什么是压力管及其在水电中的作用?

水力发电是一种可再生能源，它利用移动的水的动能来旋转涡轮机，从而激活发电机来发电。2021年，水力发电占美国总发电量的7.3%，约占可再生能源发电总量的37%^[1]。虽然可再生能源目前约占该国能源发电量的五分之一，但预计这一数字将在未来几年内增加。

本文将介绍水电的基础知识及其发电方式，特别考虑其最重要的资产组成之一-消防栓以及随着对可再生能源需求的增长，现代无损检测技术如何帮助确保这些关键结构完好无损并有效运行。

水电基础知识

美国一半的水力发电集中在西部，其中约50%的发电量来自华盛顿州、加利福尼亚州和俄勒冈州^[2]。也就是说，华盛顿是美国最大的水力发电设施——大古力大坝的所在地，发电量为6800兆瓦^[3]占全国8万兆瓦装机容量的8.5%。在全国范围内，水电的使用也有很大差异。特拉华州和密西西比州是仅有的两个不消耗水力发电的州，而水力发电占华盛顿州用电量的近74%^[4]。

简单地说，水力发电利用水流使涡轮机旋转，从而激活发电机将动能转化为电能。有三种类型的水电设施:蓄水、分流和抽水蓄能，它们的大小和容量各不相同，从为单个家庭供电到为公用事业公司供电。

蓄水:蓄水设施是最常见的发电厂，大多数构成容量超过30兆瓦的大型水电系统。在这种结构中，水坝用于在水库中蓄积水。当水被释放出来时，它在转动涡轮机之前流过一个压力管。水流可以调节，以满足能源、娱乐或环境需求。位于内华达州的2080兆瓦胡佛水坝是一个著名的蓄水水力设施的例子^[5]。

转移:顾名思义，这些工厂通过压力管道和/或运河将流动的河水引到海拔较低的发电厂。它们通常很少或根本没有储水，发电依赖于河水流量。正因为如此，作为一种稳定的能源来源，它们通常不如蓄水设施可靠。主要导流系统的一个例子是华盛顿州布里奇波特附近的约瑟夫酋长大坝，其容量超过2000兆瓦^[6]。

抽水蓄能:这些设施通常与电池相比较，在电力需求低的时候，它们通过压力管道将水从较低的水库抽水到较高的水库来储存能量。在需求高的时候，水被释放回较低的水库，这推动涡轮机发电。这些电站的容量通常比引水和蓄水电站要小，最大的是南卡罗来纳州奥科尼县的巴德克里克水电站，它利用三个人工湖的水产生1065兆瓦的电力^［７］。

什么是喷管?

压力管是水电系统运行的重要部件之一。压力管是一种管道或管道形式的压力容器，它将水从源头输送到电站的涡轮机。根据设施的大小，它们的长度、周长和数量各不相同。例如，胡佛水坝有两种尺寸的压力管。其中一组直径为30英尺(9米)，大坝还使用了16个直径为13英尺(4米)的压力管，总长5800英尺(1770米)^[5]。而巴德溪水电站包含四个压力管，整个长度从13.8英尺(4.2米)到8.4英尺(2.5米)逐渐变细。^［７］。

大多数压力管道是用钢建造的，可以埋在地下，或者沿着管道的长度用钢或混凝土鞍形支撑置于地面之上，或者封装在混凝土塔或隧道内(如上所示)。因为它们是携带水的金属容器，所以压力管道容易受到腐蚀，包括均匀腐蚀、缝隙腐蚀、点蚀和侵蚀腐蚀^[8]。

• 均匀腐蚀:腐蚀是最常见的形式，它是腐蚀环境以均匀的速率对金属表面的侵蚀
• 缝隙腐蚀:裂缝和涂层下的积水对金属表面的侵蚀，例如在伸缩节和管道支架处
• 斑:局部腐蚀，在其它耐腐蚀的表面上产生孔洞或空洞
• E对于腐蚀:湍流水流对金属表面造成的侵蚀和腐蚀的综合作用

有趣的是，在美国，水力发电设施的平均运行时间为64年。根据美国环境影响评估署的记录，全国50座最古老的发电厂都是水力发电厂，其中一些可以追溯到20世纪初。他们明白，这些大型设备必须定期检查，以制定预防性维护计划。

的联邦能源管理委员会(FERC)建议每年对压力管外壳进行一次目测检查，以查找泄漏、不对中、缺少铆钉和其他损坏。然而，对于埋在地下的压力管来说，这可能并不总是可行的。此外，应至少每五年用超声波测试(UT)方法检查一次压力管，以检查由于腐蚀和侵蚀导致的外壳变薄。万博体育登录下载

对于埋藏或封装的压力管，可以通过脱水或从设备中除去水来进行UT检查。对于无法脱水的压力管，可以使用远程操作的车辆或机器人来收集视觉和UT数据，然而，这些技术通常不如其他内部检查方法有效^[9]。当可能发生脱水时，内部目视检查和UT检查是识别侵蚀、腐蚀、点蚀和有机生长损害的首选方法。

传统上，UT读数是在沿着压力管的选定位置手动进行的。然而，这种方法只能产生关于大型设备状况的有限数据集。随着水电设施的不断老化，需要更全面地了解资产的健康状况，以防止故障以及故障可能带来的负面后果，包括洪水、环境退化，甚至生命损失^[9]。幸运的是，现代机器人技术允许以前所未有的效率和数据密度覆盖全部资产。快速超声网格(RUG)是一种用于广义腐蚀测绘的机器人UT技术，如上所述。快速自动超声检测(R-AUT)万博体育登录下载利用双线性相控阵探头来识别和量化由于设备贱金属腐蚀和点蚀导致的壁薄，这是一种高分辨率的腐蚀测绘。此外,robot-enabled相控阵UT (PAUT)沿着焊接线收集大量的数据来检测腐蚀、开裂和其他缺陷。

总之，压力管是水力发电的重要组成部分，通过从源头输送水来旋转涡轮机并激活发电机。随着水电设施的不断老化，必要的设备和船舶必须定期检查和维护，以避免发电失误或环境修复。启用机器人的技术，例如地毯，R-AUT,PAUT为整体资产状况提供全面覆盖的解决方案，以保持水的流动。

参考文献

1. https://www.eia.gov/outlooks/steo/report/electricity.php
2. https://www.eia.gov/energyexplained/hydropower/where-hydropower-is-generated.php
3. https://www.usbr.gov/pn/grandcoulee/about/index.html
4. https://www.energy.gov/eere/water/hydropower-basics
5. https://www.usbr.gov/lc/hooverdam/faqs/powerfaq.html
6. https://www.nwd.usace.army.mil/CRSO/Project-Locations/Chief-Joseph/
7. https://visitoconeesc.com/bad-creek-hydro-station/
8. https://www.usbr.gov/tsc/training/webinars-corrosion/2018-03_CorrosionProtectionInPenstocks/2018-03_CorrosionProtectionInPenstocks_slides_508.pdf
9. https://www.usbr.gov/power/data/fist/fist2_8/vol2-8.pdf