摘要:针对松江河发电厂小山水电站1号机由于设计缺陷、安装质量问题、运行方式不合理等原因造成泄水锥脱落使尾水管内水流紊乱导致大面积损坏进行分析，并结合实际，从泄水锥的固定、加工及焊接人手，对尾水管里衬采用打锚杆、拼焊方式对损坏的里衬进行修复，采用SG212HP高早强、高强度无收缩灌浆材料接触灌浆，保证了抢修质量。
水 轮机 泄 水锥脱落、尾水管损坏如果不能及时发现，会留下事故隐患，影响机组的安全稳定运行。松江河发电厂梯级电站小山水电站位于第二松花江上游、松江河干流上，电站共装有2台80 MW混流式机组，额定水头85m ,额定转速214.3 r /min,l号机于1997年12月投产发电，2001年3月12日，由于转子磁扼键脱落造成定子线棒烧损、转子磁极损坏，进行了一次事故抢修，对7对磁扼键、部分磁极及线棒进行了更换。为检验定、转子的抢修质量，2006年9月12日开始对1号机进行扩大性大修。2006年9月14日1号机大修第3天，检修专业人员打开尾水人孔对转轮进行检查时发现1号机转轮泄水锥脱落，对尾水管做进一步检查，又发现尾水管里衬大面积撕裂、剥落，混凝土大面积损坏。局部剥落，面积(长X高)分别为3.0 m X 2 .7 r n,2.5mX2.0m。剥落部位尾水管钢衬拉筋、锚杆、加劲环均已断裂、钢筋网大面积损坏。
1 设备损坏情况
a. 泄水锥整体脱落。泄水锥与转轮体采用螺栓连接，同时泄水锥与转轮结合处采用分段焊接的方式，其紧固螺栓为16只M24 mm六角头螺栓，材质为Q235A，检查发现所有螺栓均被拉断并有3只被拉出，尾水管内未发现脱落的泄水锥。
b. 尾水管肘管第6节至扩散段第18节尾水管里衬大面积剥落，损坏面积约130 m""，其中第6^11节损坏较为严重。底板处混凝土被冲击出一片较大的深坑，最深处约0. 7 m，在左边墙和中墩墙上钢衬局部剥落，面积(长X高)分别为3.0 m * 2 .7m,2.5m*2.0m。剥落部位尾水管钢衬拉筋、锚杆、加劲环均已断裂、钢筋网大面积损坏。
c.检修排水泵进水口拦污栅(其中大小各2只)。除1只未损坏外，其余的均已冲毁。
2 原因分析
a. 设计缺陷。泄水锥与转轮体之间采用普通Q235A钢螺栓连接，把合孔钻好后未做进一步处理，这样在螺栓拧紧后可能存在一定的间隙，从而使螺钉承受附加弯曲应力，由于强度不够，最终导致螺栓断裂。
b. 安装质量问题。螺栓在拧紧后未采取加装止退片、点焊等止退措施，同时焊接材料选用不当，从焊口开裂处可以看出焊条选用的是不锈钢焊条，而不锈钢焊条与转轮(不锈钢)及泄水锥(Q235A钢)焊接后由于收缩系数不同，导致焊缝承受局部应力，当压力脉动加剧产生共振时，引起泄水锥固定螺栓松动。同时转轮体与泄水锥未采用连续焊缝，螺栓松动后转轮体与泄水锥仅靠它们之间的间断焊缝连接，且焊缝本身存在局部应力，经过一段运行时间后致使间断焊缝开裂，在间断焊缝开裂后泄水锥因水力振动产生交变应力，螺钉发生疲劳破坏而断裂，最终导致泄水锥脱落。
c.运行方式不合理。小山水电站机组主要承担系统调峰及事故备用，机组经常在振动区内运行(1号机振动区间负荷为30-45 MW)，在此种运行工况下，由于转轮出口处的旋转水流及脱流旋涡和汽蚀等影响，在尾水管内会引起水压脉动，尤其是在尾水管内出现大祸带后，涡带以接近固定的频率在管内转动，引起水流低频压力脉动，从而引起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳、压力管道的振动。当其频率与发电机或电力系统的自振频率接近时，将发生共振，最终导致泄水锥固定螺栓松动、焊口开裂。
d. 监测手段不完善。小山水电站振摆监测系统精确度不够，泄水锥脱落后，理论上说机组振动应有一定增大，但机组振摆监测并没有反映出来，从而使事故进一步扩大。
e.水流紊乱。泄水锥脱落后，尾水管内水流紊乱，势必产生一个无规律的螺旋状的偏心涡带。由于泄水锥脱落使尾水管内压力分布不均，所以涡带旋转时在尾水管壁或底板上就形成了无规律的压力脉动。而泄水锥脱落时在偏心涡带及水流的作用下，旋转着冲向尾水管底板，在泄水锥的冲击下势必导致尾水管底板产生裂纹。泄水锥脱落后，转轮出口水流无法顺利变成轴向水流，产生紊乱，加剧了尾水流道内的水力脉动和空化现象，也使脉冲水锤压力加剧。在脉动压力作用下，高压水流渗人钢衬裂纹，当水流局部压力降低时，水流又被吸出，如此反复作用，使尾水管钢衬在疲劳应力的作用下逐步断裂冲走。而尾水管钢衬脱落后，露出了凸凹不平的混凝土和拉筋，当高速水流经过这些凸起物时，出现局部脱离，引起很大的局部负压而产生空蚀，在空蚀的反复作用下，混凝土的脆性材料逐渐被剥离冲走，形成冲坑，混凝土逐步松动剥离，最终导致破坏面积加大。
