水電站清污機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建設管理局，新疆 伊犁 830000）

水電站清污機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建設管理局，新疆 伊犁 830000）

恰甫其海水電站清污機經過一個冬季的閑置后，發現清污機邊梁腹板、翼緣板嚴重變形損壞；經現場仔細檢查和分析確定邊梁內積水結冰所致，因水結冰后體積膨大受到邊梁腹板、翼緣板、隔板剛性約束產生很大的冰劈作用，此冰劈作用力遠超出邊梁設計時的承載能力。

清污機；邊梁；腹板；冰劈

1 引言

恰甫其海水電站聯合進水口清污機，主要由耙斗架、鏟齒、轉耙、液壓系統、油缸、導向輪、側輪等部件組成。抓斗的升降由壩頂門機的起升機構操作，下降時轉耙處于打開狀態，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，轉耙閉合抓起污物，可以清除攔污柵柵面的污物，從而減少水頭損失，提高發電效率，保證水電站水輪發電機組的正常運行。

2 設備損壞情況

2011年4月按計劃實施水工金屬結構設備汛前檢查維護過程中，工作人員發現清污機左側導向裝置上方邊梁翼緣板、腹板有不同程度的損壞現象，其中邊梁翼板出現彎曲變形，腹板嚴重由內向外鼓脹，并且出現斷裂現象。腹板斷裂位置位于導向裝置上方邊梁隔板與外側腹板連接處，斷裂開口長度為34 cm，斷裂開口外形像金屬材料疲勞撕裂傷口，不規整的據齒狀，斷裂處下方腹板上有明顯水流過的銹跡；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，發現焊縫上均有裂紋出現（見圖1）。

3 原因分析

圖1 清污機邊梁腹板裂口

從清污機耙斗架受力結構情況分析，清污機主要受力部件為縱主梁和橫梁結構系，需要承受自身重量、耙斗及污物重量。清污機運行時邊梁主要承受自重和運行時清污機與軌道之間的摩擦力，但邊梁上安裝有導向輪，使邊梁與軌道之間的摩擦由滑動摩擦變為滾動摩擦，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。并且從清污機邊梁損壞時間段來看不是在運行過程中損壞，因為每次清污機運行前、后工作人員都要進行仔細的檢查和維護，如果邊梁上存在這么大的破口早以被工作人員發現，因此可以確定清污機邊梁在閑置期間損壞。

清污機閑置期間將兩側邊梁鎖定臺落至鎖定梁上，邊梁鎖定臺將清污機自重傳輸到鎖定梁，此時清污機邊梁需要承受整臺清污機自重13 t，但不至于把邊梁翼緣板和腹板損壞。邊梁翼緣板長度為264.6 cm，寬度為16 cm，板厚為2 cm，翼緣板兩端設有2個導向裝置，2個導向裝置軸距為205 cm，輪徑為48 cm；邊梁腹板長度為262.6 cm，寬度為40 cm，板厚為1 cm，腹板外側中間設有鎖定裝置，供清污機停放時使用；為保證清污機邊梁的鋼度，在2個導向輪中間157 cm長的邊梁內共設有3層橫向隔板，隔板厚為10 mm，每層隔板之間間距為60 cm，使整個邊梁成箱梁結構。損壞的翼緣板和腹板在底層隔板上方。邊梁損壞段的兩側翼緣板均已彎曲變形，彎曲長度為46 cm；邊梁損壞段的兩側腹板也均由內向外鼓脹，鼓脹段長度60cm，向外凸出高度為2.1cm，變形長度剛好為兩層隔板之間的腹板段。外側腹板底部已撕裂，斷裂處下方腹板上有明顯水流過的銹跡。

以上數據分析可以得出：清污機邊梁是完全可以承載清污機自身重量的，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看，該外力是在邊梁兩層隔板的箱梁內產生，力是由箱梁內向外傳遞。同時從斷裂處下方腹板上有明顯水流過的銹跡，和腹板鼓脹長度來看可以確定箱梁內充滿積水。由于水在清污機邊梁的箱梁內都受到剛性約束，水的密度為1 000 kg/m3，冰的密度為900 kg/m3，結冰時體積膨長9%左右。借鑒《水結冰膨脹壓力測試方法及實驗數據分析》文章實驗數據結果，水結冰產生的膨脹壓力具有各向同性的性質，因此它對圍限它的箱梁產生很大的作用力，這種叫冰劈作用。冰劈的作用力可達960～2 000 kg/cm2。按箱梁腹板長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公式P=F/S公式計算，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P=94143840～196133000Pa

面積S=ad=60 cm×40 cm=2 400 cm2=0.24 m2

當冰劈作用為960 kg/cm2計算時，壓力F為：

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

當冰劈作用為2 000 kg/cm2計算時，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，單位是帕斯卡（Pa）；

S－受壓面積,單位是平方米（m2）。

從計算結果來看，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。

為了進一步證明清污機邊梁損壞是受冰劈作用，查閱了當年清污機運行資料和當地氣象資料，2010年7月該清污機在水下53 m處作業4 d，如果清污機邊梁上有很小孔洞或縫隙，在水壓作用下幾秒種內即可注滿邊梁。當地氣象資料數據顯示，2011年冬季連續3個月當地月平均氣溫均在0℃以下（見表1），這也是形成邊梁內積水結冰的原因。

表1 2011年冬季當地氣溫情況

4 處理方法

分析出清污機邊梁損壞原因后，需要找到邊梁損壞段層內的漏水點，仔細檢查邊梁翼緣板與腹板之間的連接焊縫，發現部分連接焊縫有裂紋，但從焊縫裂紋紋理結構來看不是焊接缺陷，而是金屬疲勞導致的裂紋。邊梁翼緣板與腹板母材表面完好，未發現氣孔、砂眼等缺陷。最后只能檢查邊梁內隔板層之間是否有漏水點，因隔板層設置在邊梁內部，僅憑外觀是無法觀察到。工作人員找來一些水，將水澆進邊梁頂層隔板上方，經過觀察幾分鐘后發現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。清污機損壞邊梁的維修工作可以分兩步實施，第一步找出邊梁隔板層漏水點，對漏水點實施焊接修復，修復后再次做漏水試驗，確定邊梁頂上兩層隔板均無滲漏后方可實施第二步。

查閱清污機相關圖紙資料，確定清污機邊梁翼緣板、腹板采用的鋼板材質、板厚及焊材。并將嚴重變形腹板、斷裂層整體切割，發現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法排除，使該箱梁內盛滿積水，在嚴寒冬天積水結冰產生冰劈作用，這也是造成主板、腹板變形、斷裂主要原因。補焊隔板未焊接焊縫，對切割后的毛邊進行打磨平整。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邊梁腹板切除位置，對不合適部位進行打磨修整、校正，直到整塊鋼板安裝到位。安裝到位后對鋼板點焊定位、對稱焊接，在整個實施焊接過程中嚴格控制邊梁的焊接變形。焊接后清除焊渣和飛濺物，最后實施金屬結構的涂層防腐處理。

5 結束語

寒冷地區戶外和涉水作業的金屬結構梁系采用箱梁結構形式時，在設計和制作過程中應充水考慮箱梁密封或排水問題，防止箱梁內積水結冰而產生冰劈作用，這冰劈作用力遠遠超出金屬結構設計時承載能力。

[1]徐光苗，劉泉聲.巖石凍融破壞機理分析及凍融力學試驗研究[J].巖石力學與工程學報，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備運行維護管理工作。