水電站清污機(jī)邊梁腹板斷裂原因分析及處理

段立輝

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊犁 830000）

水電站清污機(jī)邊梁腹板斷裂原因分析及處理

段立輝

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 伊犁 830000）

恰甫其海水電站清污機(jī)經(jīng)過(guò)一個(gè)冬季的閑置后，發(fā)現(xiàn)清污機(jī)邊梁腹板、翼緣板嚴(yán)重變形損壞；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)檢查和分析確定邊梁內(nèi)積水結(jié)冰所致，因水結(jié)冰后體積膨大受到邊梁腹板、翼緣板、隔板剛性約束產(chǎn)生很大的冰劈作用，此冰劈作用力遠(yuǎn)超出邊梁設(shè)計(jì)時(shí)的承載能力。

清污機(jī)；邊梁；腹板；冰劈

1 引言

恰甫其海水電站聯(lián)合進(jìn)水口清污機(jī)，主要由耙斗架、鏟齒、轉(zhuǎn)耙、液壓系統(tǒng)、油缸、導(dǎo)向輪、側(cè)輪等部件組成。抓斗的升降由壩頂門機(jī)的起升機(jī)構(gòu)操作，下降時(shí)轉(zhuǎn)耙處于打開狀態(tài)，沿固定軌道下降，鏟齒可插入攔污柵前并鏟下攔污柵面上的污物，下降至柵底時(shí)，轉(zhuǎn)耙閉合抓起污物，可以清除攔污柵柵面的污物，從而減少水頭損失，提高發(fā)電效率，保證水電站水輪發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。

2 設(shè)備損壞情況

2011年4月按計(jì)劃實(shí)施水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備汛前檢查維護(hù)過(guò)程中，工作人員發(fā)現(xiàn)清污機(jī)左側(cè)導(dǎo)向裝置上方邊梁翼緣板、腹板有不同程度的損壞現(xiàn)象，其中邊梁翼板出現(xiàn)彎曲變形，腹板嚴(yán)重由內(nèi)向外鼓脹，并且出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。腹板斷裂位置位于導(dǎo)向裝置上方邊梁隔板與外側(cè)腹板連接處，斷裂開口長(zhǎng)度為34 cm，斷裂開口外形像金屬材料疲勞撕裂傷口，不規(guī)整的據(jù)齒狀，斷裂處下方腹板上有明顯水流過(guò)的銹跡；邊梁翼緣板與腹板之間焊縫表面防腐涂層已裂開，將焊縫表面防腐涂層去除后，發(fā)現(xiàn)焊縫上均有裂紋出現(xiàn)（見圖1）。

3 原因分析

圖1 清污機(jī)邊梁腹板裂口

從清污機(jī)耙斗架受力結(jié)構(gòu)情況分析，清污機(jī)主要受力部件為縱主梁和橫梁結(jié)構(gòu)系，需要承受自身重量、耙斗及污物重量。清污機(jī)運(yùn)行時(shí)邊梁主要承受自重和運(yùn)行時(shí)清污機(jī)與軌道之間的摩擦力，但邊梁上安裝有導(dǎo)向輪，使邊梁與軌道之間的摩擦由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而承受的摩擦力很小，僅憑邊梁自重和摩擦力不至于將邊梁損壞。并且從清污機(jī)邊梁損壞時(shí)間段來(lái)看不是在運(yùn)行過(guò)程中損壞，因?yàn)槊看吻逦蹤C(jī)運(yùn)行前、后工作人員都要進(jìn)行仔細(xì)的檢查和維護(hù)，如果邊梁上存在這么大的破口早以被工作人員發(fā)現(xiàn)，因此可以確定清污機(jī)邊梁在閑置期間損壞。

