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五強溪電廠4號機壓力鋼管安全性檢測分析與評估

文檔作者：張平文檔來源：湖南五凌電力工程有限公司		點擊數：	更新時間： 2025年05月30日
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76
第41 卷 第5 期
2018 年5 月
水 電 站 機 電 技 術
Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower Station
Vol.41 No.5
May.2018
收稿日期： 2018-02-28
作者簡介： 張　平（1982-），男，工程師，從事水電廠機電設備檢修
技改工作。
五強溪電廠4 號機壓力鋼管安全性檢測分析與評估
張 平
（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙410004）
摘 要： 介紹了水電廠壓力鋼管安全性檢測過程，采用腐蝕情況檢查、無損探傷、靜應力檢測、動應力檢測等方法，
根據檢測結果對4 號機組壓力鋼管安全性進行評估。對于類似工程有一定的借鑒作用。
關鍵詞： 壓力鋼管；腐蝕；應力檢測；有限元復核計算；安全性評估
中圖分類號：TV732.4+1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-5387（2018）05-0076-06
DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2018.05.023
0 引言
五強溪水電廠位于湖南省沅陵縣境內的沅水干
流上，全廠裝機5×250 MW。5 臺機組壓力鋼管運
行均接近20 年，可能存在隱患或帶病運行。為保證
整個電廠的安全，防止壓力鋼管局部破裂出現大量
漏水事故，有必要對其進行安全檢測與評估。
電廠5 臺機組設置獨立的引水壓力鋼管。4 號
機組壓力鋼管長83.89 m，直徑11.2 m，設上游段、下
彎段、水平段、伸縮節及廠內延伸段。自上游段至下
彎段設計用18~22 mm/16Mn 鋼板。水平段用36 mm/
SM58Q 高強鋼板，伸縮節及廠內延伸段為40 mm/62U
高強鋼板。為進一步了解設備長時間運行后的安全
情況，及時發現可能存在的各種缺陷，對4 號機壓力
鋼管進行安全檢測與評估。
1 檢測范圍及內容
檢測范圍：4 號機壓力鋼管下彎段、水平段、伸
縮節及廠內延伸段。檢測內容: 外觀檢測、銹蝕量
檢測、材質檢測、焊縫無損探傷、靜應力檢測、動應力
檢測等。
2 外觀及腐蝕情況檢測
2.1 概述
外觀檢查是以目測為主，配合使用測量工具，對
壓力鋼管的外觀形態和銹蝕狀況進行檢查。外觀形
態檢查主要檢查鋼管管壁、伸縮節及焊縫區的滲漏，
鋼管管壁表面損傷及明顯變形，焊縫表面缺陷及其
異常情況等。銹蝕狀況檢查是對鋼管各管段的銹蝕
分布、銹蝕面積及銹蝕部位等進行描述，評定各部位
的銹蝕程度。
2.2 外觀檢查
對壓力鋼管內部及明管段外部進行檢查，檢查
結果表明壓力鋼管外觀形態完好，無明顯移位、變形
和損傷，鋼管表面涂層基本完好，埋管外包混凝土未
發現明顯掏空現象。主要存在以下問題：
（1）加筋環焊縫以及加筋環與鋼管聯接焊縫、鋼
