湯 天 水

(四川福堂水電有限公司，四川 都江堰 611830)

1 引 言

福堂水電站廠房位于汶川縣福堂村，G213國道沿電廠右岸通過，廠房上距汶川縣縣城36公里，下距成都111公里。福堂水電站為引水式電站，安裝四臺混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量4×90 MW，2004年1月投入商業(yè)運(yùn)行，年平均發(fā)電量22.7億kWh。

福堂水電站水輪發(fā)電機(jī)組由東方電機(jī)股份有限公司供貨，發(fā)電機(jī)采用具有上下導(dǎo)軸承的立軸懸式結(jié)構(gòu)，水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭159.3 m，最小水頭146.1 m，最大水頭184.02 m，吸出高度-3.0 m，最大引用流量251 m3/s。尾水管結(jié)構(gòu)形式為彎肘形尾水管，錐管段為全不銹鋼里襯，材料為0Cr13NNi5Mo，肘管為橢圓形端面，采用Q235鋼板焊接而成。機(jī)組正常檢修時發(fā)現(xiàn)長期運(yùn)行錐管沖蝕變薄，2013年“7·10”泥石流更是造成1F、2F機(jī)組過流部件受損嚴(yán)重。

2 1F、2F過流部件損壞情況

2.1 2F機(jī)組座環(huán)及錐管損壞

2013年“7·10”泥石流后機(jī)組運(yùn)行巡檢發(fā)現(xiàn)2 F機(jī)組尾水錐管進(jìn)人孔上部混泥土與錐管接觸面有少量滲水，且滲水渾濁，并逐漸加大，于是停機(jī)檢查過流部件，檢查發(fā)現(xiàn)錐管損傷極為嚴(yán)重，錐管上部與座環(huán)連接處不銹鋼段已被沖刷掉，背面的護(hù)板部分暴露，錐管與座環(huán)結(jié)合部二期混凝土淘蝕，鋼筋出露(見圖1)，從錐管上部至錐管中部約1.9米高的范圍內(nèi)磨損嚴(yán)重，上部磨損嚴(yán)重程度較多，向下磨損逐步減少，但在錐管中部有多處較大沉坑，已將母材沖穿，進(jìn)入門上部磨出12～15 mm深的倒角。座環(huán)錐面磨損嚴(yán)重，通過檢測，錐面與上下環(huán)板連接部位附近磨出兩個環(huán)帶，深度10～15 mm；座環(huán)下環(huán)板幾乎全部磨蝕，深度超過2/3；座環(huán)與底環(huán)把合面的內(nèi)圓被沖刷掉30～40 mm(見圖2)。

圖1 2F機(jī)組座環(huán)與錐管結(jié)合部位損傷

圖2 2F機(jī)組座環(huán)下環(huán)板損傷

2.2 1F機(jī)組錐管損壞

因發(fā)現(xiàn)2F機(jī)組過流部件嚴(yán)重?fù)p傷，安排1F停機(jī)檢查過流部件檢查發(fā)現(xiàn)錐管損傷較為嚴(yán)重，錐管上部與座環(huán)連接處約4/5長的不銹鋼段沖刷掉，背面的護(hù)板已暴露，從錐管上部至錐管中部約1.7米高的范圍磨損嚴(yán)重，上部平均嚴(yán)重程度較高向下磨損逐步減少，但在錐管中部有5～6處較大沉坑，有兩處已將母材沖穿，進(jìn)入門上部磨出15 mm深的倒角(見圖3)。

圖3 1F機(jī)組座環(huán)與錐管結(jié)合部位損傷

3 方案比選

1F、2F機(jī)組過流部件的損傷明確后，業(yè)主單位立即組織電站設(shè)計(jì)單位、水輪發(fā)電機(jī)組制造單位、檢修單位委派相應(yīng)專家進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)和原因分析，同時確定搶修的大致方案。經(jīng)過現(xiàn)場檢查比對，1F機(jī)組轉(zhuǎn)輪和錐管的損傷程度相對2F機(jī)組較輕，修復(fù)難度相對較小，所需修復(fù)工期也相對較短，先制定1F錐管修復(fù)方案，總結(jié)1F修復(fù)經(jīng)驗(yàn)可供2F機(jī)組制定修復(fù)方案提供借鑒。。

