楊房溝水電站壓力鋼管鼓包原因分析及處理措施

汪海雁 張順強(qiáng)

摘要：為科學(xué)處理?xiàng)罘繙纤娬疽磯毫︿摴芄陌鼏栴}，分析了壓力管道鼓包的主要原因，如鋼管外壁混凝土澆筑、灌漿壓力過大和壓力管道外壁加勁環(huán)與壓力鋼管焊接質(zhì)量等問題，采取了替換鼓包部位鋼板及加勁環(huán)并且鑿除變形區(qū)域鋼管背后混凝土，同時(shí)在管外回填混凝土、接觸灌漿等一系列措施。經(jīng)過兩個(gè)蓄水期的試驗(yàn)及放空檢修檢查，結(jié)果表明：壓力管道鼓包位置經(jīng)處理后未發(fā)現(xiàn)異常，所采用的處理措施合理可靠，處理效果滿足質(zhì)量要求。研究成果可供其他水電工程參考。

關(guān)鍵詞：壓力管道； 鼓包； 鋼管焊接； 分塊焊接； 接觸灌漿； 楊房溝水電站

中圖法分類號(hào)：TV732.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S2.009

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S2-0032-03

0 引 言

壓力鋼管施工質(zhì)量對(duì)水電站的運(yùn)行尤為重要，壓力管道施工完成后或在運(yùn)行中時(shí)常出現(xiàn)鼓包的情況，對(duì)鼓包的處理基本都采用將鼓包部位割除后更換瓦片、重新焊接的方式。由于更換瓦片分片方式不合理或焊接工藝不合理、挖除部位回填的混凝土性能不滿足要求，可能導(dǎo)致壓力管道出現(xiàn)二次鼓包的情況。基于此，本文從更換后的瓦片分塊尺寸、焊接工藝及挖除后回填混凝土的性能進(jìn)行研究。

1 工程概況

楊房溝水電站工程的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，樞紐工程等別為Ⅰ等，工程規(guī)模為大（1）型，由雙曲拱壩、泄洪消能建筑物（壩后水墊塘及二道壩）、左岸引水系統(tǒng)、地下廠房及尾水系統(tǒng)等主要建筑物組成。引水發(fā)電系統(tǒng)共設(shè)置4條引水洞，采用單機(jī)單洞豎井式，每條引水洞分為上平段、上彎段、豎井段、下彎段以及下平段。引水洞上平段至下平段漸變段采用混凝土襯砌，漸變段以后采用壓力鋼管襯砌，在壓力鋼管襯砌混凝土澆筑完成半年后，發(fā)現(xiàn)1號(hào)、4號(hào)壓力管道第17節(jié)瓦片產(chǎn)生鼓包。

1.1 壓力管道設(shè)計(jì)情況

引水洞進(jìn)口中心高程2 066.2 m，上平段由進(jìn)口直徑12.8 m漸變到直徑12.0 m。上彎段、下彎段轉(zhuǎn)彎半徑30 m，豎井段高度92.1 m，下平段由直徑12.0 m漸變到直徑10.8 m。引水洞上平段至下平段漸變段采用混凝土襯砌，漸變段以后采用壓力鋼管襯砌。單條壓力管道安裝長(zhǎng)度50.9 m，4條壓力鋼管均垂直進(jìn)入廠房，與機(jī)組蝸殼延伸段相接。

每條壓力鋼管分為22節(jié)，鋼管內(nèi)徑由進(jìn)口的9.20 m漸變到出口的8.82 m。其中，進(jìn)口段8節(jié)鋼管內(nèi)徑9.20 m，板厚為26 mm，管節(jié)長(zhǎng)度最大為L(zhǎng)=2.4 m，鋼板材質(zhì)為Q345R；下游至錐管段7節(jié)鋼管內(nèi)徑9.20 m，板厚為28 mm，管節(jié)長(zhǎng)度L=2.4 m，鋼板材質(zhì)為600 MPa級(jí)高強(qiáng)鋼；錐管段至出口段7節(jié)鋼管內(nèi)徑由9.20 m漸變到8.82 m，鋼板板厚為 32～42 mm，管節(jié)長(zhǎng)度最大為L(zhǎng)=2.4 m，鋼板材質(zhì)為600 MPa 級(jí)高強(qiáng)鋼，壓力鋼管單節(jié)最重為24.37 t。為保證鋼管的抗外壓穩(wěn)定安全，鋼管全長(zhǎng)均設(shè)置加勁環(huán)，材質(zhì)為Q345R，加勁環(huán)間距最大為1.1 m，厚度26 mm，高度150 mm（阻水環(huán)、止推環(huán)高度250 mm）。