管內壁局部存在焊瘤、咬邊、孔眼、凹坑、飛濺物等外
觀缺陷；伸縮節內部蓋板密封焊縫成型質量差，存在
焊瘤、咬邊等問題。
（2）廠房明管段鋼管外壁銹蝕主要發生在加筋
環支撐點及鋼管與上下游側墻聯接部位，主要以銹
坑、銹跡斑形式分布，局部密集成片分布，銹坑深度
為1.0~1.5 mm。
（3）加勁環支撐點搭接焊縫存在裂紋，明管段下
游側墻體開裂。
（4）鋼管內壁一般銹蝕或較重銹蝕，管壁表面分
布有銹斑、銹包或較深的點銹坑，在100 mm×100 mm
范圍內約有40 個銹坑，坑深為0.4~2.9 mm。
2.3 銹蝕量檢測
根據鋼管管壁的銹蝕程度和銹蝕部位，銹蝕量
檢測采用數字超聲波測厚儀、測針和涂層厚度測定
儀等儀器和工具進行。對壓力鋼管內壁及明管段外
萬方數據
第 5 期 77
壁進行蝕余厚度測量，計算出銹蝕量與銹蝕速度（見
表1、表2）。
圖1　壓力鋼管分段與編號
表1 鋼管內壁銹蝕量檢測結果
平均銹蝕量
/mm
最大銹坑深
度/mm
最小銹坑深
度/mm
已使用年
限/a
平均銹蝕速率
/mm/a
1.24 2.6 0.5 18 0.069
表2 明管段外壁銹蝕量檢測結果
平均銹蝕量
/mm
最大銹坑深
度/mm
最小銹坑深
度/mm
已使用年
限/a
平均銹蝕速率
/mm/a
1.62 2.1 0.7 18 0.09
3 材料檢測
3.1 材料合金分析
試驗前，先對試樣表面進行處理，清除試樣表面
污垢、涂層、銹蝕等雜物，然后進行成分分析，測試出
試樣化學成分的百分含量（見表3、表4）。
表3 伸縮節合金成分測試結果
/ Mn Mo Cr V Cu
實測1.34 0.19 0.13 0.05 0.29
標準（62U） 0.9~1.4 ≤ 0.20 ≤ 0.30 ≤ 0.08 ≤ 0.3
表4 水平段合金成分測試結果
/ Mn Mo Cr Ni /
實測1.34 0.19 0.13 0.05 /
標準（SM58Q） 0.9~1.4 ≤ 0.20 ≤ 0.30 ≤ 0.08 /
3.2 材料硬度與抗拉強度檢測
硬度和抗拉強度檢測使用HLN-11A 型里氏硬
度計在現場進行測試，儀器將硬度測試值自動轉換
成相應的抗拉強度值，硬度和抗拉強度值測試一次
完成。測試結果見表5。
表5 硬度及抗拉測試結果
/　
伸縮節
（下游）
伸縮節
（上游）
12 號25 號g1 號
材質62U 62U SM58 Q SM58 Q 16 Mn
硬度（HB） 210 207 197 190 208
抗拉強度/MPa 710 700 667 640 704
抗拉強度標準
值/MPa
607~725 607~725 607~725 607~725 570~720
4 焊縫無損探傷
雖然壓力鋼管在制造安裝階段已對焊縫進行過
較為嚴格的探傷，但經長期運行后，在荷載作用下焊
縫有可能產生新的缺陷，原先經檢查在容許范圍內
的缺陷亦有可能擴展。焊接缺陷會降低焊縫的抗拉
強度、延伸率、沖擊韌性和疲勞強度，故需要對焊縫
進行抽檢探傷。
4 號機壓力鋼管焊縫超聲探傷檢測按文獻【2】
要求執行，一類焊縫：超聲波探傷應不少于20%；二
類焊縫：超聲波探傷應不少于10%；發現裂紋時應
根據具體情況在裂紋的延伸方向增加探傷長度，直
至全長。其中鋼管縱焊縫為一類焊縫，環焊縫為二
類焊縫，本次壓力鋼管共檢測一類焊縫25 m，二類
焊縫256 m，檢測比例均大于規程要求。具體檢測
