抽水蓄能电站压水气罐质量缺陷处理浅析

胡 敏，梁起龙，赵聚平，王 君，祝加勇

（国网新源湖南黑麋峰抽水蓄能有限公司，湖南 长沙410213）

1 基本情况

黑麋峰抽水蓄能电站安装4 台单机容量为300 MW的可逆式机组，4台机组分别于2009年8月、2010年1月、9月和10月完成了30 d试运行。抽水蓄能电站为了降低抽水启动和调相时的能量消耗，减小启动力矩，宜利用压缩空气将水泵水轮机转轮室中的水压离转轮，使转轮在空气中运转，压水气罐作为排水动力装置，对机组正常运行极为关键。4台机组调相压水气罐在出厂前已通过了制造厂当地技术监督的检验认证，在投产前已经由安装单位报送电站所在地质量技术监督部门监督检查备案。机组投入运行后，在每年机组检修时对压水气罐进行规定项目检查以及压水气罐A类、B类焊缝的无损探伤检查，未发现压水气罐焊缝存在缺陷，设备总体运行良好。2013年9月对压水气罐人孔门角焊缝（D类焊缝）检查时发现了严重焊缝缺陷。

2 事件经过

2013年9月24日，湘电锅炉压力容器检验中心有限公司对黑麋峰电站储气罐进行年度全面检查，磁粉探伤发现2号机组1号压水气罐（12 m3、8 MPa）人孔门内部角焊缝有4处裂纹，最长为405 mm； 2号压水气罐人孔门内部角焊缝有7处裂纹，最长断续长度为420 mm。

2013年9月25日，对调速器补气罐、球阀补气罐及检修密封储气罐开罐磁粉探伤检查发现：调速器补气罐人孔门与罐体内部焊缝处有2道裂纹，最长为1000 mm；球阀补气罐人孔门与罐体内部焊缝处有1道裂纹，长度约20 mm；检修密封储气罐人孔门与罐体焊缝合格。

2013年10月6日，湘电锅炉压力容器检验中心对1号、3号、4号机组1号、2号调相压水气罐、压水平衡气罐、补气平衡气罐等8个不具备消压的气罐人孔门与罐体焊缝进行超声波外部检测，均发现存在未焊透现象。

黑麋峰公司组织湘电锅炉压力容器检验中心有限公司对同一厂家同一批次生产的13台储气罐进行了全面检测，除检修密封储气罐（1 m3）未发现异常外，其他12台储气罐均检测出焊缝裂纹和未焊透现象。

2013年10月10日～11日，对上述发现缺陷的8个压水气罐消压后开罐磁粉探伤检查，发现人孔门与罐体焊缝内外侧圆周不同程度都存在焊缝裂纹缺陷，中心存在空腔现象；其他部位如安全阀、进出口接管焊缝也存在中心空腔、内外侧焊缝缺陷问题，所有储气罐必须进行焊缝缺陷修复，并经压力试验合格后才能投入运行。

