水电站压力钢管事故、处理和防范a.ppt

水电站压力钢管事故 处理和防范钟秉章 2010 4 近年来水电建设持续呈现新的大跃进态势 尤其在西南地区的许多梯级电站沿河先后开工 按照目前各路资金诸侯争抢水电资源的情况 用不着20年 除西藏和怒江之外我国的水电建设将终结 而目前开工和近期建成的部份工程因边勘测 边设计 边施工 甚至边申报审批 造成设计 施工 监理 工程管理各方面技术力量严重不足 已经带来一系列工程质量问题和隐患 对于已经出现的工程质量问题往往不公开 不成功的经验不能及时成为大家共同的知识财富并从中吸取教训十分可惜 为此冒昧书写本文 希望实例所涉及的有关单位理解 因资料收集困难和不全面 若导致谬误 请知者补充指正 一 冶勒水电站钢岔管开裂 冶勒水电站大坝位于四川凉山州冕宁 厂房在雅安市石棉县境内 总装机容量240mW 是南桠河梯级中的龙头电站 多年调节能力水库 总库容2 98亿m3 调节库容2 76亿m3 沥青混凝土心墙堆石坝 坝高124 5m 2001年4月开工 2005年12月两台法国ALSTOM公司制造的冲击式水轮发电机组投产 实际单机容量125mW 主要担任系统调峰 2006年10月埋藏式岔管出现开裂事故 对称月牙肋钢岔管设计水压7 0MPa 主管内径3 4 支管内径2 2m 分岔角600 腰部母线转折角80 公切球半径1 89m 从岔管中心到阀室上游约40m 覆盖厚230m 围岩为石英闪长岩 2 3类围岩 设计没有按照联合受力设计岔管 而沿用早年渔子溪电站岔管设计假定 管壳承受70 内水压力来设计厚度 肋板单独承受全部不平衡内水压力 并采用现行设计规范的埋藏式岔管应力控制标准 膜应力按第四强度0 65和局部膜应力0 8屈服 肋板应力按照0 65屈服强度 管壳厚40mm 肋板厚70mm 水电七局在彭山本部进行岔管的下料 卷板工序 卷制成形的瓦片运输至工地钢管厂完成后续制造工序 经业主同意在对岔管焊缝作100 射线和100 超声波探伤后取消水压试验 钢材为舞阳钢铁公司的WDB620控轧控冷 即TMCP 贝氏体组织钢板 规定碳当量Ceq0 4以下 实际值0 37 0 38 裂纹敏感系数Pcm0 2 实际值0 18 出厂作了100 超声波探伤 厂家认为WDB620生产内控标准比国标更严格 当时厚度控制在50mm以下 后来一段时间厚度超过40mm要作调质处理出厂 厂家认为焊接线能量控制在40kJ cm以下 不超过50kJ cm 融合线处冲击值不会有问题 日本TMCP高强钢生产可以做到230mm厚度 设计喷针关闭时间68秒 球阀动水关闭时间175秒 在事故发生前 没有发生过过短时间的关闭 发生开裂事故时 水库还没有蓄水到正常高水位 实际运行水压6 3MPa 2006年10月20日放空检查 发现主锥和支锥之间环缝上长400mm的裂缝透水 以及左侧支锥管和肋板之间有裂缝长1200mm 无透水 在肋板顶端 三个管节交接处也有较短裂纹 由于岔管开裂 内水外渗 放空时没有发生继发失稳事故实是万幸 长1200mm未穿透裂纹裂纹 水流方向 冶勒岔管开裂位置示意图 管道放空后主锥管和支锥管间的裂纹喷水 肋板和左侧支锥管间角焊缝边缘开裂长度约1200mm 裂纹出现在焊缝边缘 肋板和左侧支锥管间角焊缝融合线处开裂 焊缝边缘出现裂纹 左侧支锥管 月牙肋板 冶勒水电站钢岔管事故分析 