水电站压力钢管破坏影响因素与改进措施

【摘要】随着经济的发展,我国的各种大型水电站不断地兴建起来,压力钢管受到极其广泛的应用。压力钢管的使用过程中会受到塑性破坏、屈曲失稳、脆性断裂和疲劳破坏四方面的破坏。找寻导致压力钢管破坏的因素,并对压力钢管进行有效保护,使得压力钢管保持自身形态良好的发挥自身的作用减少水电站事故的发生迫在眉睫。

【关键词】压力钢管;破坏因素;解决措施

1、前言

对压力钢管的材质质量严格把关,严格保证施工的质量,严格按照规范的程序进行操作,对压力钢管做好防锈蚀保护是水电站势在必行的事情。

2、水电站压力钢管的特点

压力钢管是将水量从水库、压力前池或调压室输送至水轮机的一种水管,一般呈现为有压状态。它将水电站的大部分或者所有的水头集中起来,所以其不可避免地承担着大量的动水压力。另外压力钢管自身的坡度陡峭,地理位置临近厂房,这就意味着压力钢管的安全问题不可忽视,对厂房的安全有着极其重要的影响,牵一发而动全身。因此,压力钢管的经济性与安全性两方面成为我们不得不慎重考虑的因素,其材质、设计以及加工工艺等方面问题也不可忽视。

压力钢管需要以较小的厚度承担巨大的重量,主要荷载为内部动水压力,压力钢管内部的直径D(m)和水头H(m)以及两者的乘积HD值是压力钢管承受压力能力与钢管研发难度的重要标志。

3、压力钢管破坏的主要影响因素

压力钢管主要有四种典型的破坏模式,分别为:塑性破坏、屈曲失稳、脆性断裂和疲劳破坏。研究全世界压力钢管破坏的实例,导致压力钢管破坏的原因主要有:(1)压力钢管内部的管理和使用过程不合理导致水锤过大,从而导致内部压力减小,使得管道受到了过大外压的直接作用,最终导致压力钢管的抗外压能力降低,失去稳定性;(2)环境的不稳定性导致钢管的振动过大,压力钢管最终发生共振导致钢管结构的破坏;(3)钢管材料选择的不合理、焊接较差以及运行维护的不及时导致压力钢管不能承担正常的符合造成破坏;(4)钢管部分特殊结构如进入孔、出气孔结构突变致使不能正常运行造成压力钢管损坏;(5)自然灾害也是不可忽视的重要原因,地震、洪水导致压力钢管破坏的事例也不少见。除了一些特殊实例由单一原因造成以外,大部分的压力钢管破坏都是由两个或几个因素共同作用造成的。

4、压力钢管破坏原因结合事例详述

4.1水锤过大

1950年,日本大井川水电站发生了一起事故,厂房前面的蝴蝶闸受到长期的机械磨损,因而一次操作失误导致蝴蝶闸完全不能发挥作用自动关闭,从而产生了一个巨大的关阀水锤压力波,在压力波的剧烈作用下,一节长7.63米的压力钢管直接从其顶部破裂,破裂程度巨大,钢管几乎平铺,导致上游水管内部产生了真空,从而引起了连锁反应,导致一段长53.3米的压力钢管破坏,水大量流出,造成厂房淹没,机组不可避免受到了损坏,造成了巨大损失。

上述水锤导致钢管破坏的现象并不只是偶然的,这种现象极其常见,也如上例所示,一般多为操作失误导致。

4.2振动

正常情况下,水流正常流过压力钢管,不存在任何异样情况,不会发生任何振动现象,但是,如果压力钢管内部产生压力波,则导致水管振动。如果,水管振动频率与钢管某段自然振动频率相似,则会导致共振发生从而引发非常剧烈的振动,破坏力极大。理论上,只要频率相同,共振就会引发极其剧烈的振动。但强烈振动发生的情况并不多,因为很多情况会导致能量被消耗,减少振动的强度,所以强烈振动只在一些特定情况下发生。如强烈振动只会发生在某些工程的明钢管的某些运行情况下,并且只会发生在压力钢管的少数部位,强烈振动只是压力钢管管壁的剧烈震荡。另外,如果我们将压力钢管的刚度进行改变,那么我们将能够对压力钢管的振幅进行有效的控制。