压力容器缺陷附图如下：

（1） 2号压水气罐裂纹情况（1号、3号、4号机组压水气罐焊缝缺陷特征类似）：

图1 2号机组2号压水气罐裂纹分布

图2 2号机组1号压水气罐裂纹分布

图3 2号机组1号压水气罐1号裂纹

图4 2号机组1号压水气罐1号裂纹

（2）补气平衡气罐缺陷位置示意图及缺陷情况见图 5、图 6、图 7。

图5 人孔内表面缺陷示意图

（3）压水平衡气罐缺陷位置示意图及缺陷情况见图 8、图 9。

（4）安全阀及压力表管座角焊缝缺陷见图10、图11。

3 原因分析

图6 缺陷2

图7 缺陷1

图8 人孔缺陷示意图（图为从外向内方向看）

图9 缺陷1，裂缝长80㎜左右，位于内部角焊缝

图10 安全阀管座（球阀补气储）角焊缝长约50 mm裂纹

图11 压力表（压水平衡罐）角焊缝 长约30 mm未熔合

黑麋峰公司组织各参建单位召开专题会议对压力容器人孔门与罐体焊缝裂纹缺陷分析，认为主要有以下原因：

（1）现场磁粉探伤检查发现，筒体与人孔门的D类焊接接头发生沿人孔门周向裂纹，并发现焊缝中间存在未焊透（空腔）现象。经分析，未焊透现象形成机制：

1）焊缝焊脚高度不够，即焊缝的有效截面小、焊缝强度低于抗拉强度的一定值时，在长期应力作用下产生了微小裂纹，致使裂纹逐步环形延伸；

2）厂家设计要求全焊透，但未提出验收标准和要求。厂内焊工施焊时未按设计要求施焊，导致焊缝内部存在空腔现象并扩大内部空腔，导致焊脚不够的直接原因；

3）焊缝出厂验收检验人员只对焊缝A类、B类焊缝进行了检查，对D类焊缝未进行检查验收；

4）厂内对D类焊缝检验重视不够，按照行业规则放松了D类焊缝质量控制和验收程序的相关要求。

（2）焊缝外观检查。角焊缝与母材未圆滑过渡，焊接质量差，造成应力集中，当压水气罐运行过程中，压力急剧波动，使应力集中处出现裂纹。

（3）焊接部位缺陷较多，金属熔合线韧性较母材差，机组抽水工况运行时，压力升、降2.5 MPa左右，压力波动引起的冲击载荷，造成疲劳应力，从而使裂纹沿着焊接区扩展。

（4）压水气罐选材设计下限温度不满足压水气罐连续2次压水的工况要求。

压水气罐焊缝专题分析会上，黑麋峰公司对同一批次的13只储气罐缺陷进行分析、比对，发现有12只高压气罐均存在焊缝未焊透现象，为此，引起对压水气罐材质的质疑和进一步的分析。经过技术计算咨询和当地技术监督部门确认，一致认为：黑麋峰电站压水气罐材质不符合抽水蓄能电站压水气罐连续压水2次的工况要求，具体如下：压水气罐气体初始状态按照2只气罐24 m3，压力为8 MPa，温度为27℃计算，机组压水气罐一次压水后，气罐内的气体温度降低值达到约-1.38℃，温度下降值变化为28.38℃，2次压水后，气罐内的气体温度降低值达到-18.79℃，温度下降值变化为45.79℃。计算过程中，气罐压气过程中压力和温度均按照绝热工况进行计算，未考虑压气过程中与外界的热交换问题。根据中南设计院提供的黑麋峰抽水蓄能电站坝址区某气象值的说明：从1961年到1990年期间，30年按月的日最低气温平均值最低的月份为1月份，最低温度为-0.5℃；查询中南设计院提供厂内通风空调参数设计计算值说明：压水气罐使用环境温度设计考虑为6～8℃。如考虑热交换和压水气罐使用环境温度因素，压水气罐一次压水实际温度可能达到并超出零下-20℃，压水2次实际温度可能接近并超过零下-40℃。如是，压水气罐运行时实际最低下限温度值将超出压水气罐材质设计选用的最低温度值-20℃。当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态，当出现小的裂纹和残余应力存在时，在薄弱处容易出现低温脆断。

4 采取的措施及处理结果

4.1 采取的措施

（1）协商检测单位加大压水气罐焊缝缺陷特征部位和缺陷范围的检查和记录，掌握、分析压水气罐人孔门角焊缝缺陷范围及其特征数据；根据焊缝缺陷类型特征，初步质疑、分析压水气罐材料有关技术参数。

（2）进行技术咨询，通过计算初步分析，压水气罐选材下限温度值不满足压水气罐连续压水2次的工况可能到达的温度下限值。同时参考目前新源同类型电站对压水气罐选材的技术要求。

（3）联系当地质量技术监督部门，组织技术协商专题会议，共同协商确认，提出处理意见：对焊接质量最为严重、运行工况恶劣、材质不能满足要求的8个压水气罐和1个压水平衡气罐进行更换；对运行工况较平稳的调速器补气罐、球阀补气罐和补气平衡罐进行返厂返修。

4.2 处理结果

2013年11月26日，调速器补气罐、球阀补气罐和补气平衡管完成修复处理，恢复备用。

2014年1月28日，完成1号、4号机组压水气罐更换安装，恢复备用；2月25日完成2号、3号机组压水气罐更换安装，恢复备用。

5 教训及经验总结

（1）应充分发挥电站业主在工程建设过程中的主导作用，重视设备选型、布置、材质及技术参数的要求，把握过程中质量控制因素。黑麋峰电站压水气罐焊缝质量问题逐渐探明后，各方对压水气罐材质及焊缝质量分析存在较大的分歧意见。公司依据技术专业咨询和技术监督部门的咨询，对压水气罐进行了分析判断，提出了正确的原因分析和处理意见。

（2）重视设计图纸审查工作，依据相应的规范、标准，提出验收要求，严格把控质量控制过程中的关键点，以确保设备制造质量，同时可保证设计、制造进度。

（3）派出技术监督对设备制造过程中进行过程监造。黑麋峰电站新的压水气罐在其制造过程中，黑麋峰公司派出专业人员和外聘特种设备检测人员驻厂监造和检查验收，确保压水气罐焊缝质量。经验表明：外聘探伤检验人员到厂检查对厂家焊接质量的控制有很好的督促监督作用。