位置及長度如下頁圖2 所示。
4.1 超聲波檢測結果
對鋼管焊縫進行超聲波探傷抽查，對接焊縫主
要抽查T 形焊縫，抽查焊縫總長281 m，檢測未發現
超標缺陷。
4.2 磁粉檢測結果
對鋼管焊縫及伸縮節內部密封擋水板焊縫進行
磁粉探傷抽查。對接焊縫主要抽查T 形焊縫，抽查
焊縫總長281m；內部密封擋水板焊縫抽查下部，抽
查長20 m。檢測發現4 處裂紋。
（1）人孔門下游第二條環焊縫右岸側距底部約
3 000 mm 處，焊縫融合線上存在一條長16 mm、深
5 mm 的裂紋。
（2）人孔門下游第二條環焊縫右岸側距底部約
3 000 mm 處，焊縫融合線上存在一條長14 mm、深
8 mm 的裂紋。
（3）伸縮節上游第三條環焊縫右岸側，丁字焊縫
上方100 mm 處，焊縫融合線上存在一條長10 mm、
深7 mm 的裂紋。
（4）伸縮節下游第一條環焊縫右岸側距底部
5 000 mm 處，距焊縫熔合線10 mm 處的母材上有一
條長5 mm、深3 mm 的裂紋。
針對上述檢測發現的缺陷，已將裂紋打磨至消
除，使用che507 焊條堆焊處理并打磨平滑，經探傷
合格。
4.3 著色檢測結果
對引水管段伸縮節內部密封擋水板整圈異種鋼
張　平：五強溪電廠4 號機壓力鋼管安全性檢測分析與評估
萬方數據
78 水 電 站 機 電 技 術第41 卷
焊縫進行著色檢測，長約81 m。未發現表面開口缺陷。
5 應力檢測
壓力鋼管運行多年后，受磨蝕、銹蝕、變形等因
素的影響，其結構強度與設計狀態相比將有所下降，
運行的可靠性降低。為了解在役壓力鋼管的應力狀
況，有必要對鋼管進行應力檢測。
5.1 檢測方法
應力檢測采用電測法，分為靜應力檢測和動應
力檢測，檢測部位為廠房明管段。靜應力檢測是檢
測在靜水壓力作用下鋼管管壁的應力；動應力檢測
是檢測機組甩負荷產生水錘壓力時鋼管的應力。結
構應力檢測采用電阻應變計、動態信號測試分析系
統及筆記本微機等設備。結構應力檢測系統圖如圖
3 所示。
圖3 結構應力檢測系統框圖
電阻應變
片
動態信號測試分析
系統（DH5922）
筆記本微
機
圖 3　結構應力檢測系統框圖
5.2 測點布置
鋼管靜、動應力檢測的測點布置在鋼管與側墻
聯接處附近（A-A 斷面）、伸縮節下游側附近（B-B 斷
面）、伸縮節上游側附近（C-C 斷
面）、加強勁附近（D-D 斷面）等四
個斷面。每個斷面對稱布置4 個
三向測點，四個斷面共布置16 個
三向測點，測點的具體位置如圖4
所示。
5.3 檢測工況
（1）靜應力檢測荷載為作用于
鋼管的靜水壓力。鋼管檢測時，水
庫水位105 m，作用于鋼管的水頭
為55 m（鋼管中心高程為50.0 m）。
（2）動應力檢測荷載為作用于
鋼管的靜水壓力和水錘壓力。鋼
管檢測甩負荷工況為：
工況一：機組甩50％額定負
荷（131.3 MW）。
工況二：機組甩75％額定負
荷（186.5 MW）。
工況三：機組甩實際最大負荷
（244.5 MW）。
5.4 檢測數據處理依據
單向測點應力與應變的關系為：σ = Eε
三向測點應力與應變的關系式為：
2( )
1 A C
E
&#x1F;&#x1E; &#x1D; μ&#x1D;
μ
= +
?
2( )
x 1 C A
σ E ε με
μ
= +
?
(2 )
x 2(1 ) B A C
E
θ τ
ε ε ε
μ
= ? ?