4.3压力钢管自身不合理性

很多情况下,压力钢管存在不合理性,甚至缺陷。压力钢管的不合理性以及缺陷是由多方面导致的。如材料的不合理性,钢管材料本身可能存在夹杂异物、局部偏折、局部凹陷、局部偏薄等情况。加工过程的不合理也有可能导致压力钢管的缺陷,如加工过程中存在的咬边、焊接的不彻底以及焊接裂缝等。安装过程中不注意的碰撞以及使用过程中的疲劳裂纹等都会成为压力钢管缺陷的原因。而这些缺陷是无法完全避免的,且当缺陷达到一定规模时,破坏程度也是不容小觑的。缺陷材料的破坏力不只是表现在降低压力钢管的承载压力的能力,也降低了材料的韧性和塑性。且后者的缺陷影响更大。

1949年,苏联阿尔明尼亚水电站发生事故,靠近厂房的压力钢管发生了破裂,并且发出了巨大声响。事故原因是因为压力钢管内部锈蚀造成许多麻坑,降低了钢管的厚度。经过详细检测,压力钢管各个接缝处以及未经焊接的地方都发生了破裂。

4.4压力钢管部分结构突变

局部突变导致压力钢管的应力状态与突变前相比发生了巨大变化。对于某些由脆性材料制成的构件,应力可以集中到构件达到最大极限强度之前,而对于塑性材料制成的构件,在荷载的作用之下,应力集中对其没有太大的影响,因为塑性材料拥有其特有的屈服阶段。所以应力的集中会导致脆性材料制成的构件断裂造成其产生疲劳导致的裂纹。

4.5自然灾害的影响

1978年,在乌江的汛期期间,大坝水量激增,溢流导致乌江渡水电站压力钢管被洪水冲坏,2008年,汶川的地震导致很多水电站压力钢管碎裂,引起了厂房的损坏。

5、预防压力钢管破坏的措施

5.1针对振动导致的钢管破裂

钢管的强烈振动是由共振导致的,而共振有两个方面决定,一是振动源,二是钢管自身的自然振动。因此可以通过消除振动源或改变钢管自身振动的自然频率解决钢管共振的问题。

5.2针对锈蚀

在钢管表面采用一般暴露在空气中的钢质物体的防锈方法,如在压力钢管表面刷涂油漆,在涂刷油漆之前用对钢管进行彻底的清洁以及对油脂进行清除,以使得油漆可以更好的附着在压力钢管的表面,长期达到良好的保护效果。至于钢管内部的锈蚀防护,操作的难度较大、操作环境各异以及压力钢管锈蚀程度不同,至今仍然没有统一有效的方法。增加压力钢管内壁厚度可以在一定程度上缓解钢管内部的锈蚀以及泥沙的磨损带来的负面影响。

5.3提高抗外压失稳的能力

资料显示,直接导致外压失稳原因很多,有的是因为地下水压力太大,有的是因为内部的水往外渗透,有的是对灌浆的压力失去控制。各地地质差异很大、复杂程度各异,在设计时应该加强压力钢管向外排水的能力,有效的对压力钢管外部的水位进行控制,对钢管自身抗外压的能力进行控制。对压力钢管的材质质量严格把关,严格保证施工的质量,严格按照规范的程序进行操作,都是提高抗外压失稳能力的有效手段。

6、总结

压力钢管的良好运行关乎水电站的重大安全，影响压力钢管状态的因素很多，做好压力钢管的防腐蚀、防共振、提高压力钢管的抗外压失稳能力是水电站的重要工作。

参考文献

[1]韦山红.水电站压力钢管破坏影响因素与改进措施[J].红水河,2013,04:64-66+71.

[2]付传雄.钢衬钢筋混凝土坝后背管极限承载力分析的弹性迭代法与应用[D].广西大学,2012.

[3]李增坤.水电站群洞性埋管三维有限元分析[D].河北工程大学,2012.