1.2 鼓包情況

1號(hào)、4號(hào)壓力管道混凝土于2020年5月30日已全部完成澆筑，2021年1月12日現(xiàn)場(chǎng)巡察發(fā)現(xiàn)1號(hào)壓力鋼管樁的管（1）0+162.271～管（1）0+163.871段底板左側(cè)（順發(fā)電水流向）存在鼓包，鼓包長(zhǎng)（順發(fā)電水流向）約1.6 m，寬約1 m，面積約為1.6 m2，鼓包最大凸出3.4 cm，平均凸出2.3 cm，對(duì)鼓包進(jìn)行敲擊檢測(cè)，證明無(wú)脫空。4號(hào)壓力鋼管樁的管（4）0+105.406～管（4）0+107.406段右側(cè)（順發(fā)電水流向）范圍內(nèi)底板存在鼓包，鼓包長(zhǎng)（順發(fā)電水流向）約2 m，寬約1 m，面積約為1.8 m2，鼓包最大凸出5.1 cm，平均凸出4.0 cm。

2 壓力鋼管鼓包原因分析

壓力鋼管鋼襯湊合節(jié)段安裝時(shí)間為2019年5月，發(fā)現(xiàn)鼓包時(shí)間為2021年1月，發(fā)現(xiàn)鼓包時(shí)間晚，通過鉆孔檢查，鋼襯后壁未發(fā)現(xiàn)有較深的間隙、脫空或射水現(xiàn)象，證明鼓包不是由外水壓力引起。刨剝開壓力管道后，發(fā)現(xiàn)鼓包部位的外加勁環(huán)與壓力鋼管已經(jīng)脫開，且脫開部位有混凝土灌入。專家討論分析認(rèn)為，鼓包是由于鋼管外壁混凝土澆筑、灌漿壓力過大（設(shè)計(jì)值合理但施工過程中失控）和壓力鋼管外壁加勁環(huán)與壓力鋼管脫焊等綜合因素導(dǎo)致。

3 壓力管道處理措施

3.1 總體處理方案

首先，割除1號(hào)、4號(hào)壓力管道鼓包鋼板及加勁環(huán)，再鑿除變形區(qū)域鋼管背后混凝土，然后制作替換鋼板并焊接，在管外回填混凝土、接觸灌漿，最后對(duì)鋼板預(yù)留孔洞進(jìn)行封堵、防腐處理及檢測(cè)。

3.2 處理措施

3.2.1 鼓包割除

割除鼓包位置前，先對(duì)鼓包位置進(jìn)行確認(rèn)及標(biāo)識(shí)，鼓包位置鋼襯砌割除采用碳弧氣刨的方式進(jìn)行。割除完成后，按設(shè)計(jì)要求對(duì)割除部位底部混凝土進(jìn)行鑿除，混凝土鑿除完成后進(jìn)行割除部位鋼板坡口修磨，鋼板分塊與底部混凝土鑿除示意見圖1。

3.2.2 鋼襯墊安裝

壓力鋼管嵌裝鋼襯砌的縱縫、環(huán)縫以及加勁環(huán)對(duì)接焊縫均為一類焊縫，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，無(wú)法對(duì)鼓包位置嵌裝鋼襯砌背縫進(jìn)行清根工作。為確保焊縫有效焊接深度滿足規(guī)范要求，采用焊縫背部加鋼襯板的方式進(jìn)行對(duì)接焊縫焊接，鋼襯墊安裝完成后，對(duì)接縫接坡口根部間隙為7～10 mm。鋼襯板安裝示意及尺寸見圖2。

3.2.3 鋼襯砌嵌裝

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，由于1號(hào)壓力管道鼓包情況基本與4號(hào)壓力管道相同，因此以4號(hào)壓力管道為例。

