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某抽水蓄能電站鋼管鼓包原因分析與處理措施

文檔作者：李沖，張戰(zhàn)午，王化龍，王健姣文檔來源：中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年03月05日
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西北水電·2018年·第1期55
文章編號：1006--2610(2018)01—0055—04
某抽水蓄能電站鋼管鼓包原因分析與處理措施
李沖，張戰(zhàn)午，王化龍，王健姣
(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙410014)
摘要：隨著水電技術的發(fā)展，鋼管襯砌越來越多的應用于水電站壓力管道，壓力鋼管的穩(wěn)定問題也越來越受到重
視。某抽水蓄能電站在尾水鋼管放空檢修過程中發(fā)現(xiàn)鼓包，結合設計、檢測以及現(xiàn)場查勘資料，對鼓包原因進行了
分析并提供了相應的處理措施，總結經驗，以避免類似事故的再次發(fā)生。
關鍵詞：鋼管；鼓包；原因分析；處理措施
中圖分類號-TV743；TV732．41 文獻標志碼：A DOI：10．3969／j．issn。1006—2610．2018．01．011
Causse Analysis and Treatment Measures for Penstock Swelling in A Pumped Storage Power Plant
LI Chong，ZHANG Zhanwu，WANG Hualong，WANG Jianjiao
(Zhongnan Engineering Corporation Ltd．，Changsha 410014，China)
Abstract：With development of hydropower technology，the penstock lining is increasingly applied for the penstock in hydropewer pro—
ject．The penstock stability draws attention more than before．The swelling occurrence is found on the penstock in one pmnped storage
power plant while the penstock is empties． Based on design，inspection and site investigation data，the penstock swelling is analyzed and
its treatment measures fire proposed correspondingly．Experience is summarized to avoid the similar occurrence．
Key words：penstock；swelling；cause analysis；handling measure
1 工程概述
某抽水蓄能電站總裝機容量4x300 MW，額定
水頭195 m，單機額定流量176．1 m3／s，在電網(wǎng)中承
擔調峰、填谷、調頻、調相及事故備用等任務。電站
樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠
房系統(tǒng)和地面中控樓、開關站等組成。尾水系統(tǒng)采
用2機1洞布置型式，其中尾水支洞長128．755 m、
洞徑7．4 m，尾水管至尾水閘門門槽中心下游側20