在有条件按照埋藏式岔管设计 而按明岔管设计 没有利用围岩的弹性抗力来降低钢板厚度 从事故后开孔和阻水灌浆 空隙较大 进浆达3吨水泥 管外回填混凝土质量存在问题 中国水电七局在彭山本部进行岔管的下料 卷板工序 卷制成形的瓦片运输至工地钢管厂完成后续制造工序 建设方同意在对岔管进行彻底的射线 100 和超声波 100 探伤后取消水压试验 舞阳钢铁公司的WDB620控轧控冷 即TMCP 贝氏体组织钢板 成分控制 Ceq0 4以下 实际0 37 0 38 Pcm0 2 实际0 18 探伤出厂 控制在50mm以上 11 35吨的钢锭 厚可以达到900mm 焊接线能量40kJ cm以下 不超过50kJ cm 融合线处冲击值不够 从焊接裂纹位置和盖面焊道形态看出线能量超标 是不是金相组织出了问题 无焊接记录 没有办法查实际线能量值 对于高强钢施工单位没有严格控制焊接线能量 没有施工记录 预热温度控制不好也会产生冷裂纹 事故处理 先作阻水灌浆 使得后面的焊接工作得以顺利进行 无损探伤确定裂缝扩展情况 钻止裂孔 预热后电弧气刨到底 加垫板补焊 至11月20日 两条出问题的焊缝全部修补完成 48小时后无损检查 没有再出现超标缺陷 肋板裂缝斜入母材 刨到140mm 未见底 11月22日完成肋板加强筋板和两面加补强夹板施工 高压固结灌浆共设40孔 孔深6M 灌浆压力 基岩部分7MPa 混凝土部分4MPa 封孔前作接触灌浆 采用环氧浆液4MPa 为了确保灌浆过程钢管不发生外压失稳 除进行变形监测外 还在灌浆工艺上采用 控制性水泥灌浆 以控制高压水泥浆液扩散半径和范围 12月3日完成高压固结灌浆施工 耗用水泥108吨 对钢岔管的材料方面存在的问题没有把握 无施焊的参数记录 是不是还有线能量超标的焊缝存在 防止今后出问题 特别增加围岩固结灌浆压力值 12月11日回装伸缩节管 充水 经验教训 高HD值的钢岔管如果有合适的埋藏条件应尽可能利用围岩 力求合理的厚度和选用强度级别合适的钢材 对于高强钢要特别谨慎 作好施工的各个工艺环节和记录 要提请监理注意 也要从设计角度为施工考虑 对于TMCP钢 除机械强度指标 化学成分外 应作金相检查和焊接工艺评定后的实际金相情况 特别要注意在不良环境条件下的焊接规范确定和工艺管理 不论是不是按照埋藏式岔管 钢管 设计 回填混凝土和灌浆要非常重视 不合适的外边界非常不利 可以出现很高的局部弯曲应力 设计误区 往往以为钢板厚一点就更安全 应按照HD值依次首选低合金高强度结构钢Q295C Q345C Q390C Q420C Q460C 大的HD值才考虑高强钢 二 景洪水电站 景洪水电站位于云南景洪 是澜沧江上最下游的一个梯级电站 其升船机的进出水管道有6个钢岔管 主管管径2 5米 岔管壁厚18mm 外加强梁最大宽300mm 厚48mm 按照明岔管设计 钢材为16MnR 外包C20钢筋混凝土 设计内水压力0 74 0 9MPa 2008年4月出现焊接裂纹 到现场看到U形梁从厚度中间开裂 实际上是典型的钢材层间撕裂 和焊接工艺没有关系 问题出在设计图上没有给出用作梁的钢材抗层状撕裂指标要求 而业主从广东韶关钢厂订货 该厂是中型钢厂 不具备制作厚板的设备条件 钢坯小 轧制压缩比不够 钢板芯部质量差 在现行设计规范DL T5141 2001中6 1 3 6 对沿钢板厚度方向受拉的构件 