3 处理方法
a。改 变 泄 水锥固定形式。首先提高泄水锥连接螺栓的强度，材料由原来Q235A钢改为45号钢，螺栓拧紧后为防止松动采用点焊形式止退，同时把泄水锥的把合孔惚平，避免产生附加弯曲应力，转轮与泄水锥拧紧后改间断焊缝为连续焊缝，为增加焊缝强度，焊条选用A207焊条打底，并用锤击法消除焊接应力，再用E507焊条加固的方式以增加不同材质的焊接强度。
b. 切 除损 坏钢板并清理松动的混凝土。在钢衬破坏的边缘采用碳弧气刨对损坏部位及脱空部位沿边缘进行切割，切除的轮廓线要圆滑，不能有尖角，以避免应力集中，切割尽量取直，切除后剩余钢板边缘打30。坡口，以便与新钢板焊接，露出的钢筋需仔细检查，已破坏的割除，除去表面水锈及杂物。凿除松动部位的混凝土，为便于浇筑混凝土，破坏深度不到200 mm的凿至200 mm,钢板切除边缘向内延伸凿除100 mm，钢板加劲环部位凿至深300 mm,混凝土表面应平缓过渡。
c.恢 复 钢 筋网及配筋、回填混凝土。用水钻在已清理完的混凝土表面按间距500 mm X 500 mm钻1.1 m 深的孔，插人直径20m m的螺纹钢并灌人与混凝土同标号的砂浆，钢筋外露长度保证能与尾水管钢衬过流面焊接为宜。露出的钢筋需仔细检查，完整的钢筋予以保留，除去表面水锈及杂物。破坏的钢筋预留一定连接长度，按设计图纸要求恢复损坏的钢筋网:其主筋直径32 mm螺纹钢，副筋直径18 mm螺纹钢。钢筋连接采用单面焊接方式，焊接长度为钢筋直径的10倍，插筋与主筋焊接牢固。为达到混凝土强度和抗渗要求，采用二级配混凝土，标号为C20W6,水泥采用325低热渣水泥或普通硅酸盐水泥，在浇混凝土前，为保证回填混凝土与流道基本相符且留有钢板安装和焊接空间，采用薄木模修整流道形状作为浇筑外模，浇筑后混凝土表面应与钢衬外壁留20 - 30 mm 空间，加劲环部位事先预留20 mm(宽)X 150 mm(深)的沟槽，为节省工期可适当加早强剂，人仓的混凝土应及时平仓振捣，不得堆积，振捣必须密实，不留死角，并事先焊好加劲环，每节预留串浆孔及3个灌浆孔。
d. 钢 板 拼焊及安装。待混凝土强度达到要求后，将加工好的钢板运至尾水管内，以保证大修工期。由于无法对锥管部分进行精确测量，为便于现场配装，锥管部分制造的形状为直锥，工地施工时按破损切割后的形状对里衬进行划线、配割成斜锥。具体做法是:以小口为基准，锥管高度为原图最大高度(hm })，另一端以实际高度(h)确定，中间以直线切割，加劲环可装焊在高度的中间，并按实际情况配割。由于钢板下部的焊接空间不够，对配割好的钢板在组焊前按实际插筋位置(间距500 mm X 500 mm)钻协26 mm的焊接孔，以便钢板恢复后与插筋焊接，同时在第6,10,14,16节上开灌浆孔。灌浆孔每节开3个，位置见图1,灌浆孔应避开加劲环位置，灌浆孔开好后，按图2(单位为mm)要求将加强板焊牢。为防止钢板拼焊时流道偏差累积过大，焊接时以第n节口作起点，逐节向前修补直至第6节口，向后修至第18节。
e.接 触 灌 浆。为达到早强、高强度、密实的效果，灌浆材料采用SG212HP高早强、高强度无收缩灌浆料，此材料为成品料，灌后10h强度可达300号，28天强度可达800号。当钢衬全部焊完后，即开始灌浆。为防止灌浆时产生气泡，灌浆顺序为2孔~1孔~3孔(见图1)，灌浆终压应达到0.5 M Pa左右。灌浆结束后用加工好的封堵板对灌浆孔进行封堵，并对药mm排气孔进行封焊。
f.处 理 部 位防腐。在钢板运至尾水管前进行喷砂处理，打掉表面氧化层，表面粗糙度Ra应达到40^70 p.m，合格后背面涂一层水泥砂浆，正面涂一遍环氧底漆，待安装完成后对处理部位进行冷涂锌，其中底膜、面膜各涂2遍，漆膜厚度在0. 25 mm左右。
4 采取的措施
a. 改变 运 行方式。尽量避免机组在振动区内运行，以减少压力脉动对水机部件的损坏。
b. 定期 检 查。将泄水锥及尾水管检查列为小修项目，每年春、秋季小修时对泄水锥各部螺栓及焊点进行检查，及时发现缺陷。
c.振 摆 监 测系统完善。对原振动摆度装置进行完善，主要对监测探头进行更换，同时对监测系统进行调整，从而提高监测系统的测量精度，以便及时反映振动摆度的变化。