方案一：錐管直錐段整體更換

若整體更換錐管，需要將二次混凝土完全打掉，由于錐管下部有四個支腳以及四個搭檢修平臺的箱體，除需要將二期混凝土全部打掉外，必須將部分一期混凝土打掉，才能將錐管取出(見圖4)。

新的錐管至少分為三瓣，在機(jī)坑內(nèi)安裝、拼焊，安裝新的錐管后還需要重新灌漿。由于機(jī)組錐管室比較狹窄，現(xiàn)場一期、二期砼鑿除和澆筑因空間狹小和施工難度極大，修復(fù)周期會很長。另外咨詢機(jī)組生產(chǎn)廠家制造新的尾水錐管需要的工期長達(dá)2～3個月。

優(yōu)點(diǎn)：可以恢復(fù)到當(dāng)初設(shè)計(jì)要求。

圖4 座環(huán)、錐管示意圖

缺點(diǎn)：實(shí)際可操作性不強(qiáng)，施工難度大，工期長，投資大。

方案二：錐管上部被沖刷部分更換，其他部分采用鑲焊堆焊打磨至設(shè)計(jì)厚度。

1F機(jī)組錐管被沖刷部分主要位于錐管上段15 cm內(nèi)， 2F機(jī)組錐管被沖刷部分主要位于錐管上段30 cm內(nèi)，兩臺機(jī)組被沖刷部分都位于錐管第一段，由于錐管上段背面有護(hù)板，不用處理混凝土即可將錐管第一個環(huán)形筋板以上部分割除，尾水錐管上段第一個環(huán)形筋板14 mm以上部分割除，用新的S135不銹鋼板分瓣鑲焊，鑲焊后在開孔處將原來保留的鋼板與新鑲焊鋼板焊在一起。其余部分采用堆焊工藝，原來保留的鋼板厚度不足時，采用堆焊、打磨的處理辦法，恢復(fù)至原來的設(shè)計(jì)尺寸。

優(yōu)點(diǎn)：只需要對混凝土進(jìn)行少量處理，現(xiàn)場具備可操作性，投資小，工期短。

缺點(diǎn)：大量焊接可能導(dǎo)致錐管里襯變形，導(dǎo)致錐管里襯與混凝土產(chǎn)生脫空、錐管里襯拉錨失效等，焊接工藝打磨后的表面硬度與母材比偏低。

4 修復(fù)方案及施工工藝要求

由于類似于機(jī)組尾水管和座環(huán)損傷修復(fù)對福堂公司而言尚屬首次，而且又無可直接借鑒的修復(fù)案例，經(jīng)過業(yè)主單位、電站設(shè)計(jì)單位、機(jī)組制造單位、機(jī)組檢修單位、監(jiān)理公司等單位機(jī)電、機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)、安裝、焊接、監(jiān)測、水工、灌漿等專業(yè)方面有經(jīng)驗(yàn)的專家或技術(shù)人員對兩個方案充分論證、方案比選和優(yōu)化組合后，形成最終處理方案。

4.1 施工方案

(1)將尾水錐管上段第一個環(huán)形筋板沖刷掉部分割除,割除鋼板時注意保護(hù)鋼板背面的拉錨。用新的S135不銹鋼板鑲焊，鑲焊鋼板分為6瓣；鑲焊時鑲焊鋼板先預(yù)裝，然后在背面有拉錨的地方開孔，通過塞焊焊接方式將拉錨與鑲焊鋼板連接，堆焊后打磨到設(shè)計(jì)厚度。

(2)中間較大沉坑，已將母材沖穿處，采用局部鑲焊處理。

(3)錐管其它部位磨損較輕處，采用堆焊、打磨的處理辦法，恢復(fù)至原來的設(shè)計(jì)尺寸。

(4)根據(jù)錐管脫空檢測情況，最后在錐管與混凝土脫空處進(jìn)行灌漿處理。

4.2 修復(fù)目標(biāo)

(1)錐管修復(fù)后的厚度、圓度、錐度等幾何尺寸，應(yīng)滿足原來設(shè)計(jì)圖紙的要求。

(2)整個錐管修復(fù)后，要按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探傷，應(yīng)無超標(biāo)缺陷。

