尹志富

二灘水電站部分機(jī)尾水管進(jìn)人門左上方混凝土和鋼襯之間存在較大漏水，通過現(xiàn)場情況分析，確定水輪機(jī)尾水錐管存在裂紋。通過詳細(xì)的對比和統(tǒng)計分析，確定問題錐管存在安裝及運行方面的缺陷例如鋼板和混凝土之間存在間隙，機(jī)組負(fù)荷頻繁調(diào)整且長期在振動區(qū)域運行致使某些負(fù)荷區(qū)域尾水管壓力脈動增加而誘發(fā)尾水錐管穿透性裂紋。提出了有救解決機(jī)尾水錐管裂紋及發(fā)生滲漏水的6個有關(guān)措施。

工程概述

二灘水電站位于四川省境內(nèi)的雅礱江干流上。電站共裝設(shè)6臺550MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總?cè)萘?300MW。是川渝電網(wǎng)最大的調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓及事故備用主力電廠。并擔(dān)任調(diào)頻調(diào)峰任務(wù)。電站首臺機(jī)組于1998年8月18日正式并網(wǎng)運行，1999年12月6臺機(jī)組全部投入使用，2000年上半年工程全部竣工。

二灘水電站水輪機(jī)尾水管為高窄型尾水管，分為錐管和肘管兩部分。尾水錐管材質(zhì)為525mmQ235-B鋼板。尾水管錐管段進(jìn)口直徑為φ5964mm，出口φ7439mm，高8350mm，進(jìn)口不設(shè)配割段。進(jìn)口段500mm范圍內(nèi)采用625mm厚不銹鋼板1Cr18Ni9Ti以增強(qiáng)轉(zhuǎn)輪出口部位尾水管的抗空化能力。尾水管中上部設(shè)有800×1000mm？的進(jìn)人門，門下設(shè)有鋁合金檢修平臺。尾水管不論是錐管還是肘管上都只設(shè)有環(huán)向筋板，無縱向筋板。

2012年6月25日，巡檢中發(fā)現(xiàn)3號機(jī)尾水管進(jìn)人門左上方混凝土和鋼襯之間漏水較大（見圖1、圖2）。根據(jù)以往類似情況的經(jīng)驗和現(xiàn)場情況分析，產(chǎn)生漏水的原因為3號水輪機(jī)尾水錐管出現(xiàn)了裂紋。

裂紋原因分析

尾水錐管裂紋統(tǒng)計

二灘水電站六臺機(jī)組自1998年投產(chǎn)運行至今，已發(fā)生過12起（不含本次）尾水錐管裂紋，其中3號機(jī)組共出現(xiàn)過6起（不含本次）尾水錐管裂紋，其他機(jī)組共出現(xiàn)過6起尾水錐管裂紋，詳見尾水錐管裂紋統(tǒng)計表（表1）。其中3號機(jī)尾水錐管2011年10月4日D修與2011年12月28日C修發(fā)現(xiàn)的裂紋長度和位置如圖3所示。

裂紋統(tǒng)計分析及裂紋處理

未出現(xiàn)裂紋的機(jī)組：根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，二灘水電站六臺機(jī)組自投產(chǎn)運行至今，僅1號機(jī)組未出現(xiàn)尾水錐管裂紋。

出現(xiàn)1次裂紋的機(jī)組：根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，二灘水電站4號機(jī)組和6號機(jī)組自投產(chǎn)運行至今，尾水錐管均只出現(xiàn)1次裂紋。其中，4號機(jī)組裂紋是在2012年4月機(jī)組C修期間用超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的內(nèi)部裂紋。2006年12月6號機(jī)組C修期間檢查出尾水錐管裂紋，經(jīng)處理后至今未再出現(xiàn)裂紋（運行了5年半時間）。根據(jù)對4號機(jī)組和其他機(jī)組的探傷檢查說明，機(jī)組尾水錐管裂紋是隨著機(jī)組運行時間的增加而不斷發(fā)展的，以前未出現(xiàn)裂紋的機(jī)組也逐漸開始出現(xiàn)裂紋。