m采用鋼板襯砌，尾水系統(tǒng)其余洞段均采用鋼筋混
凝土襯砌。
2鋼管設計參數(shù)
尾水系統(tǒng)采用4機2洞布置，其中①、②號機組
與③、④號機組分別共一個輸水單元。③號機組尾
水支洞鋼襯范圍樁號為“③尾支0+000．000 m～0+
074．630 m”，總長74．63 m，共39節(jié)。鋼襯標準管
節(jié)長2．0 m、內徑7．4 m、壁厚22 mm，材質為
收稿日期：2017—08—07
作者簡介：李沖(1983一)，男，湖北省武漢市人，高級工程師，從
事水利水電工程結構設計工作．
16MnR，回填C20混凝土厚0．70 m。鋼襯抗外壓穩(wěn)
定采用加勁環(huán)，標準管節(jié)加勁環(huán)間距1．0 m，材質為
16MnR，斷面尺寸30 mmx250 mm(厚×高)。此外，
為滿足機組技術供水要求，在③號機組尾水支洞正
底部開槽埋設1根DN400的機組技術供水排水管。
③號機組尾水支洞鋼襯段全長全斷面進行固結
灌漿，固結灌漿孔間排距3．0 m×2．0 m、孔徑50
mm，人巖5．0 m，灌漿壓力1．2 MPa。鋼襯頂部120。
范圍內利用管壁預留固結灌漿孔進行回填灌漿，灌
漿壓力0．4 MPa。鋼襯底部90。范圍內進行接觸灌
漿，灌漿壓力0．2 MPa。
3鋼管鼓包情況及現(xiàn)場查勘
電站4臺機組自2010年12月全部投產，總體
運行情況良好。2015年9月7日q月22日，電站
組織開展了③號機組C級檢修。9月22日在拆除
③號機組錐管檢修平臺，并進人流道對③號機組尾
水支洞鋼襯段進行例行檢查時，首次發(fā)現(xiàn)在緊挨尾
水管下游側的③號機組尾水支洞鋼襯段第2、3號管
節(jié)存在鼓包現(xiàn)象。建設單位組織原設計單位與施工
單位等相關專業(yè)技術人員進行了3次現(xiàn)場查勘。
萬方數(shù)據(jù)
56 李沖，張戰(zhàn)午，王化龍，王健姣．某抽水蓄能電站鋼管鼓包原因分析與處理措施
3．1第1次現(xiàn)場查勘
經初步檢查，在緊挨尾水管下游側的③號機組
尾水支洞鋼襯段第2、3號管節(jié)共有10個鼓包，其中
較為明顯的鼓包有6個，集中在第2號管節(jié)兩加勁
環(huán)以及第2號管節(jié)末端與相鄰第3號管節(jié)首端的兩
管節(jié)加勁環(huán)(環(huán)縫附近處)之間，在斷面上均分布在
鋼管兩側腰線以下，最大鼓包直徑約1 200 mm、高
度約40～50 mm，最小鼓包直徑約700 mm、高度約
20 mm。錘擊鼓包及相鄰區(qū)域無空鼓聲音。經擴大
檢查范圍，其余管節(jié)段均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，鋼管焊縫
及灌漿孔也未發(fā)現(xiàn)有明顯滲水現(xiàn)象。
3．2第2次現(xiàn)場查勘
本次對地下廠房系統(tǒng)的滲控廊道進行了全面巡
視檢查，檢查結果表明，上述部位地下水不發(fā)育，除
5號滲控廊道F8斷層帶內洞頂有較大線狀滴水外，
排水廊道其余部位絕大部分洞壁干燥，局部洞壁偶
見潮濕現(xiàn)象。各排水廊道與廠房檢查廊道排水溝側
絕大部分排水孔內無反水現(xiàn)象，個別排水孑L甚至出
現(xiàn)無水現(xiàn)象，所有排水孔孔口安裝的地下水測壓表
指針讀數(shù)全部為零，打開排水閥均無排氣排水現(xiàn)象。
據(jù)此基本可以排除因地下水產生外水壓力導致鋼襯
鼓包的可能性。
3．3第3次現(xiàn)場查勘
第3次現(xiàn)場查勘，主要對③號機組尾水支洞鋼
襯鼓包發(fā)展情況、焊縫及灌漿孑L封堵情況以及④號
機組尾水支洞鋼襯段和②號機組尾水岔洞與主洞進
行了全面檢查，同時對③號機組尾水支管底部技術
供水排水管進行了壓水試驗。
