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某抽水蓄能电站钢管鼓包原因分析与处理措施

文档作者：李冲，张战午，王化龙，王健姣文档来源：中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司		点击数：	更新时间： 2024年03月05日
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西北水电·2018年·第1期55
文章编号：1006--2610(2018)01—0055—04
某抽水蓄能电站钢管鼓包原因分析与处理措施
李冲，张战午，王化龙，王健姣
(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙410014)
摘要：随着水电技术的发展，钢管衬砌越来越多的应用于水电站压力管道，压力钢管的稳定问题也越来越受到重
视。某抽水蓄能电站在尾水钢管放空检修过程中发现鼓包，结合设计、检测以及现场查勘资料，对鼓包原因进行了
分析并提供了相应的处理措施，总结经验，以避免类似事故的再次发生。
关键词：钢管；鼓包；原因分析；处理措施
中图分类号-TV743；TV732．41 文献标志码：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
某抽水蓄能电站总装机容量4x300 MW，额定
水头195 m，单机额定流量176．1 m3／s，在电网中承
担调峰、填谷、调频、调相及事故备用等任务。电站
枢纽工程主要由上水库、下水库、输水系统、地下厂
房系统和地面中控楼、开关站等组成。尾水系统采
用2机1洞布置型式，其中尾水支洞长128．755 m、
洞径7．4 m，尾水管至尾水闸门门槽中心下游侧20
m采用钢板衬砌，尾水系统其余洞段均采用钢筋混
凝土衬砌。
2钢管设计参数
尾水系统采用4机2洞布置，其中①、②号机组
与③、④号机组分别共一个输水单元。③号机组尾
水支洞钢衬范围桩号为“③尾支0+000．000 m～0+
074．630 m”，总长74．63 m，共39节。钢衬标准管
节长2．0 m、内径7．4 m、壁厚22 mm，材质为
收稿日期：2017—08—07
作者简介：李冲(1983一)，男，湖北省武汉市人，高级工程师，从
事水利水电工程结构设计工作．
16MnR，回填C20混凝土厚0．70 m。钢衬抗外压稳
定采用加劲环，标准管节加劲环间距1．0 m，材质为
16MnR，断面尺寸30 mmx250 mm(厚×高)。此外，
为满足机组技术供水要求，在③号机组尾水支洞正
底部开槽埋设1根DN400的机组技术供水排水管。
③号机组尾水支洞钢衬段全长全断面进行固结
灌浆，固结灌浆孔间排距3．0 m×2．0 m、孔径50
mm，人岩5．0 m，灌浆压力1．2 MPa。钢衬顶部120。
范围内利用管壁预留固结灌浆孔进行回填灌浆，灌
浆压力0．4 MPa。钢衬底部90。范围内进行接触灌
浆，灌浆压力0．2 MPa。
3钢管鼓包情况及现场查勘
电站4台机组自2010年12月全部投产，总体
运行情况良好。2015年9月7日q月22日，电站
组织开展了③号机组C级检修。9月22日在拆除
③号机组锥管检修平台，并进人流道对③号机组尾
水支洞钢衬段进行例行检查时，首次发现在紧挨尾
水管下游侧的③号机组尾水支洞钢衬段第2、3号管
节存在鼓包现象。建设单位组织原设计单位与施工
单位等相关专业技术人员进行了3次现场查勘。
万方数据
56 李冲，张战午，王化龙，王健姣．某抽水蓄能电站钢管鼓包原因分析与处理措施
3．1第1次现场查勘
经初步检查，在紧挨尾水管下游侧的③号机组
尾水支洞钢衬段第2、3号管节共有10个鼓包，其中