出現(xiàn)2次裂紋的機(jī)組：二灘水電站2號機(jī)組和5號機(jī)組自投產(chǎn)運行至今，尾水錐管均出現(xiàn)2次裂紋。2號機(jī)組2007年12月機(jī)組C修期間，第一次檢查出尾水錐管裂紋；2011年4月機(jī)組D修，第二次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋（兩條），距上次裂紋出現(xiàn)的時間間隔為3年4個月。5號機(jī)組2002年2月機(jī)組C修期間，第一次檢查出尾水錐管裂紋；2005年5月機(jī)組C修期間，第二次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋，距上次裂紋出現(xiàn)的時間間隔為3年3個月。5號機(jī)組尾水錐管第二次裂紋處理后運行至今已滿7年，未出現(xiàn)裂紋。

多次出現(xiàn)裂紋的機(jī)組：3號機(jī)組自投產(chǎn)運行至今，尾水錐管共出現(xiàn)6次裂紋（不含本次）。2002年1月機(jī)組C修期間，第一次檢查出尾水錐管裂紋（兩條）；2005年4月3號機(jī)組D修期間，確認(rèn)其尾水錐管第二次出現(xiàn)裂紋，距上次裂紋出現(xiàn)的時間間隔為3年3個月；2006年3月機(jī)組C修期間，第三次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋，距上次裂紋出現(xiàn)的時間間隔為11個月：2008年2月機(jī)組C修期間，第四次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋，距上次裂紋出現(xiàn)的時間間隔為1年11個月；2011年10月3號機(jī)組D修期間，第五次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋，距上次裂紋出現(xiàn)的時間間隔為3年10個月；2011年12月3號機(jī)組C修期間，第六次確認(rèn)尾水錐管出現(xiàn)裂紋，這次裂紋是擴(kuò)大尾水錐管探傷范圍時用超聲波探傷發(fā)現(xiàn)的，裂紋位于尾水管進(jìn)人門左上方距尾水錐管上部50mm、距尾水錐管表面19mm處（尾水錐管鋼板厚度為25mm），長度為45mm。根據(jù)統(tǒng)計可知，3號機(jī)組尾水錐管共出現(xiàn)過7條裂紋，其中尾水管進(jìn)人門左上方2條，正上方4條，右上方1條。

尾水錐管裂紋統(tǒng)計及裂紋的處理

二灘水電站六臺機(jī)組自投產(chǎn)以來，尾水錐管共出現(xiàn)過14條裂紋（不含本次），所有裂紋均出現(xiàn)在尾水管進(jìn)人門上方（左上方5條，正上方6條，右上方3條）。

對于尾水錐管出現(xiàn)的裂紋，均按照二灘電站《尾水錐管裂紋處理工藝》要求對裂紋進(jìn)行補(bǔ)焊處理，然后對脫空段進(jìn)行灌漿處理。

尾水錐管裂紋的預(yù)防及檢查

以往每年每臺次機(jī)組檢修時，都會對尾水錐管進(jìn)行探傷檢查，重點檢查尾水檢修平臺以上部位，對尾水錐管所有焊縫均進(jìn)行滲透探傷檢查。由于尾水管進(jìn)入門上部為裂紋頻發(fā)部位，所以，還要對尾水管進(jìn)“門上部、尾水管進(jìn)入門左右兩側(cè)3m以內(nèi)范圍進(jìn)行超聲波探傷檢查，以確認(rèn)該區(qū)域尾水錐管無內(nèi)部缺陷。

2011年間，因“2號機(jī)尾水管進(jìn)人門左上方漏水”、“3號水輪機(jī)尾水管進(jìn)“門上部左側(cè)漏水”缺陷，對2號、3號機(jī)進(jìn)行D修，確認(rèn)漏水均因尾水錐管出現(xiàn)裂紋所致。于是，2011～2012年度C修期間，除對各臺機(jī)組尾水檢修平臺上部尾水錐管所有焊縫進(jìn)行滲透探傷檢查外，對尾水管進(jìn)“門上部整圈尾水錐管均進(jìn)行了超聲波探傷檢查。