+
圖2　焊縫檢測示意圖（虛線為壓力鋼管底部）
圖4　明管測點布置示意
萬方數據
第 5 期 79
2 [ ]2
max ( ) 2 ( )
2(1 ) A C B A C
τ E ε ε ε ε ε
μ
= ? + ? +
+
式中：
σ—單向測點的應力；
σθ、σx—分別為三向測點的環向應力、軸向應力
（θ、x 方向分別與εA、εc 方向一致）；
τθx—三向測點的剪應力；
τmax—三向測點的最大剪應力；
E—鋼材的彈性模量（E=2.06×105 MPa）；
μ—鋼材的泊松比（μ=0.30）；
ε—單向測點的應變；
εA、εB、εC、—分別為三向測點沿環向、與軸向成
45o 方向、軸向的應變值。
三向測點的等效應力（σeq）計算公式為：
σeq= 2 2 3 2eq θ x θ x θx σ = σ +σ ?σ σ + τ
5.5 檢測成果與分析
在實測水位下，鋼管最大環向應力為85.9 MPa，
最大等效應力為92.3 MPa；機組甩50％額定負荷
時，鋼管最大環向應力為97.1 MPa，最大等效應力為
104.0 MPa；機組甩75％額定負荷時，鋼管最大環向
應力為107.9 MPa，最大等效應力為116.3 MPa；機組
甩實際最大負荷時，鋼管最大環向應力為113.4 MPa，
最大等效應力為121.2 MPa。最大環向應力點均出
現在A-A 斷面的1 號測點，最大等效應力點均出現
在B-B 斷面的2 號測點。
圖5 給出了動應力實測典型過程曲線（相對于
凈水壓力下測點應力變化），圖中四個曲線分別為機
組甩75% 負荷時3 號環向和軸向應變，11 號軸向
應變和12 號與軸向成45o 方向應變曲線。
圖5　動應力實測典型過程線
依據文獻【3】規定的承載能力極限狀態設計原
則可知：鋼管62 U 材質、SM58 Q 材質的的整體膜應
力區、局部應力區的抗力限值如表6 所示。
表6 硬度及抗拉測試結果
材質整體膜應力區局部應力區
抗力限值
/MPa
62U 302.1694 439.5192
SM58Q 262.9132 383.0954
6 有限元復合計算與分析
為確定實測應力值的可靠性及準確度，需要對
壓力鋼管進行有限元復核計算與分析。
6.1 水錘計算
6.1.1 水錘波傳播速度的確定
水錘波的傳播速度與管壁材料、厚度、管徑以及
水的彈性模量等有關。其傳播速度可表示為：
/
1 2
0.5
w w
w
E g
a
E
KD
γ
=
+
式中：Ew—水的體積彈性模量，2.1×107 MPa；
K—管道的抗力系數；
g—重力加速度。
根據以上公式，可以求出管道中水錘傳播速度，
水錘波速約等于1 000 m/s。
6.1.2 水錘形式的確定
水錘的產生形式有直接水錘和間接水錘，直接
水錘是水電站必須避免的。間接水錘是指當閥門關
閉過程結束前，水庫異號反射回來的降壓波已到達
閥門處。進行水錘計算，關鍵是求出其最大值。
第一相水錘可以按以下公式進行計算：
1
0
2
1
A σ
ξ
ρτ σ
=
+ ?
1 0
ΔH =γξ AH
式中：γ- 分項系數，取1.1；ρ、σ- 管道的特性系
數。
0
0
max
0
2
s
av
gH
Lv
gH T
ρ
σ
=
=
式中：Ts- 導葉總關閉時間；L- 管道總長；v- 流
速。
末相水錘可以按以下公式計算：
2
2
A
m
σ
ξ
σ
=
?