(3)修復(fù)過程中要采用多種措施，減少焊接應(yīng)力，使機(jī)組在以后運(yùn)行中不產(chǎn)生有害的變形。

(4)通過灌漿使錐管與混凝土壁充分貼合，使機(jī)組在以后運(yùn)行中不產(chǎn)生有害的振動、變形。

4.3 施工工藝

4.3.1 施工前的檢測

為保證修復(fù)質(zhì)量，施工前應(yīng)對錐管進(jìn)行全面的測量。采用吊鋼琴線方式，測量以座環(huán)頂蓋把合止口為基準(zhǔn),檢查原錐管與機(jī)組中心線的偏差值及方位，為以后錐管鑲焊、打磨提供基準(zhǔn)。

4.3.2 焊接部位和焊量的確定

錐管上部用25 mm厚的S135鋼板鑲焊。在錐管下部1 900 mm處，劃出等高的環(huán)線，在環(huán)線上均勻劃出12個點(diǎn)，用碳弧氣刨吹出12個孔(要求將鋼板吹透)，測量此處的壁厚并記錄，用12個25 mm長的焊條，插入點(diǎn)焊固定作為焊接厚度標(biāo)識，用線連接錐管上部和下部標(biāo)識焊條，由于錐管的母線為直線，可以通過此法確定錐管的缺肉量，每隔100 mm就測量需堆焊的厚度并在測量處作上記錄，按記錄用不同厚度的螺母點(diǎn)焊在記錄位置，作為堆焊厚度的標(biāo)記。

4.3.3 焊材選擇

根據(jù)尾水錐管原圖，設(shè)計(jì)時使用的材料為S135不銹鋼板，由于此鋼板為馬氏體不銹鋼，焊接性能較差，對預(yù)熱、保溫、焊接環(huán)境的濕度要求較高，大面積焊接后的應(yīng)力較大，在機(jī)坑內(nèi)采用與母材相同的焊料風(fēng)險較大。根據(jù)多年的焊接經(jīng)驗(yàn)，決定采用E309奧氏體不銹鋼焊料，此種焊料的韌性高，焊接性能好，焊接應(yīng)力較小，焊層的硬度雖然小于母材，但能滿足使用要求。焊條選用AWS A237、E309L φ3.2 mm或φ4.0 mm不銹鋼電焊條，焊絲選用ER309L φ1.2 mm不銹鋼焊絲。

4.3.4 焊接工藝

手工電弧焊接焊條規(guī)格不同，須選取不同的焊接電壓和電流，焊接速度控制在6～15 cm/min。氣體保護(hù)焊焊接時焊接電壓控制在20～34 V，焊接電流控制在140～300 A，焊接速度控制在6～15 cm/min。焊前預(yù)熱90 ℃后，用ER309L φ1.2焊絲或E309Lφ3.2不銹鋼電焊條進(jìn)行多層窄道焊。焊前焊條必須按焊條使用說明書進(jìn)行烘干，放入保溫筒隨用隨取。

4.4 施工工序

(1)將錐管上部與座環(huán)連接處的不銹鋼段沖掉的殘余部分全部吹掉,吹割時注意保護(hù)背面的護(hù)板和背面的拉錨。

(2)用S135不銹鋼板圈制成直徑為φ2476的圓錐環(huán)，錐度按原設(shè)計(jì)的錐管錐度執(zhí)行，分割為6段，配割好鋼板后，預(yù)制焊接坡口，坡口深度與鋼板厚度一致。預(yù)裝鑲焊鋼板并在背面有拉錨處開孔，將鑲焊鋼板與護(hù)板開塞焊孔(見圖5)。用鋼琴線吊中心，重新測量鑲焊鋼板與原錐管中心的偏差，并調(diào)整合格。鑲焊鋼板定位焊接，將與護(hù)板和余下錐管的帶環(huán)焊縫焊接，只焊接一層底層即可，立焊縫段焊牢固，塞焊孔滿焊，與背面的拉錨按附圖處理好后，重新復(fù)檢鑲焊鋼板的幾何尺寸，合格后進(jìn)行后序。