较为明显的鼓包有6个，集中在第2号管节两加劲
环以及第2号管节末端与相邻第3号管节首端的两
管节加劲环(环缝附近处)之间，在断面上均分布在
钢管两侧腰线以下，最大鼓包直径约1 200 mm、高
度约40～50 mm，最小鼓包直径约700 mm、高度约
20 mm。锤击鼓包及相邻区域无空鼓声音。经扩大
检查范围，其余管节段均未发现异常现象，钢管焊缝
及灌浆孔也未发现有明显渗水现象。
3．2第2次现场查勘
本次对地下厂房系统的渗控廊道进行了全面巡
视检查，检查结果表明，上述部位地下水不发育，除
5号渗控廊道F8断层带内洞顶有较大线状滴水外，
排水廊道其余部位绝大部分洞壁干燥，局部洞壁偶
见潮湿现象。各排水廊道与厂房检查廊道排水沟侧
绝大部分排水孔内无反水现象，个别排水孑L甚至出
现无水现象，所有排水孔孔口安装的地下水测压表
指针读数全部为零，打开排水阀均无排气排水现象。
据此基本可以排除因地下水产生外水压力导致钢衬
鼓包的可能性。
3．3第3次现场查勘
第3次现场查勘，主要对③号机组尾水支洞钢
衬鼓包发展情况、焊缝及灌浆孑L封堵情况以及④号
机组尾水支洞钢衬段和②号机组尾水岔洞与主洞进
行了全面检查，同时对③号机组尾水支管底部技术
供水排水管进行了压水试验。
经详细检查，在紧挨尾水管下游侧的③号机组
尾水支洞钢衬段第2号管节两加劲环以及第2号管
节未端与相邻3号管节始端的两管节加劲环(环缝
附近处)之间总共发现23个不同程度的钢管鼓包。
鼓包主要出现在第2号管节两加劲环间，鼓包数为
16个，另外在第2号管节末端与第3号两管节环缝
之间也有7个鼓包产生；最大鼓包直径约960～
1 000 mm、高度约47～50 mm，对应鼓包编号分别为
7号和11号，最小鼓包直径约400—500 mm、高度
约20 mm，对应鼓包编号为1、16、17和22号。
鼓包检查结果还表明，自首次发现鼓包并经充
水运行约3个半月以后，③号机组尾水支洞钢衬鼓
包规模(大小与高度)无明显变化，但鼓包数量有所
增加(可能与检查的方式方法有关)，从钢管管节鼓
包的发展趋势与程度来看，底部鼓包相对较大，腰线
及洞顶较小，钢管鼓包横断面上具有从底部逐渐向
腰线以及洞顶蔓延扩展的趋势；从压力钢管轴线
(发电水流方向)来看，由于受两侧加劲环的限制，
该方向上游无扩展，没有鼓包迹象，鼓包范围主要限
制在第2号管节两加劲环之间以及第2号管节与第
3号管节环缝附近处，其发展规模与程度自2号管
节向第3号管节逐渐减弱，并有向下游发展的趋势。
钢衬鼓包断面分布素描图见图1～2．
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图I 2号管节钢衬鼓包断面分布示意图
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图2 3号管节钢衬鼓包断面分布示意图
4钢管鼓包原因初步分析
4．1钢管抗外压能力复核
钢管的抗外压稳定分析有解析法【】’51和有限元
法等旧。4 J，本文采用解析法进行复核，复核结果和抗
外压稳定验算成果见表1—2。地下水安全监测及
厂房排水系统现场巡视结果表明，地下厂区围岩透
水性弱，地下水较不发育，钢衬设计外水压力取值合
理，符合本工程地下水位发育水平。从钢管复核成
果来看，钢衬具有一定的抗外压稳定安全裕度，钢衬
万方数据
西北水电·2018年·第1期57
鼓包隐患的产生非设计原因所致。
表1 尾水钢管管壁厚度计算成果表
表2 尾水钢管抗外压稳定计算复核成果表
itg截N 钢管管壁综合外设计加劲环环问管JJⅡ劲环自身
管道桩号内径厚度水折减外压壁抗外压稳定抗外j=I；{稳定
／7 nl ／mm ／n1In 系数／MPa 安全系数安伞系数
．!：垦茎!：塑!：竺!!塑丝!：竺!：塑：：翌：!：! !：!!．!：!
