水电站清污机边梁腹板断裂原因分析及处理

段立辉

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 伊犁 830000）

水电站清污机边梁腹板断裂原因分析及处理

段立辉

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 伊犁 830000）

恰甫其海水电站清污机经过一个冬季的闲置后，发现清污机边梁腹板、翼缘板严重变形损坏；经现场仔细检查和分析确定边梁内积水结冰所致，因水结冰后体积膨大受到边梁腹板、翼缘板、隔板刚性约束产生很大的冰劈作用，此冰劈作用力远超出边梁设计时的承载能力。

清污机；边梁；腹板；冰劈

1 引言

恰甫其海水电站联合进水口清污机，主要由耙斗架、铲齿、转耙、液压系统、油缸、导向轮、侧轮等部件组成。抓斗的升降由坝顶门机的起升机构操作，下降时转耙处于打开状态，沿固定轨道下降，铲齿可插入拦污栅前并铲下拦污栅面上的污物，下降至栅底时，转耙闭合抓起污物，可以清除拦污栅栅面的污物，从而减少水头损失，提高发电效率，保证水电站水轮发电机组的正常运行。

2 设备损坏情况

2011年4月按计划实施水工金属结构设备汛前检查维护过程中，工作人员发现清污机左侧导向装置上方边梁翼缘板、腹板有不同程度的损坏现象，其中边梁翼板出现弯曲变形，腹板严重由内向外鼓胀，并且出现断裂现象。腹板断裂位置位于导向装置上方边梁隔板与外侧腹板连接处，断裂开口长度为34 cm，断裂开口外形像金属材料疲劳撕裂伤口，不规整的据齿状，断裂处下方腹板上有明显水流过的锈迹；边梁翼缘板与腹板之间焊缝表面防腐涂层已裂开，将焊缝表面防腐涂层去除后，发现焊缝上均有裂纹出现（见图1）。

3 原因分析

图1 清污机边梁腹板裂口

从清污机耙斗架受力结构情况分析，清污机主要受力部件为纵主梁和横梁结构系，需要承受自身重量、耙斗及污物重量。清污机运行时边梁主要承受自重和运行时清污机与轨道之间的摩擦力，但边梁上安装有导向轮，使边梁与轨道之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦，从而承受的摩擦力很小，仅凭边梁自重和摩擦力不至于将边梁损坏。并且从清污机边梁损坏时间段来看不是在运行过程中损坏，因为每次清污机运行前、后工作人员都要进行仔细的检查和维护，如果边梁上存在这么大的破口早以被工作人员发现，因此可以确定清污机边梁在闲置期间损坏。

清污机闲置期间将两侧边梁锁定台落至锁定梁上，边梁锁定台将清污机自重传输到锁定梁，此时清污机边梁需要承受整台清污机自重13 t，但不至于把边梁翼缘板和腹板损坏。边梁翼缘板长度为264.6 cm，宽度为16 cm，板厚为2 cm，翼缘板两端设有2个导向装置，2个导向装置轴距为205 cm，轮径为48 cm；边梁腹板长度为262.6 cm，宽度为40 cm，板厚为1 cm，腹板外侧中间设有锁定装置，供清污机停放时使用；为保证清污机边梁的钢度，在2个导向轮中间157 cm长的边梁内共设有3层横向隔板，隔板厚为10 mm，每层隔板之间间距为60 cm，使整个边梁成箱梁结构。损坏的翼缘板和腹板在底层隔板上方。边梁损坏段的两侧翼缘板均已弯曲变形，弯曲长度为46 cm；边梁损坏段的两侧腹板也均由内向外鼓胀，鼓胀段长度60cm，向外凸出高度为2.1cm，变形长度刚好为两层隔板之间的腹板段。外侧腹板底部已撕裂，断裂处下方腹板上有明显水流过的锈迹。

以上数据分析可以得出：清污机边梁是完全可以承载清污机自身重量的，边梁的损坏是承受巨大的外力所致。从损坏段的翼缘板和腹板外观变形来看，该外力是在边梁两层隔板的箱梁内产生，力是由箱梁内向外传递。同时从断裂处下方腹板上有明显水流过的锈迹，和腹板鼓胀长度来看可以确定箱梁内充满积水。由于水在清污机边梁的箱梁内都受到刚性约束，水的密度为1 000 kg/m3，冰的密度为900 kg/m3，结冰时体积膨长9%左右。借鉴《水结冰膨胀压力测试方法及实验数据分析》文章实验数据结果，水结冰产生的膨胀压力具有各向同性的性质，因此它对围限它的箱梁产生很大的作用力，这种叫冰劈作用。冰劈的作用力可达960～2 000 kg/cm2。按箱梁腹板长60 cm，宽度40 cm，按物体所受压力的大小与受力面积之比的压强公式P=F/S公式计算，将冰劈的作用960～2 000 kg/cm2单位换算为帕斯卡，kg/cm2=9.81N/cm2=9.81N×1/10000=98067Pa，压强P=94143840～196133000Pa