圖5 錐管上部鑲焊鋼板示意圖

(3)上述工作完成后焊接錐管,堆焊從上部分開始焊接，先不與鑲焊鋼板焊接。根據(jù)測量確定錐管的焊接量，堆焊時注意保證鏟磨余量以便保證打磨后錐管里襯壁厚滿足設(shè)計(jì)要求。焊接時采用防止變形及減少應(yīng)力的措施，操作施工如退步焊接，分段焊接等方法，每焊一層要求用風(fēng)鏟清理，除第一層和蓋面層焊道外，其余焊層用風(fēng)鏟進(jìn)行錘擊，以釋放焊接應(yīng)力，先試焊一段，測量焊接區(qū)域的溫度應(yīng)低于150 ℃，當(dāng)母材溫度接近此溫度時必須更換焊接位置，同一區(qū)域焊接時間小于20分鐘，分段焊接可分為上下及圓圍分段，分段距離盡可能長。鏟磨堆焊區(qū)域用圓弧樣板和鋼板尺檢查錐管形狀，機(jī)組吊鋼琴線，檢查堆焊、鏟磨后環(huán)帶的中心是否滿足要求，并通過測量高度差和直徑，計(jì)算堆焊鏟磨后錐度是否符合圖紙要求。堆焊過程中，要經(jīng)常敲擊錐管，通過焊接前后的聲音對比，檢查錐管背面與混凝土貼合。焊接時要控制焊接速度，并用紅外線測溫儀檢測溫度，避免對混凝土產(chǎn)生影響。

(4)對錐管部份母材沖穿的部分，先用碳弧氣刨吹割出圓孔，然后在用S135鋼板鑲焊。

(5)錐管表面堆焊完成后粗磨堆焊層，PT探傷，對焊縫按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行UT+PT探傷，根據(jù)探傷結(jié)果補(bǔ)焊缺陷點(diǎn)。通過鍾擊法檢查錐管與混凝土的貼合情況，如錐管背面脫空嚴(yán)重，通鉆孔檢查確認(rèn)脫空程度。

(6)精磨鏟磨堆焊區(qū)域并用圓弧樣板和鋼板尺檢查錐管形狀，重新進(jìn)行PT探傷。

(7)鑲焊圓錐環(huán)：先將鑲焊錐環(huán)與背面護(hù)板上部吹出3～5 mm焊接坡口，用E309L焊條將其焊在一起，將座環(huán)與錐管結(jié)合部位下環(huán)板與鑲焊鋼板焊在一起。焊接鑲焊塊，底層焊料采用A237，其余采用E309焊條，焊接時采用分段、錘擊等方式減少焊接應(yīng)力，防止變形。將錐管立焊縫滿分段分部步交替焊接，反復(fù)鍾擊鑲焊鋼板、下環(huán)板以消除應(yīng)力，焊接錐鑲焊鋼板與錐管余下部分的焊縫。焊接完成后打磨焊縫，并對焊縫按ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行UT+PT探傷。

(8)錐管焊接完成后要求厚度與錐度滿足設(shè)計(jì)尺寸，用樣板檢查座環(huán)錐面、錐管直錐段等的幾何形狀，應(yīng)滿足圖紙要求。

(9)錐管修復(fù)后通過錘擊法檢查錐管脫空區(qū)多位于錐管上部40 cm～160 cm處，多數(shù)孤立區(qū)域，在80 cm高度有寬約20 cm的環(huán)帶，根據(jù)土建單位灌漿經(jīng)驗(yàn)采取砂漿和化學(xué)灌漿兩種方式，灌漿養(yǎng)護(hù)期過后檢查脫空區(qū)小于國家相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

5 結(jié) 語

福堂電站1F機(jī)組按照方案修復(fù)完成后，投運(yùn)1天、3天、7天、15天檢查未發(fā)現(xiàn)錐管出現(xiàn)異常情況，錐管脫空區(qū)域灌漿后檢查情況也未發(fā)現(xiàn)異常。

事實(shí)證明，采用局部更換加鑲焊的焊接工藝，可以在保證錐管設(shè)計(jì)要求情況下節(jié)約投資、縮短工期，對有類似錐管磨蝕沖蝕嚴(yán)重的水電站施工有一定借鑒意義。

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