后錨固技術(shù)在大型水電機組加固處理中的應(yīng)用

王永洪

摘要：大型水電站發(fā)電機多采用埋入混凝土的錨桿螺栓作為定子機座與混凝土的連接部件。由于錨桿螺栓設(shè)計承載力不足或材質(zhì)不達標，直接造成錨桿螺栓實際許用應(yīng)力降低，使發(fā)電機定子機座受力狀況惡化，給機組的安全穩(wěn)定運行帶來極大隱患，特別是使應(yīng)對事故工況的能力急劇變差。而且，在投產(chǎn)發(fā)電后，由于施工條件的限制，加強定子基礎(chǔ)受力的施工難度極大。提出了采用增加化學(xué)植筋加固的方法對發(fā)電機定子基礎(chǔ)板進行加固處理，即基于投產(chǎn)發(fā)電后的機組所具備的處理條件選擇的一種切合實際的處理方法。介紹了后錨固方案的制定和新植筋螺桿及其承力附件性能的檢驗。在國內(nèi)某大型電站的應(yīng)用實例表明，該方法能夠徹底消除錨桿螺栓斷裂對機組安全穩(wěn)定運行的影響，機組開機運行情況良好，各部件振動情況良好，達到了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：后錨固;化學(xué)植筋;新植螺桿;錨桿螺栓;發(fā)電機

中圖法分類號：TV223.34

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.011

大型水電機組發(fā)電機定子機座基礎(chǔ)板錨桿螺栓的作用是將來自定子的切向力、徑向力及軸向力傳遞給混凝土基礎(chǔ)，對水輪發(fā)電機組應(yīng)對發(fā)電機半數(shù)磁極短路、兩相短路、120°非同期等事故工況起著至關(guān)重要的作用。該錨桿螺栓多采用含鉻的高強度鋼制螺栓，具有良好的硬度、屈服強度、抗拉強度和沖擊吸收能量等。但在設(shè)計、制造、安裝及運行維護各個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，都可能造成錨桿螺栓許用應(yīng)力降低，定子機座基礎(chǔ)板承載力不足等情況，對機組安全穩(wěn)定運行造成不良影響。特別是在機組投產(chǎn)發(fā)電后，對定子機座基礎(chǔ)板的加固處理受混凝土鋼筋網(wǎng)、施工空間和工期等因素的限制，施工難度極大。為提升定子機座的受力狀態(tài)，必須突破常規(guī)設(shè)計，采用全新的方法進行加固處理。

1 研究背景

后錨固技術(shù)是指通過相關(guān)技術(shù)手段在既有混凝土結(jié)構(gòu)上的錨固[1]。該技術(shù)具有在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加固改造，施工周期快，目標設(shè)計性能好以及費用大幅度降低等優(yōu)點[2]，適用于已投產(chǎn)發(fā)電后的水電機組加固處理。以化學(xué)錨固膠為膠粘劑，將帶肋或全螺紋螺桿膠結(jié)固定于混凝土基材錨孔中的一種后錨固生根鋼筋或螺桿稱為化學(xué)植筋[3]。采用化學(xué)植筋的方式對定子機座基礎(chǔ)板進行加固處理，是一種簡單、高效且安全、可靠的處理方式。植筋新技術(shù)是運用高強度的化學(xué)粘合劑，使鋼筋、螺桿等與混凝土產(chǎn)生錨固力。同時，根據(jù)施工條件，結(jié)合擴展基礎(chǔ)板或利用原有基礎(chǔ)板，實現(xiàn)定子機座與化學(xué)植筋有效連接，從而達到預(yù)緊效果。植筋加固一般分為定位、鉆孔、清孔、注膠、植筋、養(yǎng)護錨固和預(yù)緊七大步驟。