面积S=ad=60 cm×40 cm=2 400 cm2=0.24 m2

当冰劈作用为960 kg/cm2计算时，压力F为：

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

当冰劈作用为2 000 kg/cm2计算时，压力F为：

F=PS=196133000 Pa×0.24 m2=47071920 N≈47072 kN

式中：F－压力,单位是牛顿（N）；

P－压强，单位是帕斯卡（Pa）；

S－受压面积,单位是平方米（m2）。

从计算结果来看，边梁腹板需要承受冰劈的作用力约为22 595～47 072 kN，这足以使1 cm厚钢的边梁板腹鼓胀、断裂。

为了进一步证明清污机边梁损坏是受冰劈作用，查阅了当年清污机运行资料和当地气象资料，2010年7月该清污机在水下53 m处作业4 d，如果清污机边梁上有很小孔洞或缝隙，在水压作用下几秒种内即可注满边梁。当地气象资料数据显示，2011年冬季连续3个月当地月平均气温均在0℃以下（见表1），这也是形成边梁内积水结冰的原因。

表1 2011年冬季当地气温情况

4 处理方法

分析出清污机边梁损坏原因后，需要找到边梁损坏段层内的漏水点，仔细检查边梁翼缘板与腹板之间的连接焊缝，发现部分连接焊缝有裂纹，但从焊缝裂纹纹理结构来看不是焊接缺陷，而是金属疲劳导致的裂纹。边梁翼缘板与腹板母材表面完好，未发现气孔、砂眼等缺陷。最后只能检查边梁内隔板层之间是否有漏水点，因隔板层设置在边梁内部，仅凭外观是无法观察到。工作人员找来一些水，将水浇进边梁顶层隔板上方，经过观察几分钟后发现边梁损坏腹板裂口处有水流出，可以确定边梁上面两层隔板均有漏水点。清污机损坏边梁的维修工作可以分两步实施，第一步找出边梁隔板层漏水点，对漏水点实施焊接修复，修复后再次做漏水试验，确定边梁顶上两层隔板均无渗漏后方可实施第二步。

查阅清污机相关图纸资料，确定清污机边梁翼缘板、腹板采用的钢板材质、板厚及焊材。并将严重变形腹板、断裂层整体切割，发现中层隔板与腹板之间一条连接焊缝未焊接，工作人员再次往顶层隔板内注水后，中层隔板未焊接焊缝处有水渗出，底层融板与翼缘板和腹板焊缝焊接良好，造成顶上的水渗漏到底层后无法排除，使该箱梁内盛满积水，在严寒冬天积水结冰产生冰劈作用，这也是造成主板、腹板变形、断裂主要原因。补焊隔板未焊接焊缝，对切割后的毛边进行打磨平整。采用10 t液压千斤顶校正边梁翼缘板，校正后测量切除的边梁腹板几何尺寸。从新板材上切割相同尺寸的钢板，并在钢板四周打坡口。将切割好的钢板安装到清污机边梁腹板切除位置，对不合适部位进行打磨修整、校正，直到整块钢板安装到位。安装到位后对钢板点焊定位、对称焊接，在整个实施焊接过程中严格控制边梁的焊接变形。焊接后清除焊渣和飞溅物，最后实施金属结构的涂层防腐处理。

5 结束语

寒冷地区户外和涉水作业的金属结构梁系采用箱梁结构形式时，在设计和制作过程中应充水考虑箱梁密封或排水问题，防止箱梁内积水结冰而产生冰劈作用，这冰劈作用力远远超出金属结构设计时承载能力。

[1]徐光苗，刘泉声.岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究[J].岩石力学与工程学报，2005（17）.

TV732.2

B

1672-5387（2017）01-0047-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.014

2016-04-04

段立辉（1981-），男，工程师，从事水电站闸门及启闭设备运行维护管理工作。