后錨固技術在大型水電機組加固處理中的應用

王永洪

摘要：大型水電站發電機多采用埋入混凝土的錨桿螺栓作為定子機座與混凝土的連接部件。由于錨桿螺栓設計承載力不足或材質不達標，直接造成錨桿螺栓實際許用應力降低，使發電機定子機座受力狀況惡化，給機組的安全穩定運行帶來極大隱患，特別是使應對事故工況的能力急劇變差。而且，在投產發電后，由于施工條件的限制，加強定子基礎受力的施工難度極大。提出了采用增加化學植筋加固的方法對發電機定子基礎板進行加固處理，即基于投產發電后的機組所具備的處理條件選擇的一種切合實際的處理方法。介紹了后錨固方案的制定和新植筋螺桿及其承力附件性能的檢驗。在國內某大型電站的應用實例表明，該方法能夠徹底消除錨桿螺栓斷裂對機組安全穩定運行的影響，機組開機運行情況良好，各部件振動情況良好，達到了預期的效果。

關鍵詞：后錨固;化學植筋;新植螺桿;錨桿螺栓;發電機

中圖法分類號：TV223.34

文獻標志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.011

大型水電機組發電機定子機座基礎板錨桿螺栓的作用是將來自定子的切向力、徑向力及軸向力傳遞給混凝土基礎，對水輪發電機組應對發電機半數磁極短路、兩相短路、120°非同期等事故工況起著至關重要的作用。該錨桿螺栓多采用含鉻的高強度鋼制螺栓，具有良好的硬度、屈服強度、抗拉強度和沖擊吸收能量等。但在設計、制造、安裝及運行維護各個環節出現問題時，都可能造成錨桿螺栓許用應力降低，定子機座基礎板承載力不足等情況，對機組安全穩定運行造成不良影響。特別是在機組投產發電后，對定子機座基礎板的加固處理受混凝土鋼筋網、施工空間和工期等因素的限制，施工難度極大。為提升定子機座的受力狀態，必須突破常規設計，采用全新的方法進行加固處理。

1 研究背景

后錨固技術是指通過相關技術手段在既有混凝土結構上的錨固[1]。該技術具有在原結構基礎上加固改造，施工周期快，目標設計性能好以及費用大幅度降低等優點[2]，適用于已投產發電后的水電機組加固處理。以化學錨固膠為膠粘劑，將帶肋或全螺紋螺桿膠結固定于混凝土基材錨孔中的一種后錨固生根鋼筋或螺桿稱為化學植筋[3]。采用化學植筋的方式對定子機座基礎板進行加固處理，是一種簡單、高效且安全、可靠的處理方式。植筋新技術是運用高強度的化學粘合劑，使鋼筋、螺桿等與混凝土產生錨固力。同時，根據施工條件，結合擴展基礎板或利用原有基礎板，實現定子機座與化學植筋有效連接，從而達到預緊效果。植筋加固一般分為定位、鉆孔、清孔、注膠、植筋、養護錨固和預緊七大步驟。

采用化學植筋方式，首先應掌握化學植筋的破壞形式。化學植筋連接的破壞類型包括：化學植筋鋼材破壞、膠結劑破壞和混凝土基材破壞[4]。植筋鋼材破壞主要是指被拉斷、剪斷或復合受力破壞。控制此類破壞的方式是在設計之初即要選用符合受力要求的鋼材，工程應用中，在使用之前應對植筋鋼材進行化學成分分析、力學性能試驗和金相檢驗等，以檢驗材質是否符合標準要求。膠結劑破壞屬于脆性破壞，分為膠筋界面破壞和膠混界面破壞兩類。防止膠筋界面破壞的有效途徑是采用質量有保障的化學錨固膠，確保鋼材與膠體之間的粘結力遠大于鋼材的受拉承載力;防止膠混界面破壞主要是在植筋成孔時，做好清孔 、干燥等技術措施，保證膠體與基材之間的粘結力。混凝土基材破壞形式分為化學植筋受拉時以基材上部混凝土椎體及深部粘結拔出的混合型破壞、基材邊緣劈裂破壞和化學植筋受剪時形成以植筋軸為頂點的一定深度的楔形體破壞。混凝土基材破壞形式屬于脆性破壞。第一類破壞形式主要需要控制植入鋼筋受拉區的總的受拉設計值不大于混凝土椎體破壞受拉承載力;基材邊緣的劈裂破壞主要是由于植入鋼材在基材上的布置不當和施工不當造成的，因此需要在受拉區配置能夠限制裂縫的鋼筋以及確保鋼筋離基材的邊緣構造厚度;第三類的破壞形式主要是由于鋼筋在構件邊緣受剪，混凝土沿楔形體破壞，目標設計應控制混凝土的受剪承載力大于受剪設計值[2]。