采用化學(xué)植筋方式，首先應(yīng)掌握化學(xué)植筋的破壞形式?；瘜W(xué)植筋連接的破壞類型包括：化學(xué)植筋鋼材破壞、膠結(jié)劑破壞和混凝土基材破壞[4]。植筋鋼材破壞主要是指被拉斷、剪斷或復(fù)合受力破壞?？刂拼祟惼茐牡姆绞绞窃谠O(shè)計之初即要選用符合受力要求的鋼材，工程應(yīng)用中，在使用之前應(yīng)對植筋鋼材進行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗和金相檢驗等，以檢驗材質(zhì)是否符合標準要求。膠結(jié)劑破壞屬于脆性破壞，分為膠筋界面破壞和膠混界面破壞兩類。防止膠筋界面破壞的有效途徑是采用質(zhì)量有保障的化學(xué)錨固膠，確保鋼材與膠體之間的粘結(jié)力遠大于鋼材的受拉承載力;防止膠混界面破壞主要是在植筋成孔時，做好清孔 、干燥等技術(shù)措施，保證膠體與基材之間的粘結(jié)力?；炷粱钠茐男问椒譃榛瘜W(xué)植筋受拉時以基材上部混凝土椎體及深部粘結(jié)拔出的混合型破壞、基材邊緣劈裂破壞和化學(xué)植筋受剪時形成以植筋軸為頂點的一定深度的楔形體破壞?；炷粱钠茐男问綄儆诖嘈云茐?。第一類破壞形式主要需要控制植入鋼筋受拉區(qū)的總的受拉設(shè)計值不大于混凝土椎體破壞受拉承載力;基材邊緣的劈裂破壞主要是由于植入鋼材在基材上的布置不當和施工不當造成的，因此需要在受拉區(qū)配置能夠限制裂縫的鋼筋以及確保鋼筋離基材的邊緣構(gòu)造厚度;第三類的破壞形式主要是由于鋼筋在構(gòu)件邊緣受剪，混凝土沿楔形體破壞，目標設(shè)計應(yīng)控制混凝土的受剪承載力大于受剪設(shè)計值[2]。

植筋拉伸試驗分非破壞性和破壞性試驗兩類，試驗要求應(yīng)按照GB 50367-2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》[3]的規(guī)定，并結(jié)合實際情況進行檢驗試驗。

2 后錨固方案制定

2.1 直接植筋加擴展基礎(chǔ)板

在原有定子機座基礎(chǔ)板平面周向，鑿除一定厚度的混凝土直至露出混凝土基礎(chǔ)上層環(huán)筋，利用地質(zhì)探傷儀充分探明下部鋼筋網(wǎng)及預(yù)埋管路布置，根據(jù)設(shè)計方案避開混凝土鋼筋網(wǎng)及預(yù)埋管路，利用水鉆在混凝土上鉆孔，直徑和深度滿足設(shè)計要求。擴展基礎(chǔ)板放置于鑿除后的混凝土表面，根據(jù)水鉆鉆孔位置確定擴展板開孔位置，采用對邊焊接方式與原基礎(chǔ)連接。植筋螺桿下部與混凝土連接，上部與擴展基礎(chǔ)板連接，采用六方螺母的形式，利用力矩扳手進行預(yù)緊，實現(xiàn)基礎(chǔ)板加固處理。該方案施工難度小、進度快，但由于植筋螺桿下部完全固化，彈性模量僅存在于混凝土以上部位，在機組事故工況下可能存在基礎(chǔ)螺桿彈性儲備不足引發(fā)植筋螺桿斷裂事故。同時，擴展基礎(chǔ)板的焊接由于熱傳導(dǎo)作用，會削弱膠的化學(xué)品質(zhì)和錨固能力。

擴展基礎(chǔ)板的焊接應(yīng)做到焊前預(yù)熱溫度不低于80℃。先用氬弧焊打底，然后手工電弧焊進行焊接，采用小電流由中間向兩端焊接。焊接過程中，用百分表監(jiān)測加固鋼板焊接變形，并采用錘擊消除焊接應(yīng)力。焊接完成后進行焊縫PT探傷檢查。為消除擴展基礎(chǔ)板焊接時對植筋膠的影響，可采用增加過渡段、利用液體降溫和降低焊接速度等方法減少焊接熱傳導(dǎo)對植筋膠的影響。

