波和金相檢查認定有多處超標焊接缺陷，在熔合線區(qū)及靠進熔合線的焊縫有大量沿晶、穿晶裂紋，主裂紋附近有二次裂紋。在肋板和管殼間的角焊縫上共發(fā)現(xiàn)有8處裂紋，累計長度近700mm，認為不滿足壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范(DL5017-93)的相關(guān)要求，而且無法通過補焊處理等方法消除，建議報廢。但私企業(yè)主不顧各方面意見，違反制作安裝規(guī)程，僅僅在岔管外增加鋼筋加固后，投入運行，以求盡快產(chǎn)生經(jīng)濟效益。而四川雅安的瓦屋山水電站，同樣是岔管嚴重質(zhì)量問題，業(yè)主決心報廢不合格的岔管，重新制作。盡管嚴重影響投產(chǎn)時間和經(jīng)濟利益，但電站可以放心運行。20從照片上還可以看出很不合適的管殼分縫。

15、21制造廠家沒有橢球封頭，而使用平板封頭加外拉桿，使得水壓試驗時結(jié)構(gòu)受力不合理，不符合規(guī)范要求。22焊縫和補焊質(zhì)量低劣23該電站目前已經(jīng)投入運行，但明顯存在嚴重隱患。什么時候出事故自然無法預測：或許在運行期間裂紋慢慢擴展以致達到臨界裂紋尺寸而出現(xiàn)宏觀斷裂事故；也有可能在該地區(qū)發(fā)生地震時，突然出問題。當前這種類型的工程問題太多，中標的合格承包商轉(zhuǎn)包給沒有水利水電壓力鋼管制作資質(zhì)、毫無經(jīng)驗的單位。施工前沒有施工組織設計，沒有編制焊接工藝規(guī)程，施工期間沒有認真的質(zhì)量監(jiān)督和嚴格的無損檢查。最近四川連續(xù)有幾個工程投產(chǎn)前檢查有問題，有的水頭近千米，管徑很小，鎮(zhèn)墩混凝土已澆，探傷發(fā)現(xiàn)問題，處理十分困難。業(yè)主

16、只要求盡快投入運行，帶病的壓力管道遲早會對我們報復，尤其是明鋼管爆破事故還可能會產(chǎn)生繼發(fā)大的災難。24這里給我們啟示：這樣的水壓試驗并不能證明岔管結(jié)構(gòu)安全。不做水壓試驗的前提條件：1、事先審查施工單位的施工組織設計；2、對焊接、監(jiān)理、工程管理人員作專業(yè)培訓；3、要求100%超聲波檢查、不低于20%X光檢查的一次合格率在98%以上，不合格的部分不得有連續(xù)超標缺欠，嚴格做好返修；對于高強鋼制作的鋼管還要增加100%的焊縫表面探傷（磁粉或著色）；4、要有完整的施工記錄，證明實際焊接過程得到嚴格控制（焊縫間隙、預熱、清根、焊接線能量、層間溫度、后熱）；5、采取合適的消除焊接殘余應力措施（振動法、爆炸法

17、等等）。6、專家評審，報規(guī)范管理部門備案。25四、XXX水電站XXX水電站是一座引水式電站，裝機容量224mW，保證出力11.2mW，年發(fā)電量2.61億kW.h，電站建成后將以基荷運行為主。引水線路長20.9km，輸水到壓力前池，后接壓力鋼管。壓力鋼管采用明管并用支墩支承，全長822m。管徑為5.2m，均采用Q235鎮(zhèn)靜鋼，管壁厚度1520mm。壓力鋼管段基礎(chǔ)大部分位于砂卵礫石層上，局部地段有沖洪積粉土層出露。工程區(qū)域地震基本烈度為度。據(jù)1/400萬中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖（GB18306-2001），工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15g。26觀察探坑情況27設計部門委托我們作岔管計算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并

18、要求對明管段設計復核。在得到有關(guān)資料后，考慮到該電站明鋼管直徑大，從工程措施角度很難保證在地震時不產(chǎn)生因明鋼管橫向震動和支墩位移過大而從支墩上滑落，一旦滑落將會發(fā)生鋼管或波紋管伸縮節(jié)爆裂事故。巨大的爆破裂口會使管內(nèi)存水迅速外泄，進而導致其下游所有建筑物破壞，造成嚴重的人員和財產(chǎn)損失；而爆裂口以上部分，因水流突然加大，管道來不及補氣則會發(fā)生失穩(wěn)事故。XXX水電站大部分明鋼管布置在比較平緩的砂卵礫石山坡上，這有利于設置溝埋管（鋼管外外包混凝土，以承擔回填土壓力）、沿地面鋪設的鋼襯鋼筋混凝土管和淺埋的鋼襯鋼筋混凝土管等不同的結(jié)構(gòu)型式方案?？梢詮闹羞x擇最適合當?shù)氐匦?、地質(zhì)條件的方案。上述三個可選方案都能適應較大級別的地震，即使以后電站運行期間因地震過大而造成鋼管破壞，也因其結(jié)構(gòu)特點限制了裂口尺寸和出水流量值，不會進一步導致嚴重的下游建筑物破壞和上游管段失穩(wěn)事故。盡管該工程設計也經(jīng)過各級審查，但對地震區(qū)建造明鋼管的隱患認識不足，沒有考慮到地震可能會導致明鋼管從支墩上滑落，并發(fā)生更為嚴重的繼發(fā)事故。經(jīng)過和設計單位、業(yè)主交流，2008年5月初同意改為溝埋管。從隨后不久發(fā)生的四川汶川大地震情況看，地震區(qū)的地面建筑物大都破壞，而地下工程大都不受影響。XXX工程改為溝埋管所多花的1800萬元實際上是非