植筋拉伸試驗分非破壞性和破壞性試驗兩類，試驗要求應按照GB 50367-2013《混凝土結構加固設計規范》[3]的規定，并結合實際情況進行檢驗試驗。

2 后錨固方案制定

2.1 直接植筋加擴展基礎板

在原有定子機座基礎板平面周向，鑿除一定厚度的混凝土直至露出混凝土基礎上層環筋，利用地質探傷儀充分探明下部鋼筋網及預埋管路布置，根據設計方案避開混凝土鋼筋網及預埋管路，利用水鉆在混凝土上鉆孔，直徑和深度滿足設計要求。擴展基礎板放置于鑿除后的混凝土表面，根據水鉆鉆孔位置確定擴展板開孔位置，采用對邊焊接方式與原基礎連接。植筋螺桿下部與混凝土連接，上部與擴展基礎板連接，采用六方螺母的形式，利用力矩扳手進行預緊，實現基礎板加固處理。該方案施工難度小、進度快，但由于植筋螺桿下部完全固化，彈性模量僅存在于混凝土以上部位，在機組事故工況下可能存在基礎螺桿彈性儲備不足引發植筋螺桿斷裂事故。同時，擴展基礎板的焊接由于熱傳導作用，會削弱膠的化學品質和錨固能力。

擴展基礎板的焊接應做到焊前預熱溫度不低于80℃。先用氬弧焊打底，然后手工電弧焊進行焊接，采用小電流由中間向兩端焊接。焊接過程中，用百分表監測加固鋼板焊接變形，并采用錘擊消除焊接應力。焊接完成后進行焊縫PT探傷檢查。為消除擴展基礎板焊接時對植筋膠的影響，可采用增加過渡段、利用液體降溫和降低焊接速度等方法減少焊接熱傳導對植筋膠的影響。

2.2 間接植筋加擴展基礎板

基礎板布置方式、水鉆鉆孔方式均與2.1節相同，不同的是植筋螺桿長度減小，且對原有植筋螺桿與擴展板的連接方式進行優化。在植筋螺桿的上部設計螺紋轉換接頭，接頭兩端分別連接植筋螺桿和拉伸螺桿，采用圓螺母利用液壓拉伸器對拉伸螺桿進行預緊。此種方案植筋螺桿作為基礎錨桿使用，螺紋連接的轉換接頭及拉伸螺桿在機組運行中起到彈性儲備作用，提高各類工況下來自定子機座的承載力。布置示意圖見圖1。

2.3 在原有基礎板上間接植筋

不采用擴展基礎板，直接在原定子機座基礎板上鉆孔，原基礎板以下混凝土仍采用水鉆方式鉆孔。間接植筋方式與2.2節相同。此種植筋方式可完全避開混凝土鋼筋網，基礎板的受力情況也最好。同時，降低原有基礎板螺栓預緊力，使原有基礎板螺栓預緊力與新增的化學植筋螺栓預緊力接近，從而保證增加螺栓后各個基礎螺栓受力均勻，具有相同的彈性。布置示意圖見圖2、圖3。

3 新植筋螺桿及其承力附件性能檢驗

為避免植筋鋼材破壞情況的發生，在植筋開始前需要對新植筋螺桿及其承力附件進行化學成分分析、力學性能試驗及金相檢驗，以檢驗新部件滿足使用要求。

3.1 化學成分分析

在同批次的新件上取樣，對試樣進行化學成分分析，結果見表1。由表1可見，該新植筋螺桿和拉伸螺桿各元素含量均符合GB T3077-2015《合金結構鋼》對42CrMo鋼成分的技術要求。

3.2 硬度試驗

在同批次中任選各1件進行硬度試驗，結果見表2。可見植筋螺桿及拉伸螺桿的硬度均符合GB-T 3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》中的技術要求。

3.3 金相檢驗

分別從新植筋螺桿和拉伸螺桿同批次的新件上取樣，試樣經打磨、拋光和腐蝕后在顯微鏡下進行觀察，圖4是新植筋螺桿的基體顯微組織形貌，圖5是拉伸螺桿的基體顯微組織形貌。由圖可見，新植筋螺桿的基體顯微組織為馬氏體回火組織+貝氏體+微量鐵素體，其中鐵素體在靠近邊緣約6mm位置，拉伸螺桿的基體顯微組織為馬氏體回火組織+貝氏體。新植筋螺桿雖有微量鐵素體存在，但其位置在螺桿邊沿且存量微小，不影響螺桿整體性能，因此新植筋螺桿及拉伸螺桿的金相結果符合要求。