（1） 鼓包鋼襯采用與原壓力管道17號(hào)管節(jié)瓦片弧度以及板厚和力學(xué)性能相同的鋼襯進(jìn)行替換，替換前首先進(jìn)行鋼板送檢、鋼板下料、卷板等工作，瓦片制作工藝與原壓力管道相同，綜合考慮施工通道大小及瓦片運(yùn)輸，將替換鋼襯分割成3塊進(jìn)行嵌裝及焊接工作，具體分塊見圖3。

（2） 進(jìn)行替換鋼襯砌Ⅰ以及替換鋼襯砌Ⅱ的安裝及焊接工作，焊接完成后再進(jìn)行替換鋼襯砌Ⅲ的安裝及焊接工作。

3.2.4 焊接工藝

（1） 替換鋼板焊接前應(yīng)清理干凈鋼板背部混凝土碎屑等雜物，焊縫采用焊條電弧焊焊接，焊接前進(jìn)行焊縫預(yù)熱，單側(cè)加熱區(qū)域均大于300 mm，預(yù)熱溫度80～120 ℃，采用分段退步焊或多層多道焊接方式進(jìn)行焊接，加勁環(huán)對(duì)接焊縫、替換鋼板縱縫和環(huán)縫均采用單面焊接、雙面成型的工藝焊接，替換鋼板焊接時(shí)，采用分段退步、多層多道焊接方式。首先進(jìn)行定位焊，定位焊長(zhǎng)度不小于100 mm，然后進(jìn)行兩條縱縫焊接，最后再進(jìn)行環(huán)縫焊接。焊接前刨除定位焊。在焊接過程中保持預(yù)熱溫度，焊縫層間溫度均高于預(yù)熱溫度，且不高于230 ℃，每焊完一道，立即將焊縫清除干凈并利用風(fēng)鏟進(jìn)行消除應(yīng)力處理。

（2） 在替換鋼板Ⅰ與替換鋼板Ⅱ的焊接過程中，分別進(jìn)行對(duì)稱焊接，首先進(jìn)行縱縫焊接工作，縱縫焊接完成后再進(jìn)行環(huán)縫的焊接工作，最后進(jìn)行加勁環(huán)對(duì)接焊縫的焊接；替換鋼板Ⅰ、Ⅱ與原壓力鋼管襯砌和加勁環(huán)對(duì)接焊縫焊接及無(wú)損檢測(cè)完成后，再進(jìn)行替換鋼板Ⅲ的對(duì)接焊縫焊接工作，先進(jìn)行縱縫焊接工作，后依次進(jìn)行環(huán)縫焊接工作。具體分塊焊接順序見圖4。

（3） 所有焊縫均一次性連續(xù)施焊完畢。

（4） 為減小替換鋼板角部焊接應(yīng)力，替換鋼板四角部分切割為半徑200 mm的1/4圓弧形。

（5） 封閉焊縫焊接過程中，在對(duì)接縫的適當(dāng)位置可布設(shè)一定數(shù)量楔子壓碼，以保證管壁厚度方向限位且防止超標(biāo)錯(cuò)牙產(chǎn)生。

3.2.5 焊后探傷及防腐處理

焊縫內(nèi)部探傷在焊接完成24 h以后進(jìn)行，加勁環(huán)位置處的槽焊焊縫、鋼管縱縫和環(huán)縫采用100%超聲波探傷，超聲波探傷的檢驗(yàn)及評(píng)定均滿足GB/T 11345-2013《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》規(guī)定的B級(jí)，焊縫質(zhì)量等級(jí)為GB/T 29712-2013《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 驗(yàn)收等級(jí)》規(guī)定的2級(jí)。

鼓包處理焊接完成及檢驗(yàn)合格后，將替換鋼板的表面進(jìn)行整修，同時(shí)將金屬表面鐵銹、氧化皮、油污、焊渣、灰塵、水分等污物清理干凈，手工除銹等級(jí)達(dá)到St3級(jí)，涂裝后對(duì)涂層進(jìn)行外觀檢查，確保表面均勻一致，無(wú)流掛、皺紋、鼓泡、針孔、裂紋等缺陷。

3.2.6 鑿除、回填混凝土

混凝土鑿除施工為一次鑿除，鑿除深度為30 cm，滿足替換鋼板焊接作業(yè)空間的同時(shí)滿足混凝土流動(dòng)性要求。在替換鋼板蓋板前，清除混凝土澆筑倉(cāng)內(nèi)積水，縫面驗(yàn)收合格且采用合適的封堵材料對(duì)混凝土與鋼板之間的間隙、滲水點(diǎn)沿四周進(jìn)行封閉處理。