經詳細檢查，在緊挨尾水管下游側的③號機組
尾水支洞鋼襯段第2號管節(jié)兩加勁環(huán)以及第2號管
節(jié)未端與相鄰3號管節(jié)始端的兩管節(jié)加勁環(huán)(環(huán)縫
附近處)之間總共發(fā)現(xiàn)23個不同程度的鋼管鼓包。
鼓包主要出現(xiàn)在第2號管節(jié)兩加勁環(huán)間，鼓包數(shù)為
16個，另外在第2號管節(jié)末端與第3號兩管節(jié)環(huán)縫
之間也有7個鼓包產生；最大鼓包直徑約960～
1 000 mm、高度約47～50 mm，對應鼓包編號分別為
7號和11號，最小鼓包直徑約400—500 mm、高度
約20 mm，對應鼓包編號為1、16、17和22號。
鼓包檢查結果還表明，自首次發(fā)現(xiàn)鼓包并經充
水運行約3個半月以后，③號機組尾水支洞鋼襯鼓
包規(guī)模(大小與高度)無明顯變化，但鼓包數(shù)量有所
增加(可能與檢查的方式方法有關)，從鋼管管節(jié)鼓
包的發(fā)展趨勢與程度來看，底部鼓包相對較大，腰線
及洞頂較小，鋼管鼓包橫斷面上具有從底部逐漸向
腰線以及洞頂蔓延擴展的趨勢；從壓力鋼管軸線
(發(fā)電水流方向)來看，由于受兩側加勁環(huán)的限制，
該方向上游無擴展，沒有鼓包跡象，鼓包范圍主要限
制在第2號管節(jié)兩加勁環(huán)之間以及第2號管節(jié)與第
3號管節(jié)環(huán)縫附近處，其發(fā)展規(guī)模與程度自2號管
節(jié)向第3號管節(jié)逐漸減弱，并有向下游發(fā)展的趨勢。
鋼襯鼓包斷面分布素描圖見圖1～2．
i—r
圖I 2號管節(jié)鋼襯鼓包斷面分布示意圖
!．'’
l}
圖2 3號管節(jié)鋼襯鼓包斷面分布示意圖
4鋼管鼓包原因初步分析
4．1鋼管抗外壓能力復核
鋼管的抗外壓穩(wěn)定分析有解析法【】’51和有限元
法等舊。4 J，本文采用解析法進行復核，復核結果和抗
外壓穩(wěn)定驗算成果見表1—2。地下水安全監(jiān)測及
廠房排水系統(tǒng)現(xiàn)場巡視結果表明，地下廠區(qū)圍巖透
水性弱，地下水較不發(fā)育，鋼襯設計外水壓力取值合
理，符合本工程地下水位發(fā)育水平。從鋼管復核成
果來看，鋼襯具有一定的抗外壓穩(wěn)定安全裕度，鋼襯
萬方數(shù)據(jù)
西北水電·2018年·第1期57
鼓包隱患的產生非設計原因所致。
表1 尾水鋼管管壁厚度計算成果表
表2 尾水鋼管抗外壓穩(wěn)定計算復核成果表
itg截N 鋼管管壁綜合外設計加勁環(huán)環(huán)問管JJⅡ勁環(huán)自身
管道樁號內徑厚度水折減外壓壁抗外壓穩(wěn)定抗外j=I；{穩(wěn)定
／7 nl ／mm ／n1In 系數(shù)／MPa 安全系數(shù)安傘系數(shù)
．!：墾莖!：塑!：竺!!塑絲!：竺!：塑：：翌：!：! !：!!．!：!
注：考慮到尾水鋼管頂部地下洞竄、排水廊道、以肢I、游帷姆計
外水的削弱作用，外水壓力分2段進行計斡．，鋼毹’頂矗1 5到挑水廊遵之
間取全水火，排水廊道到地下水位線之flj】按俐7÷類圳l眥外水折iJ成系
數(shù)0．3，折算后的綜合外水折減系數(shù)約0．4
4．2地下水監(jiān)測成果分析
安全監(jiān)測資料表明，2015年三季度③號機組尾
水支洞監(jiān)測斷面外水壓力實測最大值約為0．15
MPa，發(fā)生部位為③號機組尾水支洞Pb4—1測點，遠
小于鋼襯設計外水壓力。
PM一1測點外水壓力變化過程線如圖3所示。
可見電站運行后，外水壓力趨于穩(wěn)定，目前一直維持
在較為穩(wěn)定的狀態(tài)。外水壓力與流道充水和上水庫
蓄水沒有相關性，外水壓力并沒有隨流道充水的影