0
A
m ΔH =γξ H
張　平：五強溪電廠4 號機壓力鋼管安全性檢測分析與評估
萬方數據
80 水 電 站 機 電 技 術第41 卷
經計算，第一相水錘為在最大水頭下丟棄全負
荷的間接水錘。在實測水位（55 m）下甩最大負荷，
最大水錘壓力作用水頭為18.9 m；在設計洪水位
（60.1 m）下甩最大負荷，最大水錘壓力作用水頭為
18.7 m。在其他參數一定情況下，作用水頭越大，管道
特性系數σ 越小，第一相水錘越小，所以在設計洪水
位下的第一相水錘小于實測水位下的第一相水錘。
6.2 有限元模型
6.2.1 單元劃分
根據廠房明管段鋼管的結構形式和受力特點，
對伸縮節上游側、下游側鋼管分別進行計算。壓力
鋼管是典型的空間薄壁結構體系，因此將鋼管離散
為板殼單元。鋼管伸縮節上游側鋼管計算模型的
節點總數為52 560 個，單元總數為17 280 個；伸縮
節下游側鋼管計算模型的節點總數為19 920 個，單
元總數為6 480 個；鋼管明段有限元計算模型如圖
6 所示。
（a）伸縮節上游側鋼管 （ b）伸縮節下游側鋼管
圖6　鋼管明管段有限元計算模型
6.2.2 約束處理
伸縮節上游側鋼管與混凝土墻體直接聯接和伸
縮節為徑向簡支約束，加筋環為徑向約束，加勁環上
2 個支撐點為固定約束，伸縮節下游側鋼管與混凝
土墻體直接聯接為固定約束，伸縮節一端為徑向約
束。
6.2.3 鋼管幾何尺寸與材料特性
鋼管構件的外形尺寸按設計圖紙并結合實測尺
寸取用，鋼管構件的厚度采用現場實測的蝕余厚度。
壓力鋼管明管段材質為62U 和SM58Q，彈性模量
E=2.06×105 MPa，泊松比μ=0.3，容重γ=78 kN/m3。
62 U 的屈服強度和抗拉強度分別為585 MPa 和
621 MPa，SM58 Q 的屈服強度和抗拉強度分別為
509.9 MPa 和617.8 MPa。
6.3 應力計算結果與分析
應力計算工況主要考慮作用于鋼管的水壓力、
鋼管自重及甩負荷的水錘壓力，作用水頭值依照水
錘形式確定計算值。
6.3.1 強度評判標準
依據文獻【3】規定，按承載能力極限狀態設計
原則，鋼管各點的應力應滿足：
R σ ≤≤σ
按第四強度理論，鋼管各點的應力為Mises 等
效應力，其計算式為：
2 2 3 2 seqv θ x θ x θ x σ = σ +σ ?σ σ + τ
R σ 按下式計算：
0
1
R
d
σ f
γ ψγ
=
式中： seqv σ —鋼管結構構件的Von Mises 等效
應力； R σ —鋼管結構構件的抗力限值； θ σ —環向正
應力； x σ —軸向正應力；θ x τ —剪應力； 0 γ —結構重
要性系數，取1.1；ψ—設計狀況系數，取1.0； d γ —結
構系數，主廠房內的明管， d γ 宜增大10％～20％。
整體膜應力區取1.76，局部應力區取1.21；f—鋼材
強度設計值。壓力鋼管的抗力限值列于表6。
6.3.2 應力計算成果與分析
在靜水壓力（工況一）、實測水位下機組甩額定
負荷（工況二）、設計洪水位下機組甩額定負荷（工
況三）時鋼管管壁的Mises 等效應力云圖如圖7 所
示。
圖7　鋼管管壁的Mises 等效應力云圖（單位：Pa）
三種工況下鋼管管壁最大Mises 等效應力計算
萬方數據
第 5 期 81
結果列于表7。
表7 廠房明管段管壁最大Mises 等效應力
工況
伸縮節上游側鋼管伸縮節下游側鋼管
Mises 等效應力/MPa Mises 等效應力/MPa
整體膜應力區局部應力區整體膜應力區局部應力區
工況一85 118 84 141
工況二115 154 126 184
工況三128 163 142 195
由有限元計算結果可知，在靜水壓力、實測水位