3.4 力學性能試驗

隨機抽取新植筋螺桿和拉伸螺桿，加工成標準試樣棒，進行一系列力學性能試驗，結果見表3。可見新植筋螺桿和拉伸螺桿的抗拉強度、規定塑性延伸強度、斷后延伸率、斷面收縮率、沖擊吸收能量均符合GB-T 3098.1-2010《緊固件機械性能螺栓、螺釘和螺柱》中的相關技術要求。

4 施工案例

國內某大型電站，在機組檢修期間發現個別定子機座基礎板錨桿螺栓斷裂，后通過化學植筋后錨固技術，成功解決此問題，為發電機長期安全穩定運行提供可靠保障。具體處理方式如下。

4.1 降低原基礎板錨桿螺栓預緊力

（1）用液壓拉伸器采用漸進升壓方式拉伸錨桿螺栓，拉伸器最大油壓不得超過原預緊力對應的油壓值，防止螺栓被拉斷。

（2）按照20%、50%、75%和100%預緊力分4步重新對松開的錨桿螺栓進行預緊。

（3）對重新預緊完成的錨桿螺栓立即進行超聲波探傷，檢查是否存在斷裂的情況。

4.2 新增植筋位置基礎板鉆孔 用磁力鉆在基礎板標記好的位置上進行鉆孔，鉆孔時應保持磁力鉆垂直穩固放置，確保鉆出的孔垂直度滿足要求。

4.3 新增植筋位置混凝土鉆孔

（1）用地質探傷儀對需鉆孔位置周邊進行探測，根據探測結果確定鉆孔位置下方埋件情況，防止鉆孔傷及其他設備。

（2）根據螺栓錨固位置、成孔直徑及錨固深度，采用水鉆進行混凝土鉆孔工作。水鉆設備應垂直穩固放置，確保鉆出的孔垂直度滿足要求。

（3）鉆孔完成，用清水將孔內泥漿沖刷干凈，用棉絲將孔擦凈。完成后用棉絲沾酒精，清刷孔洞內壁，使孔洞內清潔干燥。如遇潮濕情況，還須用加熱棒進行干燥處理。

（4）對清潔后的孔洞嚴密封堵，防止灰塵及異物落人。

4.4 螺桿埋植

（1）鋼筋錨固用膠按比例配制且攪拌均勻。

（2）將錨固用膠注入孔內2/3即可。將處理好的鋼筋除銹清理端朝向孔洞，一邊向同一方向旋轉，一邊緩慢將鋼筋插入洞內，直至到達孔洞底部為止。此時，如無錨固用膠從洞內溢出，說明注膠量不夠，須將鋼筋拔出，重新注膠，再次插入鋼筋，直至能使膠溢出洞口。植筋過程中應注意孔內膠體化學反應產生的氣體能有效排出，否則可能出現錨固螺桿插入深度不足的情況。

（3）對已埋植好的鋼筋要做好保護工作，如掛明顯標志牌等。以防止錨固用膠在固化時間內，鋼筋被搖擺動或碰撞，影響埋植效果。

4.5 固化養護

根據環境溫度的不同，固化養護時間可參考表4。

4.6 新植筋螺栓預緊

依次安裝延伸螺桿、墊圈和圓螺母等附件.采用液壓拉伸器按照20%、50%、75%和100%預緊力分4步重新對松開的錨桿螺栓進行預緊。

5 結語

采用上述方案完成定子機座基礎板加固工作后，機組開機運行情況良好，各部件振動情況良好，達到了預期的效果。后錨固植筋技術應用于大型水電機組投運后的加固處理，獲得了很好的效果，為后錨固技術進一步應用到水電領域中積累了經驗。后錨固植筋技術具有效率高、對結構破壞面損傷小等優點，在今后的實踐中結合理論運用，在設計布置、方案選型、施工組織等方面進一步優化，建立針對水電機組不同部位的錨固方法，以降低機組投運后基礎部件加固處理的施工難度。

參考文獻：

[1] JGJ145-2014混凝土結構后錨固技術規程[S].

[2]王鴻斌，向林林，楊俊驍，等.后錨固技術在工程中的應用[J].山西建筑，2016，42（13）：38-40.

[3] GB50367-2013混凝土結構加固設計規范[S].

[4]王文棟，混凝土結構構造手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2013：810-834.