2.2 間接植筋加擴展基礎(chǔ)板

基礎(chǔ)板布置方式、水鉆鉆孔方式均與2.1節(jié)相同，不同的是植筋螺桿長度減小，且對原有植筋螺桿與擴展板的連接方式進行優(yōu)化。在植筋螺桿的上部設(shè)計螺紋轉(zhuǎn)換接頭，接頭兩端分別連接植筋螺桿和拉伸螺桿，采用圓螺母利用液壓拉伸器對拉伸螺桿進行預(yù)緊。此種方案植筋螺桿作為基礎(chǔ)錨桿使用，螺紋連接的轉(zhuǎn)換接頭及拉伸螺桿在機組運行中起到彈性儲備作用，提高各類工況下來自定子機座的承載力。布置示意圖見圖1。

2.3 在原有基礎(chǔ)板上間接植筋

不采用擴展基礎(chǔ)板，直接在原定子機座基礎(chǔ)板上鉆孔，原基礎(chǔ)板以下混凝土仍采用水鉆方式鉆孔。間接植筋方式與2.2節(jié)相同。此種植筋方式可完全避開混凝土鋼筋網(wǎng)，基礎(chǔ)板的受力情況也最好。同時，降低原有基礎(chǔ)板螺栓預(yù)緊力，使原有基礎(chǔ)板螺栓預(yù)緊力與新增的化學(xué)植筋螺栓預(yù)緊力接近，從而保證增加螺栓后各個基礎(chǔ)螺栓受力均勻，具有相同的彈性。布置示意圖見圖2、圖3。

3 新植筋螺桿及其承力附件性能檢驗

為避免植筋鋼材破壞情況的發(fā)生，在植筋開始前需要對新植筋螺桿及其承力附件進行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗及金相檢驗，以檢驗新部件滿足使用要求。

3.1 化學(xué)成分分析

在同批次的新件上取樣，對試樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可見，該新植筋螺桿和拉伸螺桿各元素含量均符合GB T3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》對42CrMo鋼成分的技術(shù)要求。

3.2 硬度試驗

在同批次中任選各1件進行硬度試驗，結(jié)果見表2?？梢娭步盥輻U及拉伸螺桿的硬度均符合GB-T 3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》中的技術(shù)要求。

3.3 金相檢驗

分別從新植筋螺桿和拉伸螺桿同批次的新件上取樣，試樣經(jīng)打磨、拋光和腐蝕后在顯微鏡下進行觀察，圖4是新植筋螺桿的基體顯微組織形貌，圖5是拉伸螺桿的基體顯微組織形貌。由圖可見，新植筋螺桿的基體顯微組織為馬氏體回火組織+貝氏體+微量鐵素體，其中鐵素體在靠近邊緣約6mm位置，拉伸螺桿的基體顯微組織為馬氏體回火組織+貝氏體。新植筋螺桿雖有微量鐵素體存在，但其位置在螺桿邊沿且存量微小，不影響螺桿整體性能，因此新植筋螺桿及拉伸螺桿的金相結(jié)果符合要求。

3.4 力學(xué)性能試驗

隨機抽取新植筋螺桿和拉伸螺桿，加工成標準試樣棒，進行一系列力學(xué)性能試驗，結(jié)果見表3。可見新植筋螺桿和拉伸螺桿的抗拉強度、規(guī)定塑性延伸強度、斷后延伸率、斷面收縮率、沖擊吸收能量均符合GB-T 3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》中的相關(guān)技術(shù)要求。

4 施工案例

國內(nèi)某大型電站，在機組檢修期間發(fā)現(xiàn)個別定子機座基礎(chǔ)板錨桿螺栓斷裂，后通過化學(xué)植筋后錨固技術(shù)，成功解決此問題，為發(fā)電機長期安全穩(wěn)定運行提供可靠保障。具體處理方式如下。