清污機(jī)閑置期間將兩側(cè)邊梁鎖定臺(tái)落至鎖定梁上，邊梁鎖定臺(tái)將清污機(jī)自重傳輸?shù)芥i定梁，此時(shí)清污機(jī)邊梁需要承受整臺(tái)清污機(jī)自重13 t，但不至于把邊梁翼緣板和腹板損壞。邊梁翼緣板長(zhǎng)度為264.6 cm，寬度為16 cm，板厚為2 cm，翼緣板兩端設(shè)有2個(gè)導(dǎo)向裝置，2個(gè)導(dǎo)向裝置軸距為205 cm，輪徑為48 cm；邊梁腹板長(zhǎng)度為262.6 cm，寬度為40 cm，板厚為1 cm，腹板外側(cè)中間設(shè)有鎖定裝置，供清污機(jī)停放時(shí)使用；為保證清污機(jī)邊梁的鋼度，在2個(gè)導(dǎo)向輪中間157 cm長(zhǎng)的邊梁內(nèi)共設(shè)有3層橫向隔板，隔板厚為10 mm，每層隔板之間間距為60 cm，使整個(gè)邊梁成箱梁結(jié)構(gòu)。損壞的翼緣板和腹板在底層隔板上方。邊梁損壞段的兩側(cè)翼緣板均已彎曲變形，彎曲長(zhǎng)度為46 cm；邊梁損壞段的兩側(cè)腹板也均由內(nèi)向外鼓脹，鼓脹段長(zhǎng)度60cm，向外凸出高度為2.1cm，變形長(zhǎng)度剛好為兩層隔板之間的腹板段。外側(cè)腹板底部已撕裂，斷裂處下方腹板上有明顯水流過(guò)的銹跡。

以上數(shù)據(jù)分析可以得出：清污機(jī)邊梁是完全可以承載清污機(jī)自身重量的，邊梁的損壞是承受巨大的外力所致。從損壞段的翼緣板和腹板外觀變形來(lái)看，該外力是在邊梁兩層隔板的箱梁內(nèi)產(chǎn)生，力是由箱梁內(nèi)向外傳遞。同時(shí)從斷裂處下方腹板上有明顯水流過(guò)的銹跡，和腹板鼓脹長(zhǎng)度來(lái)看可以確定箱梁內(nèi)充滿積水。由于水在清污機(jī)邊梁的箱梁內(nèi)都受到剛性約束，水的密度為1 000 kg/m3，冰的密度為900 kg/m3，結(jié)冰時(shí)體積膨長(zhǎng)9%左右。借鑒《水結(jié)冰膨脹壓力測(cè)試方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析》文章實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，水結(jié)冰產(chǎn)生的膨脹壓力具有各向同性的性質(zhì)，因此它對(duì)圍限它的箱梁產(chǎn)生很大的作用力，這種叫冰劈作用。冰劈的作用力可達(dá)960～2 000 kg/cm2。按箱梁腹板長(zhǎng)60 cm，寬度40 cm，按物體所受壓力的大小與受力面積之比的壓強(qiáng)公式P=F/S公式計(jì)算，將冰劈的作用960～2 000 kg/cm2單位換算為帕斯卡，kg/cm2=9.81N/cm2=9.81N×1/10000=98067Pa，壓強(qiáng)P=94143840～196133000Pa

面積S=ad=60 cm×40 cm=2 400 cm2=0.24 m2

當(dāng)冰劈作用為960 kg/cm2計(jì)算時(shí)，壓力F為：

F=PS=94143840Pa×0.24m2=22594521.6N≈22595 kN

當(dāng)冰劈作用為2 000 kg/cm2計(jì)算時(shí)，壓力F為：

F=PS=196133000 Pa×0.24 m2=47071920 N≈47072 kN

式中：F－壓力,單位是牛頓（N）；

P－壓強(qiáng)，單位是帕斯卡（Pa）；

S－受壓面積,單位是平方米（m2）。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，邊梁腹板需要承受冰劈的作用力約為22 595～47 072 kN，這足以使1 cm厚鋼的邊梁板腹鼓脹、斷裂。

為了進(jìn)一步證明清污機(jī)邊梁損壞是受冰劈作用，查閱了當(dāng)年清污機(jī)運(yùn)行資料和當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，2010年7月該清污機(jī)在水下53 m處作業(yè)4 d，如果清污機(jī)邊梁上有很小孔洞或縫隙，在水壓作用下幾秒種內(nèi)即可注滿邊梁。當(dāng)?shù)貧庀筚Y料數(shù)據(jù)顯示，2011年冬季連續(xù)3個(gè)月當(dāng)?shù)卦缕骄鶜鉁鼐?℃以下（見表1），這也是形成邊梁內(nèi)積水結(jié)冰的原因。

