王永洪

摘要：大型水電站發(fā)電機(jī)多采用埋入混凝土的錨桿螺栓作為定子機(jī)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(dá)標(biāo)，直接造成錨桿螺栓實(shí)際許用應(yīng)力降低，使發(fā)電機(jī)定子機(jī)座受力狀況惡化，給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)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(qiáng)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(jī)定子基礎(chǔ)板進(jìn)行加固處理，即基于投產(chǎn)發(fā)電后的機(jī)組所具備的處理?xiàng)l件選擇的一種切合實(shí)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(yàn)。在國內(nèi)某大型電站的應(yīng)用實(shí)例表明，該方法能夠徹底消除錨桿螺栓斷裂對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，機(jī)組開機(jī)運(yùn)行情況良好，各部件振動情況良好，達(dá)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(jī)

中圖法分類號：TV223.34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.011

大型水電機(jī)組發(fā)電機(jī)定子機(jī)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(jī)組應(yīng)對發(fā)電機(jī)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(qiáng)度鋼制螺栓，具有良好的硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和沖擊吸收能量等。但在設(shè)計、制造、安裝及運(yùn)行維護(hù)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(jī)座基礎(chǔ)板承載力不足等情況，對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行造成不良影響。特別是在機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電后，對定子機(jī)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(jī)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(jìn)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(biāo)設(shè)計性能好以及費(fèi)用大幅度降低等優(yōu)點(diǎn)[2]，適用于已投產(chǎn)發(fā)電后的水電機(jī)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(jī)座基礎(chǔ)板進(jìn)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(yùn)用高強(qiáng)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(kuò)展基礎(chǔ)板或利用原有基礎(chǔ)板，實(shí)現(xiàn)定子機(jī)座與化學(xué)植筋有效連接，從而達(dá)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(hù)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。化學(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。控制此類破壞的方式是在設(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(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)和金相檢驗(yàn)等，以檢驗(yàn)材質(zhì)是否符合標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)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(diǎn)的一定深度的楔形體破壞。混凝土基材破壞形式屬于脆性破壞。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(dāng)和施工不當(dāng)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(biāo)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(yàn)分非破壞性和破壞性試驗(yàn)兩類，試驗(yàn)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(shí)際情況進(jìn)行檢驗(yàn)試驗(yàn)。

2 后錨固方案制定

2.1 直接植筋加擴(kuò)展基礎(chǔ)板

在原有定子機(jī)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(kuò)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(kuò)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(kuò)展基礎(chǔ)板連接，采用六方螺母的形式，利用力矩扳手進(jìn)行預(yù)緊，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)板加固處理。該方案施工難度小、進(jìn)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(jī)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(kuò)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(kuò)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(jìn)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(jìn)行焊縫PT探傷檢查。為消除擴(kuò)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(kuò)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(kuò)展板的連接方式進(jìn)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(jìn)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(jī)組運(yùn)行中起到彈性儲備作用，提高各類工況下來自定子機(jī)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(kuò)展基礎(chǔ)板，直接在原定子機(jī)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(yàn)

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(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能試驗(yàn)及金相檢驗(yàn)，以檢驗(yàn)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(jìn)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(yàn)

在同批次中任選各1件進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果見表2。可見植筋螺桿及拉伸螺桿的硬度均符合GB-T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》中的技術(shù)要求。

3.3 金相檢驗(yàn)

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(jìn)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(yàn)

隨機(jī)抽取新植筋螺桿和拉伸螺桿，加工成標(biāo)準(zhǔn)試樣棒，進(jìn)行一系列力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見表3?？梢娦轮步盥輻U和拉伸螺桿的抗拉強(qiáng)度、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)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(jī)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(jī)組檢修期間發(fā)現(xiàn)個別定子機(jī)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(jī)長期安全穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)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(jìn)行預(yù)緊。

（3）對重新預(yù)緊完成的錨桿螺栓立即進(jìn)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(biāo)記好的位置上進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行干燥處理。

（4）對清潔后的孔洞嚴(yán)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(dá)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(hù)工作，如掛明顯標(biāo)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(hù)

根據(jù)環(huán)境溫度的不同，固化養(yǎng)護(hù)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(jìn)行預(yù)緊。

5 結(jié)語

采用上述方案完成定子機(jī)座基礎(chǔ)板加固工作后，機(jī)組開機(jī)運(yùn)行情況良好，各部件振動情況良好，達(dá)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(jī)組投運(yùn)后的加固處理，獲得了很好的效果，為后錨固技術(shù)進(jìn)一步應(yīng)用到水電領(lǐng)域中積累了經(jīng)驗(yàn)。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(diǎn)，在今后的實(shí)踐中結(jié)合理論運(yùn)用，在設(shè)計布置、方案選型、施工組織等方面進(jìn)一步優(yōu)化，建立針對水電機(jī)組不同部位的錨固方法，以降低機(jī)組投運(yùn)后基礎(chǔ)部件加固處理的施工難度。

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