4.1 降低原基礎(chǔ)板錨桿螺栓預(yù)緊力

（1）用液壓拉伸器采用漸進升壓方式拉伸錨桿螺栓，拉伸器最大油壓不得超過原預(yù)緊力對應(yīng)的油壓值，防止螺栓被拉斷。

（2）按照20%、50%、75%和100%預(yù)緊力分4步重新對松開的錨桿螺栓進行預(yù)緊。

（3）對重新預(yù)緊完成的錨桿螺栓立即進行超聲波探傷，檢查是否存在斷裂的情況。

4.2 新增植筋位置基礎(chǔ)板鉆孔 用磁力鉆在基礎(chǔ)板標記好的位置上進行鉆孔，鉆孔時應(yīng)保持磁力鉆垂直穩(wěn)固放置，確保鉆出的孔垂直度滿足要求。

4.3 新增植筋位置混凝土鉆孔

（1）用地質(zhì)探傷儀對需鉆孔位置周邊進行探測，根據(jù)探測結(jié)果確定鉆孔位置下方埋件情況，防止鉆孔傷及其他設(shè)備。

（2）根據(jù)螺栓錨固位置、成孔直徑及錨固深度，采用水鉆進行混凝土鉆孔工作。水鉆設(shè)備應(yīng)垂直穩(wěn)固放置，確保鉆出的孔垂直度滿足要求。

（3）鉆孔完成，用清水將孔內(nèi)泥漿沖刷干凈，用棉絲將孔擦凈。完成后用棉絲沾酒精，清刷孔洞內(nèi)壁，使孔洞內(nèi)清潔干燥。如遇潮濕情況，還須用加熱棒進行干燥處理。

（4）對清潔后的孔洞嚴密封堵，防止灰塵及異物落人。

4.4 螺桿埋植

（1）鋼筋錨固用膠按比例配制且攪拌均勻。

（2）將錨固用膠注入孔內(nèi)2/3即可。將處理好的鋼筋除銹清理端朝向孔洞，一邊向同一方向旋轉(zhuǎn)，一邊緩慢將鋼筋插入洞內(nèi)，直至到達孔洞底部為止。此時，如無錨固用膠從洞內(nèi)溢出，說明注膠量不夠，須將鋼筋拔出，重新注膠，再次插入鋼筋，直至能使膠溢出洞口。植筋過程中應(yīng)注意孔內(nèi)膠體化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體能有效排出，否則可能出現(xiàn)錨固螺桿插入深度不足的情況。

（3）對已埋植好的鋼筋要做好保護工作，如掛明顯標志牌等。以防止錨固用膠在固化時間內(nèi)，鋼筋被搖擺動或碰撞，影響埋植效果。

4.5 固化養(yǎng)護

根據(jù)環(huán)境溫度的不同，固化養(yǎng)護時間可參考表4。

4.6 新植筋螺栓預(yù)緊

依次安裝延伸螺桿、墊圈和圓螺母等附件.采用液壓拉伸器按照20%、50%、75%和100%預(yù)緊力分4步重新對松開的錨桿螺栓進行預(yù)緊。

5 結(jié)語

采用上述方案完成定子機座基礎(chǔ)板加固工作后，機組開機運行情況良好，各部件振動情況良好，達到了預(yù)期的效果。后錨固植筋技術(shù)應(yīng)用于大型水電機組投運后的加固處理，獲得了很好的效果，為后錨固技術(shù)進一步應(yīng)用到水電領(lǐng)域中積累了經(jīng)驗。后錨固植筋技術(shù)具有效率高、對結(jié)構(gòu)破壞面損傷小等優(yōu)點，在今后的實踐中結(jié)合理論運用，在設(shè)計布置、方案選型、施工組織等方面進一步優(yōu)化，建立針對水電機組不同部位的錨固方法，以降低機組投運后基礎(chǔ)部件加固處理的施工難度。

參考文獻：

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