1號(hào)、4號(hào)壓力管道鼓包回填混凝土一次澆筑完成。1號(hào)、4號(hào)壓力管道鋼管鼓包回填混凝土采用C60無(wú)收縮混凝土澆筑，混凝土采用人工入倉(cāng)，在預(yù)留孔保護(hù)套上引接1 m長(zhǎng)的料斗，澆筑人員持鐵棒配合送料，并在鋼管外側(cè)敲擊以確保混凝土密實(shí)，混凝土澆筑完成后及時(shí)進(jìn)行灑水保濕養(yǎng)護(hù)。

3.2.7 接觸灌漿

（1） 脫空區(qū)域檢查。鋼襯接觸灌漿開始前，對(duì)脫空區(qū)域進(jìn)行全面細(xì)致的檢查，采用敲擊法，通過回聲判斷脫空區(qū)域的位置和范圍。若鋼襯脫空面積大于0.5 m2，則進(jìn)行接觸灌漿處理，采用磁座電鉆開孔，孔徑不小于12 mm，每一個(gè)獨(dú)立的脫空區(qū)布孔不少于2個(gè)，在最低處和最高處均布孔。

（2） 縫隙及可灌性檢查。鉆孔完成后，采用鉤檢法檢測(cè)脫空深度，每個(gè)鉆孔部位人工測(cè)記鋼襯與混凝土之間的間隙尺寸。采用通水方式檢查可灌性，檢查前在進(jìn)漿孔孔口插入灌漿短管，短管與鋼襯間采用焊接連接，以確保灌漿短管安牢、穩(wěn)固，不漏風(fēng)。

（3） 灌漿。采用化學(xué)漿液進(jìn)行接觸灌漿灌注，從最低處向高處進(jìn)行，灌漿壓力為0.1 MPa，灌漿過程中嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行灌漿壓力控制，具體灌漿壓力可根據(jù)鋼襯實(shí)際情況調(diào)整，但不大于0.1 MPa，灌漿過程中敲擊震動(dòng)鋼襯，待排氣孔排出漿液濃度達(dá)到或接近進(jìn)漿濃漿后，在設(shè)計(jì)壓力下繼續(xù)灌注5 min，即可結(jié)束灌漿；灌漿過程中，對(duì)鋼板變形情況進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)，未發(fā)現(xiàn)鋼板抬動(dòng)或屈曲變形情況。

（4） 灌后檢查。灌漿結(jié)束7 d后進(jìn)行灌漿質(zhì)量檢查，采用錘擊敲打法進(jìn)行質(zhì)量檢查，敲擊工具采用木質(zhì)錘或橡膠錘。檢查結(jié)果表明：替換鋼板部位無(wú)脫空的情況，即灌漿效果較好，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2.8 鉆孔封堵

鋼管鋼襯接觸灌漿結(jié)束以后，割除灌漿短管，再使用直磨機(jī)對(duì)孔內(nèi)壁進(jìn)行清理，以保證內(nèi)壁清潔。清理完成后，使用M16絲錐對(duì)鉆孔進(jìn)行攻絲，在絲扣表面涂抹耐高溫環(huán)氧密封膠，并將堵頭與鋼管內(nèi)表面采用水密焊封焊。焊縫檢測(cè)采用滲透檢測(cè)，進(jìn)行100%檢查，檢查合格后，涂刷防護(hù)漆進(jìn)行有效保護(hù)。

3.3 處理結(jié)果

壓力管道鼓包部位處理完成后，經(jīng)過2個(gè)蓄水期的考驗(yàn)及放空檢修檢查，壓力管道鼓包位置未發(fā)現(xiàn)異常，證明壓力管道鼓包的處理措施成功。

4 結(jié) 論

楊房溝水電站1號(hào)、4號(hào)壓力管道在壓力管道混凝土澆筑完成半年后出現(xiàn)鼓包情況。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與原因分析，確定了科學(xué)、合理的處理措施，處理效果滿足質(zhì)量要求。本文研究方法和處理措施可供其他類似水電工程參考。