下機組甩額定負荷、設計洪水位下機組甩額定負荷
時鋼管的最大Mises 等效應力均小于抗力限值。
6.4 有限元計算成果與實測成果比較分析
鋼管應力檢測是根據鋼管的結構特點及工況，
在鋼管的特征斷面布置測點，因而，應力檢測只能測
表面一點處的應力狀況，而鋼管整體的應力狀況只
能通過有限元分析計算才能得到。為了解鋼管應力
檢測和有限元分析計算成果的準確性，有必要對檢
測與計算成果進行比較。
在工況一的實測水位下，和廠房明管段鋼管各測
點的等效應力檢測成果與有限元計算結果列于表8。
表8 鋼管明管段各測點的計算應力和實測應力
測點號實測應力/MPa 計算應力/MPa 相對差值/%
1 72.4 75.8 4.5
2 90.8 92.3 1.6
3 26.9 25.8 4.3
4 50.3 56.1 10.3
5 65.4 68.4 4.4
6 64.2 79.7 19.4
7 33.5 30.9 8.4
8 56.4 50.8 11.0
9 26.3 25.5 3.1
10 30.7 33.7 8.9
11 19.4 22.7 14.5
12 27.5 26.6 3.4
13 60.7 63.8 4.9
14 87.3 81.5 7.1
15 34.1 32.1 6.2
16 48.0 52.3 8.2
根據表中數據可知：在鋼管的16 個測點中，實
測應力與計算應力相對差值超過10% 以上的測點
僅有3 個；相對最大差值為19.4%，出現在6 號測點。
相對最小差值為1.6%，出現在2 號測點。廠房明管
段鋼管的實測應力與計算應力差異均較小，檢測成
果與有限元計算成果互為驗證，表明檢測成果和計
算成果是可信的。
7 檢測結果綜合分析
用定量光譜儀及硬度計對明管段的化學成分及
硬度進行檢測，結果表明明管段材料成分和性能與
設計相符。
明管段鋼管靜應力檢測（水頭55 m）結果表明，
最大等效應力值為材料抗力限值的35.2%；動應力
檢測（水頭55 m，分三個工況：機組甩50％，75% 和
100% 額定負荷）結果表明，最大等效應力值為材料
抗力限值的46.3%。同一測點在甩滿負荷時的等效
應力均高于靜應力檢測中的等效應力，應力水平最
高差44%，差值為28.9 MPa。
對明管段的實測應力與有限元計算應力進行比
較，發現兩者相對差值最大為19.5%，最小為1.6%，
相對差值高于10% 的測點僅4 個，低于5% 的測點
有7 個，結果表明有限元計算結果與實測應力結果
有一定的吻合性。
8 結論
綜上分析認為，五強溪水電站4 號機組引水系
統壓力鋼管安全等級評定合格。
鋼管應力檢測和有限元仿真計算結果表明，明
管段在洪水位下甩負荷時，在明管段的混凝土墻體、
伸縮節及加勁環等附近部位應力水平較高，達到材
料抗力限值74.4%。考慮到鋼管結構局部的不連續
性及腐蝕、焊接等缺陷，局部區域會產生應力集中，
有可能達到甚至超過材料的屈服極限，在機組負荷
變化引起的水錘壓力交變作用下，鋼管長時運行，局
部區域有可能產生疲勞裂紋并致破壞，應加強該區
域部位的定期檢測與巡查。同時處理好鋼管內壁裂
紋、伸縮節下游墻體開裂、加筋環支撐點裂紋及局部
腐蝕等問題。
參考文獻：
[1] 楊光明，鄭圣義，夏仕鋒. 水電站壓力鋼管安全檢測與評
估研究[J]. 水力發電學報，2005（05）.
[2] GB11345-2013 鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結果
分級[S].
[3] DL/T5141-2001 水電站壓力鋼管設計規范[S].
張　平：五強溪電廠4 號機壓力鋼管安全性檢測分析與評估

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