钢材的技术要求应符合现行国家标准GB T5313的规定 且应对每一张原轧制钢板进行检验 这实际上要求用作岔管的外加强梁 肋板的钢材有抗层状撕裂的指标 设计单位还是规范的主要编写单位 设计 校核 审查图纸都没有注意到规范中的这一规定 在SL281 2003规范中也有同样的规定 岔管制造现场 三个外加强梁都有少量内插 设计不合理 从梁的厚度中部开裂 梁芯部裂纹 原因 梁和管壳焊接时因焊缝收缩而产生的Z向力分量 而导致没有抗层状撕裂能力的梁开裂 处理很简单 更换所有岔管的外加强梁 重新制作 现在已经正常运行 同样的问题早在60年代就有过典型的案例 贵州猫跳河五级水电站是三梁式岔管 当年买不到合格的厚板 只好用鞍钢生产的三不保钢材 不保证外部形状 不保证没有分层 不保证冲击值 制作梁 焊接时因外加强梁与两边管壳间的角焊缝收缩应力使得外加强梁受到Z向力 导致加强梁的外缘出现开裂 由于外加强梁的宽度甚大 还会在外缘开裂实在很难以预料 在现场用酸煮法作低倍组织试验 很方便证实是钢材质量问题 钢板沿厚度出现多层硫化合物夹杂十分明显 这种事故在安装前出现是好事情 运行期间由于内水压力也可以使外加强梁受法向荷载 那时出问题将会更难于处理 三 吉沙水电站 吉沙电站位于云南省德钦 总装机容量为120mW 2 60mW 工程区的地震基本烈度为 地震动峰值加速度为0 1g 地震动反应特征周期为0 4s 引水系统总长约15 53km 引水隧洞长约14 47km 高压埋管道段长约1054m 主管内径2 6m 2 3m 在距厂房中心线38m布置对称 Y 型内加强月牙肋型钢岔管 主管直径2 3m 支管内径为1 4m 分岔角为70 岔管设计内水压力652m水头 按明管设计钢材 采用国产07MnCrMoVR调质钢 焊条为J607RH 岔管及支管采用管槽明挖 外敷60cm厚混凝土 管顶碎石回填厚近10m 主岔管壁厚34mm 肋板厚100mm 肋宽比0 33 夹江水工厂中标后转包给一家从未用过高强钢的厂家制作岔管 管理十分混乱 没有施工过程记录资料 是否进行预热和后热 线能多少 焊条批号及烘干情况等均说不清 焊缝普遍存在表面夹渣 咬边 未焊满 表面气孔 飞溅 焊瘤等缺陷 在岔管安装前对制作焊缝进行无损检测时 发现焊缝多处存在裂纹 超声波检验还发现焊缝中存在其它超标缺陷 通过磁粉探伤发现在肋旁角焊缝存在两条裂缝 最大长150mm 同时还存在较大的制造误差 坡口成形不合格 在制造过程中 焊缝有返修 火焰矫形等痕迹 从照片的盖面焊缝形状看存在焊接线能量严重超标 后请第三方作超声波和金相检查认定有多处超标焊接缺陷 在熔合线区及靠进熔合线的焊缝有大量沿晶 穿晶裂纹 主裂纹附近有二次裂纹 在肋板和管壳间的角焊缝上共发现有8处裂纹 累计长度近700mm 认为不满足 压力钢管制造安装及验收规范 DL5017 93 的相关要求 而且无法通过补焊处理等方法消除 建议报废 但私企业主不顾各方面意见 违反制作安装规程 仅仅在岔管外增加钢筋加固后 投入运行 以求尽快产生经济效益 而四川雅安的瓦屋山水电站 同样是岔管严重质量问题 业主决心报废不合格的岔管 重新制作 尽管严重影响投产时间和经济利益 但电站可以放心运行 从照片上还可以看出很不合适的管壳分缝 制造厂家没有椭球封头 而使用平板封头加外拉杆 使得水压试验时结构受力不合理 