海南瓊中抽水蓄能電站壓力鋼管帷幕灌漿孔焊接封堵工藝及改進

楊 峰，張 丹，宿 生，陳瑋彤

(海南蓄能發電有限公司，海南海口570100)

1 工程概況

海南瓊中抽水蓄能電站位于海南省瓊中縣境內，距海南省海口市、三亞市直線距離分別為106、110 km，距昌江核電直線距離98 km。電站安裝3臺單機容量200 MW的可逆式水泵水輪發電機組，總裝機容量600 MW。

樞紐工程主要由上水庫、輸水發電系統及下水庫等建筑物組成。其中輸水系統采用一洞三機布置，主洞洞徑8.40 m，高壓岔管采用鋼筋混凝土襯砌，廠前引水壓力鋼管長100 m，直徑3.80 m，板厚0.32～0.52 m，材質為610CF，最大設計水頭328 m。

表1 引水壓力鋼管帷幕灌漿孔參數

電站引水壓力鋼管共有35個管節，在壓力鋼管1號管節圓周方向開3排φ75 mm灌漿孔，每排10個。壓力鋼管段帷幕灌漿孔布置及參數見圖1、表1。

圖1 引水壓力鋼管防滲帷幕灌漿孔布置示意

2 壓力鋼管帷幕灌漿孔封堵方案

灌漿孔是壓力鋼管的薄弱部位，其封堵工藝要求嚴格，且受地下水影響較大，一旦形成缺陷對工程運行將產生不利影響。目前壓力鋼管灌漿孔封堵主要有2種，即焊接封堵法和環氧樹脂封堵法，前者是國內工程常用的方案，但由于施工要求高、工藝復雜等原因，易發生質量缺陷；后者在國外多個工程中得到成功應用，國內工程應用經驗則很少(則僅有小浪底工程由于工期緊等原因采用該方案)。

參考國內類似工程經驗，海南瓊中抽水蓄能電站壓力鋼管帷幕灌漿孔采用焊接封堵。

2.1 灌漿孔封堵設計

壓力鋼管目前基本上都是在工廠制作，鋼管管節上灌漿孔開孔尺寸為75 mm。灌漿孔后設置補強板并加工螺紋，開孔尺寸和螺距為57 mm×3 mm，工廠內同時生產與之匹配封堵堵頭(見圖2)。在設計上為保證后期灌漿孔焊接封堵質量，堵頭與補強板間加銅墊圈，堵頭旋緊保證無水滲出，以確保焊接封堵質量。

圖2 帷幕灌漿孔封堵設計(單位：mm)

2.2 封堵施工難點

(1)600 MPa級及以上高強鋼板灌漿孔堵頭封堵焊接收縮應力較大，對焊接環境及焊接工藝要求較高，焊縫裂紋易發且不易檢測發現。

(2)電站地下廠房及高壓岔管區域巖性為砂巖，透水性強，灌漿孔封堵過程中可能出現孔內滲水情況，將影響焊接質量，并可能導致延遲裂紋。

(3)工程整體工期非常緊張，土建灌漿施工及后續灌漿孔焊接封堵銜接緊密，對焊接工藝控制等提出了較高要求。

3 壓力鋼管帷幕灌漿孔封堵工藝

3.1 施工工藝措施

為保證灌漿孔焊接封堵質量，制定本焊接方案，施焊時嚴格按照以下工藝要求執行。

(1)清理灌漿孔水泥漿和銹漬。

(2)電焊條350 ℃烘焙1 h。

(3)封堵施焊前采用火焰加熱對補焊區域及相鄰約150 mm范圍內的母材進行預熱，加熱溫度80 ℃。

(4)封堵施焊采用￠3.2mm結CHE607RH超低氫焊條。

(5)封堵焊縫分3層完成，每道焊縫完成后清理焊渣，檢查焊縫表面質量，無缺陷后焊接下第2道焊縫。

(6)焊接過程中控制層間溫度80～160 ℃，對封焊堵頭適當的錘擊消除焊接應力。

(7)各層間起弧點應錯開30 mm以上。

(8)蓋面層焊接完成后應使用回火焊道技術，即當蓋面層焊接完成后，在蓋面層上再焊接一層以達到對蓋面層焊道進行回火的目的，回火焊道只能焊接在蓋面層上且不能與兩側的母材相接觸。焊縫厚度控制在3～4 mm。

(9)封焊工作結束后對焊道進行消氫處理，加熱溫度350 ℃，并覆蓋保溫材料。

(10)進行著色探傷(PT)。

(11)檢查焊縫無表面缺陷后打磨焊道，并進行防腐處理。

3.2 焊縫檢測

灌漿孔封堵焊縫采用PT檢查。層間焊縫在清渣完成后進行表面宏觀檢查，回火焊道完成，焊縫自然冷卻后進行PT檢查。為防止焊縫延遲裂紋的出現，在灌漿孔焊接封堵工作完成，進入防腐工序前再次對打磨后的焊縫進行PT檢查。焊縫檢測成果統計見表2。對出現裂紋的灌漿孔堵頭焊縫進行返修，并制定專門的返修方案。所有灌漿孔PT檢查后確認無裂紋，進入堵頭防腐工序。

表2 焊縫檢測成果統計

4 現場施工存在問題及優化建議

4.1 灌漿孔保護

4.1.1 灌漿孔保護套形式

帷幕灌漿施工過程中，鉆具的擺動及灌漿過程易損壞或污染灌漿孔補強板上的螺紋，影響后期焊接封堵堵頭的安裝。為了避免這種情況，GB50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規范》建議“灌漿孔設置空心螺紋保護套”。參考同類工程經驗，本工程在壓力鋼管制造階段，即設計、制作了與灌漿孔匹配的空心螺紋保護套(見圖3)。