響而明顯增加或減少。
4．3鋼管鼓包原因初步分析
結合監(jiān)測成果和現(xiàn)場檢查結果，對因設計、施
工、鋼板質量、運行管理、管道內水外滲、尾水系統(tǒng)地
下水位過高、以及隧洞圍巖失穩(wěn)造成③號機組尾水
支洞鋼襯鼓包的可能性一一進行比對分析[6。11|，基
本上可排除以上各原因。
工程建設階段，為滿足機組技術供水要求，在③
機組尾水支洞正底部開槽埋設有1根DN400的機
組技術供水排水管，開槽尺寸800 mmx700 lTlm(寬x
深)，機組技術供水排水管安裝完后回填C20素混
凝±一第3次現(xiàn)場查勘時，利用③、④號機組放窄榆
修的機會，對③號機組尾水支洞底部DN400的技術
供水排水管進行了壓水試驗。壓水試驗結果表明，
鋼襯鼓包鉆孔處外水流量及壓力變化與③號機組技
術供水排水管內壓變化有著直接的水力聯(lián)系，據(jù)此
基本可確定造成本次③號機組尾水支洞鋼襯鼓包隱
患的原因為③號機組技術供水排水總管在③號機組
尾水支洞鋼襯段第2、3號管節(jié)處存在破裂點或滲漏
點所導致。
5鋼管鼓包處理方案
鋼管鼓包事故發(fā)生后，經過分析，確定如下處理
方案：
(1)選取若干橫斷面進行實測，確定鋼襯鼓包
范圍，將變形區(qū)域位置和擬切割范圍進行劃線，并進
行切除。
(2)鑿除鋼襯鼓包洞段范圍內底部③號機組技
術供水排水管管槽回填素混凝土，找出③號機組技
術供水排水管在③號機組尾水支洞鋼襯段第2、3號
管節(jié)處的破損點(滲漏點)，并對該破損點進行修
復，修復后應對③號機組技術供水排水管的修復焊
縫進行探傷，并對整個管道進行壓水試驗。
(3)在2號管節(jié)底部靠近上游加勁環(huán)側加焊
050 mm排水支管，并接人③號機組尾水支洞鋼襯
底部050 mm外排水主管內，回填C25自密實混凝
土至鋼襯底部高程以下約5 cm處。
(4)鑿除鋼襯周邊}昆凝土，范圍見圖4—5?；?
凝土徑向鑿除深3 cm，鋼板縱縫、橫縫以及灌漿孔
補強板部位局部深5 cm，環(huán)向及軸向應超出鋼襯未
切除端至少5 cm，以便于瓦片的安裝和焊接。
(5)備換鋼襯瓦片安裝和焊接，瓦片采用
Q345R，厚度22 mm。瓦片上應布置預留灌漿孔，備
換鋼襯瓦片分割見圖6～7。
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2013 2014 2015
圖3尾水支洞襯砌外水壓力變化過程線圖
萬方數(shù)據(jù)
58 李沖，張戰(zhàn)午，王化龍，王健姣．某抽水蓄能電站鋼管鼓包原因分析與處理措施
圖4 2號管節(jié)混凝土鑿除范圍示意圖單位：lllnl
圖5 3號管節(jié)混凝土鑿除范圍示意圖單位：nln
內壁布置1圈套管‘131以增加鋼襯抗外壓穩(wěn)定能力，
套管材質與鋼襯一致，厚度22 mm、寬度400 mm。
(8)除銹及防腐處理。
螽
圖7 3號管節(jié)備換瓦片示意圖
6結語
③號機組尾水支洞鋼襯鼓包對水電站的運行存
在一定的安全隱患，但鼓包出現(xiàn)在兩道加勁環(huán)之間，
不會嚴重影響水電站的正常運行和危及工程安全，
經有效處理后即可消除此隱患。造成鼓包隱患的原
因為③號機組技術供水排水管在③號機組尾水支洞
鋼襯段第2、3號管節(jié)處存在局部破損造成滲漏所導
致。類似工程建設時，參建各方除鋼襯本身外，尚應
(6)鋼襯焊接完畢后，采用鋼襯預留孔進行回對鋼襯附屬管道予以重視，避免類似事故產生。
填灌漿，以填充鋼襯與混凝土之間空腔，灌漿壓力
0．2 MPa。接觸灌漿?121經現(xiàn)場錘擊后采用化灌進
行，灌漿壓力0．2 MPa。
圖6 2號管節(jié)備換瓦片示意圖
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