注：考虑到尾水钢管顶部地下洞窜、排水廊道、以肢I、游帷姆计
外水的削弱作用，外水压力分2段进行计斡．，钢毹’顶矗1 5到挑水廊遵之
间取全水火，排水廊道到地下水位线之flj】按俐7÷类圳l眦外水折iJ成系
数0．3，折算后的综合外水折减系数约0．4
4．2地下水监测成果分析
安全监测资料表明，2015年三季度③号机组尾
水支洞监测断面外水压力实测最大值约为0．15
MPa，发生部位为③号机组尾水支洞Pb4—1测点，远
小于钢衬设计外水压力。
PM一1测点外水压力变化过程线如图3所示。
可见电站运行后，外水压力趋于稳定，目前一直维持
在较为稳定的状态。外水压力与流道充水和上水库
蓄水没有相关性，外水压力并没有随流道充水的影
响而明显增加或减少。
4．3钢管鼓包原因初步分析
结合监测成果和现场检查结果，对因设计、施
工、钢板质量、运行管理、管道内水外渗、尾水系统地
下水位过高、以及隧洞围岩失稳造成③号机组尾水
支洞钢衬鼓包的可能性一一进行比对分析[6。11|，基
本上可排除以上各原因。
工程建设阶段，为满足机组技术供水要求，在③
机组尾水支洞正底部开槽埋设有1根DN400的机
组技术供水排水管，开槽尺寸800 mmx700 lTlm(宽x
深)，机组技术供水排水管安装完后回填C20素混
凝±一第3次现场查勘时，利用③、④号机组放窄榆
修的机会，对③号机组尾水支洞底部DN400的技术
供水排水管进行了压水试验。压水试验结果表明，
钢衬鼓包钻孔处外水流量及压力变化与③号机组技
术供水排水管内压变化有着直接的水力联系，据此
基本可确定造成本次③号机组尾水支洞钢衬鼓包隐
患的原因为③号机组技术供水排水总管在③号机组
尾水支洞钢衬段第2、3号管节处存在破裂点或渗漏
点所导致。
5钢管鼓包处理方案
钢管鼓包事故发生后，经过分析，确定如下处理
方案：
(1)选取若干横断面进行实测，确定钢衬鼓包
范围，将变形区域位置和拟切割范围进行划线，并进
行切除。
(2)凿除钢衬鼓包洞段范围内底部③号机组技
术供水排水管管槽回填素混凝土，找出③号机组技
术供水排水管在③号机组尾水支洞钢衬段第2、3号
管节处的破损点(渗漏点)，并对该破损点进行修
复，修复后应对③号机组技术供水排水管的修复焊
缝进行探伤，并对整个管道进行压水试验。
(3)在2号管节底部靠近上游加劲环侧加焊
050 mm排水支管，并接人③号机组尾水支洞钢衬
底部050 mm外排水主管内，回填C25自密实混凝
土至钢衬底部高程以下约5 cm处。
(4)凿除钢衬周边}昆凝土，范围见图4—5。混
凝土径向凿除深3 cm，钢板纵缝、横缝以及灌浆孔
补强板部位局部深5 cm，环向及轴向应超出钢衬未
切除端至少5 cm，以便于瓦片的安装和焊接。
(5)备换钢衬瓦片安装和焊接，瓦片采用
Q345R，厚度22 mm。瓦片上应布置预留灌浆孔，备
换钢衬瓦片分割见图6～7。
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2013 2014 2015
图3尾水支洞衬砌外水压力变化过程线图
万方数据
58 李冲，张战午，王化龙，王健姣．某抽水蓄能电站钢管鼓包原因分析与处理措施
图4 2号管节混凝土凿除范围示意图单位：lllnl
图5 3号管节混凝土凿除范围示意图单位：nln
内壁布置1圈套管‘131以增加钢衬抗外压稳定能力，
套管材质与钢衬一致，厚度22 mm、宽度400 mm。
(8)除锈及防腐处理。
螽
图7 3号管节备换瓦片示意图
6结语
③号机组尾水支洞钢衬鼓包对水电站的运行存
在一定的安全隐患，但鼓包出现在两道加劲环之间，
不会严重影响水电站的正常运行和危及工程安全，
经有效处理后即可消除此隐患。造成鼓包隐患的原
因为③号机组技术供水排水管在③号机组尾水支洞
钢衬段第2、3号管节处存在局部破损造成渗漏所导
致。类似工程建设时，参建各方除钢衬本身外，尚应
(6)钢衬焊接完毕后，采用钢衬预留孔进行回对钢衬附属管道予以重视，避免类似事故产生。
填灌浆，以填充钢衬与混凝土之间空腔，灌浆压力
0．2 MPa。接触灌浆⋯121经现场锤击后采用化灌进
行，灌浆压力0．2 MPa。
图6 2号管节备换瓦片示意图
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