表1 2011年冬季當(dāng)?shù)貧鉁厍闆r

4 處理方法

分析出清污機(jī)邊梁損壞原因后，需要找到邊梁損壞段層內(nèi)的漏水點(diǎn)，仔細(xì)檢查邊梁翼緣板與腹板之間的連接焊縫，發(fā)現(xiàn)部分連接焊縫有裂紋，但從焊縫裂紋紋理結(jié)構(gòu)來(lái)看不是焊接缺陷，而是金屬疲勞導(dǎo)致的裂紋。邊梁翼緣板與腹板母材表面完好，未發(fā)現(xiàn)氣孔、砂眼等缺陷。最后只能檢查邊梁內(nèi)隔板層之間是否有漏水點(diǎn)，因隔板層設(shè)置在邊梁內(nèi)部，僅憑外觀是無(wú)法觀察到。工作人員找來(lái)一些水，將水澆進(jìn)邊梁頂層隔板上方，經(jīng)過(guò)觀察幾分鐘后發(fā)現(xiàn)邊梁損壞腹板裂口處有水流出，可以確定邊梁上面兩層隔板均有漏水點(diǎn)。清污機(jī)損壞邊梁的維修工作可以分兩步實(shí)施，第一步找出邊梁隔板層漏水點(diǎn)，對(duì)漏水點(diǎn)實(shí)施焊接修復(fù)，修復(fù)后再次做漏水試驗(yàn)，確定邊梁頂上兩層隔板均無(wú)滲漏后方可實(shí)施第二步。

查閱清污機(jī)相關(guān)圖紙資料，確定清污機(jī)邊梁翼緣板、腹板采用的鋼板材質(zhì)、板厚及焊材。并將嚴(yán)重變形腹板、斷裂層整體切割，發(fā)現(xiàn)中層隔板與腹板之間一條連接焊縫未焊接，工作人員再次往頂層隔板內(nèi)注水后，中層隔板未焊接焊縫處有水滲出，底層融板與翼緣板和腹板焊縫焊接良好，造成頂上的水滲漏到底層后無(wú)法排除，使該箱梁內(nèi)盛滿積水，在嚴(yán)寒冬天積水結(jié)冰產(chǎn)生冰劈作用，這也是造成主板、腹板變形、斷裂主要原因。補(bǔ)焊隔板未焊接焊縫，對(duì)切割后的毛邊進(jìn)行打磨平整。采用10 t液壓千斤頂校正邊梁翼緣板，校正后測(cè)量切除的邊梁腹板幾何尺寸。從新板材上切割相同尺寸的鋼板，并在鋼板四周打坡口。將切割好的鋼板安裝到清污機(jī)邊梁腹板切除位置，對(duì)不合適部位進(jìn)行打磨修整、校正，直到整塊鋼板安裝到位。安裝到位后對(duì)鋼板點(diǎn)焊定位、對(duì)稱焊接，在整個(gè)實(shí)施焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制邊梁的焊接變形。焊接后清除焊渣和飛濺物，最后實(shí)施金屬結(jié)構(gòu)的涂層防腐處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

寒冷地區(qū)戶外和涉水作業(yè)的金屬結(jié)構(gòu)梁系采用箱梁結(jié)構(gòu)形式時(shí)，在設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中應(yīng)充水考慮箱梁密封或排水問(wèn)題，防止箱梁內(nèi)積水結(jié)冰而產(chǎn)生冰劈作用，這冰劈作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)承載能力。

[1]徐光苗，劉泉聲.巖石凍融破壞機(jī)理分析及凍融力學(xué)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（17）.

TV732.2

B

1672-5387（2017）01-0047-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.014

2016-04-04

段立輝（1981-），男，工程師，從事水電站閘門及啟閉設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理工作。