不符合规范要求 焊缝和补焊质量低劣 该电站目前已经投入运行 但明显存在严重隐患 什么时候出事故自然无法预测 或许在运行期间裂纹慢慢扩展以致达到临界裂纹尺寸而出现宏观断裂事故 也有可能在该地区发生地震时 突然出问题 当前这种类型的工程问题太多 中标的合格承包商转包给没有水利水电压力钢管制作资质 毫无经验的单位 施工前没有施工组织设计 没有编制焊接工艺规程 施工期间没有认真的质量监督和严格的无损检查 最近四川连续有几个工程投产前检查有问题 有的水头近千米 管径很小 镇墩混凝土已浇 探伤发现问题 处理十分困难 业主只要求尽快投入运行 带病的压力管道迟早会对我们报复 尤其是明钢管爆破事故还可能会产生继发大的灾难 这里给我们启示 这样的水压试验并不能证明岔管结构安全 不做水压试验的前提条件 1 事先审查施工单位的施工组织设计 2 对焊接 监理 工程管理人员作专业培训 3 要求100 超声波检查 不低于20 X光检查的一次合格率在98 以上 不合格的部分不得有连续超标缺欠 严格做好返修 对于高强钢制作的钢管还要增加100 的焊缝表面探伤 磁粉或着色 4 要有完整的施工记录 证明实际焊接过程得到严格控制 焊缝间隙 预热 清根 焊接线能量 层间温度 后热 5 采取合适的消除焊接残余应力措施 振动法 爆炸法等等 6 专家评审 报规范管理部门备案 四 XXX水电站 XXX水电站是一座引水式电站 装机容量2 24mW 保证出力11 2mW 年发电量2 61亿kW h 电站建成后将以基荷运行为主 引水线路长20 9km 输水到压力前池 后接压力钢管 压力钢管采用明管并用支墩支承 全长822m 管径为5 2m 均采用Q235镇静钢 管壁厚度15 20mm 压力钢管段基础大部分位于砂卵砾石层上 局部地段有冲洪积粉土层出露 工程区域地震基本烈度为 度 据1 400万 中国地震动参数区划图 GB18306 2001 工程区地震动峰值加速度为0 15g 观察探坑情况 设计部门委托我们作岔管计算和结构优化 并要求对明管段设计复核 在得到有关资料后 考虑到该电站明钢管直径大 从工程措施角度很难保证在地震时不产生因明钢管横向震动和支墩位移过大而从支墩上滑落 一旦滑落将会发生钢管或波纹管伸缩节爆裂事故 巨大的爆破裂口会使管内存水迅速外泄 进而导致其下游所有建筑物破坏 造成严重的人员和财产损失 而爆裂口以上部分 因水流突然加大 管道来不及补气则会发生失稳事故 XXX水电站大部分明钢管布置在比较平缓的砂卵砾石山坡上 这有利于设置沟埋管 钢管外外包混凝土 以承担回填土压力 沿地面铺设的钢衬钢筋混凝土管和浅埋的钢衬钢筋混凝土管等不同的结构型式方案 可以从中选择最适合当地地形 地质条件的方案 上述三个可选方案都能适应较大级别的地震 即使以后电站运行期间因地震过大而造成钢管破坏 也因其结构特点限制了裂口尺寸和出水流量值 不会进一步导致严重的下游建筑物破坏和上游管段失稳事故 尽管该工程设计也经过各级审查 但对地震区建造明钢管的隐患认识不足 没有考虑到地震可能会导致明钢管从支墩上滑落 并发生更为严重的继发事故 经过和设计单位 业主交流 2008年5月初同意改为沟埋管 从随后不久发生的四川汶川大地震情况看 地震区的地面建筑物大都破坏 而地下工程大都不受影响 XXX工程改为沟埋管所多花的1800万元实际上是非常值得的工