機(jī)組檢修期間，對尾水檢修平臺以上部位的尾水錐管進(jìn)行脫空檢查，對單塊脫空面積達(dá)0.5m²及以上的區(qū)域進(jìn)行鉆孔灌漿處理。機(jī)組檢修中，對發(fā)現(xiàn)的尾水錐管裂紋及缺陷均嚴(yán)格按工藝要求進(jìn)行了及時處理，尾水錐管探傷檢查及尾水錐管脫空檢查處理對尾水錐管裂紋起到了一定的預(yù)防作用。

原因分析

安裝方面的原因分析。由于二灘電站六臺機(jī)組分別由不同廠家制造、安裝，不同機(jī)組尾水管的材質(zhì)、施工焊接質(zhì)量、混凝土灌注情況等必然存在差異，在相似運行工況下出現(xiàn)裂紋的概率也就不同。相比其它機(jī)組，3號機(jī)尾水錐管出現(xiàn)裂紋次數(shù)最多，其第一次出現(xiàn)裂紋的時間最早且距機(jī)組投運時間較短，說明3號機(jī)尾水錐管可能存在某些先天的薄弱因素。

經(jīng)過觀察，部分機(jī)組在運行過程中尾水管進(jìn)人門處一直十分干燥，而另一部分機(jī)組在運行過程中尾水管進(jìn)入門混凝土和鋼襯之間經(jīng)常有水流出，2號、3號機(jī)組尤其明顯，進(jìn)一步檢查時某些機(jī)組尾水錐管卻未發(fā)現(xiàn)裂紋，這些現(xiàn)象說明尾水錐管鋼板和混凝土之間存在微小間隙。由于該微小間隙的存在，使得原設(shè)計的錐管鋼板和混凝土聯(lián)合受力結(jié)構(gòu)改變成錐管鋼板單獨受力結(jié)構(gòu)，增大了錐管裂紋發(fā)生的可能。

運行方面的原因分析。二灘水電站是所在電網(wǎng)中的大型骨干電廠，擔(dān)任系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)，機(jī)組負(fù)荷調(diào)整頻繁，常在非最優(yōu)工況的低負(fù)荷區(qū)運行。負(fù)荷調(diào)整時的過渡過程、低負(fù)荷工況下尾水管中的渦流、渦帶都將引起尾水壓力脈動增加。尾水管進(jìn)人門及其周邊區(qū)域處于渦帶的旋轉(zhuǎn)壓力場區(qū)，且其結(jié)構(gòu)上無混凝土支撐，在尾水壓力脈動作用下，該金屬結(jié)構(gòu)振動加劇，尾水錐管疲勞破壞作用就更加顯著，易導(dǎo)致尾水錐管管壁開裂、出現(xiàn)漏水，泄漏的水不斷的將尾水管撞擊磨損的混凝土漿帶出，隨著漏水量增加，混凝土侵蝕加劇，當(dāng)尾水錐管管壁與混凝土之間的間隙越來越大時，尾水錐管管壁振幅加大，導(dǎo)致錐管管壁鋼板疲勞加劇、裂紋惡化，進(jìn)入惡性循環(huán)。

裂紋處理工藝及灌漿孔處理工藝分析

二灘水電站尾水錐管裂紋均按照《二灘水力發(fā)電廠尾水錐管裂紋處理工藝》處理，其中6號機(jī)和5號機(jī)尾水錐管自裂紋處理后投運至今已長達(dá)5年半和7年時間，狀態(tài)穩(wěn)定，均未再出現(xiàn)裂紋，由此證明我廠尾水錐管裂紋處理工藝滿足尾水錐管裂紋處理要求。但是，當(dāng)尾水錐管出現(xiàn)穿透性裂紋時，由于位置的限制，只能采用單面焊、雙面成型的方法進(jìn)行補(bǔ)焊處理，必然導(dǎo)致混凝土側(cè)2～3mm的鋼材強(qiáng)度無法完全恢復(fù)至原有強(qiáng)度。由于尾水錐管鋼板厚度只有25mm，當(dāng)尾水錐管同一區(qū)域反復(fù)出現(xiàn)穿透性裂紋后，這一區(qū)域的鋼板可能會由于反復(fù)補(bǔ)焊導(dǎo)致強(qiáng)度減弱。