圖3 壓力鋼管帷幕灌漿孔空心螺紋保護套

4.1.2 灌漿孔開孔設計與土建灌漿需求的矛盾

根據DL/T 5148—2012《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》的要求，帷幕灌漿鉆孔直徑采用54 mm，采用地質鉆鉆孔，鉆頭直徑54 mm，鉆桿直徑50 mm。

壓力鋼管管節上開孔主要考慮強度問題，本工程在查閱國內大量同類工程圖紙資料的情況下，選用的鋼管灌漿孔保護套內徑只有45 mm。實際施工時，因地質鉆鉆頭無法通過保護套，鉆孔工作一度停止。為確保灌漿質量，最終在灌漿過程中取消了孔保護套。由于地質鉆鉆桿與鋼管補強板灌漿孔單邊間隙為3.5 mm，鉆桿由于擺動與鋼管補強板灌漿孔螺紋摩擦，補強板螺紋受損嚴重(圖4a)，且灌漿完成后水泥漿液附著在灌漿孔孔壁(圖4b)，難以清理干凈，對后期焊接封堵質量有直接影響。

圖4 灌漿過程中出現問題

在后期灌漿孔焊接封堵時，部分灌漿孔有滲水現象，由于補強板螺紋受損，堵頭只能直接放入灌漿孔內，無法旋緊止水，焊接封堵質量難以保證，大大增大了焊接延遲裂紋出現的可能性。

通過咨詢和查閱相關資料，國內在建和已建成的多座水電站均出現了這個問題。

4.1.3 灌漿孔設計優化建議

由于制作工藝要求較高，壓力鋼管帷幕灌漿孔開孔需在工廠完成，現場安裝后即不再具備擴孔或調整條件。故在設計階段應充分考慮壓力鋼管灌漿孔保護與灌漿施工的需求，確保設計意圖在施工中得以實現。

為保證鋼管的強度，鋼管上帷幕灌漿孔開孔宜小，開孔孔徑可選為75 mm，但為了同時滿足灌漿鉆孔需求，需同時增大補強板上灌漿孔孔徑及保護套孔徑。根據現場施工實際，可把補強板上灌漿孔孔徑尺寸調整為66～70 mm，并設計相應的保護套(內徑>54 mm)，在確保鋼管強度的情況下，可同時滿足灌漿施工及灌漿孔保護的要求。后期灌漿孔焊接封堵時，可完成加銅墊旋緊堵頭止水的工藝，確保施工質量。

4.2 灌漿孔封堵選材

4.2.1 高強鋼材焊接封堵的問題

由于高水頭水電站工程的大量建設，600 MPa級及以上高強鋼材在壓力鋼管制造上已得到普遍使用。600 MPa級鋼材良好的焊接性已在實踐中得到證實，但其作為灌漿孔焊接封堵堵頭材料時，其焊接質量往往難以得到充分保證。實際灌漿孔焊接封堵施工中，由于小尺寸、焊接拘束度大的條件約束，且鋼管內部現場焊接條件極為復雜，施工中易出現砂眼、氣孔等焊接缺陷。高強鋼材焊接延遲裂紋也易于出現。

國內已有多個工程因灌漿孔焊接條件差及焊接工藝不當引起壓力鋼管漏水，需排空隧洞進行處理。

國外一些工程的試驗表明，目前在800 MPa級高強鋼板上的灌漿孔焊接封堵無法實現，并禁止在該類鋼板上開灌漿孔。

4.2.2 灌漿孔封堵選材優化建議

針對這種情況，GB50766—2012《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規范》對600 MPa級鋼材灌漿孔焊接裂紋的易發及危害給予了專門說明，并對灌漿孔堵頭焊接工藝和堵頭選材方面提出了建設性探討建議。

為保證現場灌漿孔焊接封堵質量，建議在設計、制作階段應對灌漿孔堵頭選材加以考慮并完成前期工作，并給出不同選材焊接工藝評定報告。

基于壓力鋼管灌漿孔采用高強度級別鋼材出現焊接裂紋等缺陷的現狀，考慮針對灌漿孔堵頭的選材及低強度匹配焊接可行性問題，使用Q235和Q345共2種低強度級別鋼材與現有600 MPa級母材，開展焊接試驗及性能評定，通過分析和總結，找出低強度匹配焊接的可行性及其下限。試驗內容主要包括以下方面：

(1)機械性能測試，焊接試板加工，600 MPa級板材- 600 MPa級板材、600 MPa級板材-Q235和600 MPa級板材-Q345配對接頭，進行無損探傷、焊接接頭及熱影響區金相組織分析、焊接接頭拉伸強度及屈服強度測量，檢測低強度匹配焊接接頭的基本性能。

(2)母材抗裂性試驗，可選擇預熱和不預熱兩種工藝，制備出試驗用焊接接頭，即600 MPa級板材- 600 MPa級板材、600 MPa級板材-Q235和600 MPa級板材-Q345配對接頭，進行抗裂性試驗。評估焊接接頭裂紋敏感性，確定低匹配接頭與同材質接頭的抗延遲裂紋優劣問題。

并依據上述檢測結果、評價分析及提出焊接接頭選材的可行性。

5 結 語

海蓄電站土建施工前期，對引水鋼管帷幕灌漿孔的封堵問題進行了一定的準備，但實際施工中還是遇到問題，未深入認識到鋼管灌漿孔設計與土建灌漿的需求關系，導致后期工作難度增加，部分設計意圖無法實現。通過對現場施工中遇到問題進行分析、總結，關注到灌漿和焊接封堵工藝兩個重點工序的關聯性和重要性。也希望后續項目能對灌漿孔焊接封堵選材試驗給予重視，完善600 MPa及以上級別壓力鋼管帷幕灌漿孔焊接封堵工藝標準。