機(jī)組檢修期間，還會對尾水檢修平臺以上部位的尾水錐管進(jìn)行脫空檢查，對單塊脫空面積達(dá)0.5m²及以上的區(qū)域進(jìn)行鉆孔灌漿處理。尾水錐管灌漿處理首先要在脫空部位鉆灌漿孔，孔徑為12mm。然后注入水泥漿，灌漿完畢且脫空處的漿液充分凝固后對灌漿孔進(jìn)行補(bǔ)焊封堵。由于灌漿孔是通孔，在補(bǔ)焊封堵時打底的過程中焊條的高溫會造成混凝土飛濺，從而導(dǎo)致焊肉中夾渣，影響補(bǔ)焊效果。2012年檢修中對這一工藝進(jìn)行了改進(jìn)，在灌漿孔底部先放入一個φ11mm厚3mm的不銹鋼塊，然后再進(jìn)行補(bǔ)焊。這樣雖然可以避免混凝土飛濺導(dǎo)致的焊肉夾渣現(xiàn)象，但灌漿孔底部2～3mm的鋼材強(qiáng)度無法完全恢復(fù)至原有強(qiáng)度。這樣的灌漿孔越多，尾水錐管強(qiáng)度受到的影響就越大，特別是尾水管進(jìn)入門上部及其附近區(qū)域的尾水錐管。

結(jié)論及建議

綜上所述，3號機(jī)尾水錐管存在某些先天薄弱因素，其鋼板和混凝土之間存在間隙，尾水錐管同一區(qū)域反復(fù)出現(xiàn)裂紋后補(bǔ)焊導(dǎo)致強(qiáng)度減弱，灌漿孔補(bǔ)焊處理后導(dǎo)致強(qiáng)度減弱，機(jī)組負(fù)荷頻繁調(diào)整且長期在振動區(qū)域運行，在某些負(fù)荷區(qū)域尾水管壓力脈動增加等因素誘發(fā)了尾水錐管穿透性裂紋，使得尾水滲透至尾水錐管鋼板和混凝土之間流出。

據(jù)此提出如下建議：盡可能將尾水錐管鋼板和混凝土之間的間隙填實，特別是尾水管進(jìn)入門區(qū)域。并保證灌漿材料的固化時間足以使其達(dá)到設(shè)計的強(qiáng)度。對尾水管進(jìn)人門周圍無混凝土支撐的尾水錐管采取加固措施，降低振動幅值。進(jìn)一步改進(jìn)尾水錐管穿透性裂紋處理工藝，改善補(bǔ)焊質(zhì)量，提高焊接區(qū)域的管壁強(qiáng)度。裂紋焊接前，利用電加熱片加熱對作業(yè)區(qū)進(jìn)行加溫，完全驅(qū)除裂紋區(qū)域內(nèi)混凝土和尾水錐管鋼板之間的潮氣。

對于穿透性裂紋，進(jìn)一步改進(jìn)其打底工藝，并調(diào)整打底焊接材料和焊接方法。尾水管管壁，特別是尾水錐管裂紋多發(fā)區(qū)域，盡可能少鉆灌漿孔。改進(jìn)灌漿孔補(bǔ)焊工藝，盡量提高補(bǔ)焊后尾水管管壁強(qiáng)度。

優(yōu)化機(jī)組運行方式，盡可能減少機(jī)組在振動區(qū)運行的次數(shù)和時間，減少機(jī)組負(fù)荷調(diào)整的次數(shù)。