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水工金属结构常见技术及质量问题的分析
摘要：水工金属结构是水电水利工程构筑物中不可或缺的组成部分。文中介绍了水工金属结构设计、施工中常见技术及质量问题。
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近年来，我国大型、巨型水电站不断增多，水工金属结构趋于大型化、大尺寸、大体积、大参数等类型不断涌现。钢材和结构类型、焊接材料、油料和防腐材料越来越多，新的焊接工艺、涂装工艺等方法层出不穷。由此也带来了许多设计、施工中出现的技术及质量问题。
1、一般问题
(1）不锈钢材料在采购时宜进行化学成分复验，杜绝买到不符合标准的质量低劣的不锈钢产品。
(2）不锈钢在仓储、倒运、制作和安装时，不得与含碳钢接触，注意防止铁离子污染，降低其耐蚀性能。
(3）不锈钢在焊接时，采用碳弧气刨刨缝或清缝时，应用砂轮打磨掉其产生的渗碳层，打磨深度通常为2 mm左右。
(4）不锈钢与非不锈钢焊接时，其组成的异种材质焊接接头，应采用不锈钢Cr25-Ni13类型焊接材料进行焊接。
(5）焊接构件及设备的一类、二类焊缝不得采用纯CO2实心焊丝焊接。否则，焊缝疲劳寿命会下降。
(6）焊接构件及设备，在设计或制作时，在构件交汇（如十字接头、T字接头）部位，应开设足够尺寸的避缝孔（如常用尺寸R50 mm或50 mm×45°的孔），以避开主要焊缝。防止交汇点出现三向拉压力、减少应力集中，以避免引起脆性开裂破坏，并可提高疲劳强度。
(7）焊缝骑缝板或挡板，应离开焊缝宽度边缘30 mm不焊，或在骑缝板上开设不小于R60 mm的避缝孔（过缝孔）。
(8）焊接件及设备的角焊缝，除特殊受力焊接接头外，通常可按焊脚计算公式（δ为组成接头侧的大厚度）计算，确定焊脚就可满足受力要求。而我国水电行业某些设计院，往往将焊脚标注得偏大，这样反而使焊接接头的性能下降。焊脚增大，会使焊接变形增大、增加焊接内应力、焊接接头合金元素烧损增加、晶粒增大等，从而导致力学性能降低、焊接缺陷数量增加和产生缺陷的几率增加。
(9）线缆不应与油路或水管接触并行，应在油路或水管上方一定距离布置。
(10）钢质穿线管端口应设置塑料或橡胶护套。线缆过锐棱部位应有防绝缘层损坏装置或措施。
(11）螺栓接头应进行涂料防腐，防止螺纹锈蚀。在日晒雨淋的室外，可采用油漆防腐；在室内可采用涂抹润滑脂。必要时，涂抹润滑脂后，可戴上一定颜色的螺纹塑料保护帽。
(12）混疑土大坝纯铜止水带拼接焊接接头，传统方法是采用氧-燃气火焰（俗称水焊）+铜焊剂+黄铜（铜锌合金）焊条进行焊接。为了提高其焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能，宜选用钨极氩弧焊（TIG焊）配专用纯铜焊条或熔化极氩弧焊（MIG焊）配专用纯铜焊丝进行焊接。
(13）螺纹钢不得直接焊接在结构钢上。若要用螺纹钢制作临时踏板、爬梯、支撑等临时装置时，可采用与所焊部位结构钢同材质的钢板作为过渡节点板进行“搭桥”焊接。
(14）混凝土大直径螺纹钢筋，往往都是采用中碳钢，且硫磷杂质元素含量比结构钢中的含量高，焊接性差。为此，为确保其接头连接的力学性能质量，不应采用焊接接头，可采用螺纹套筒或绑扎方式进行接头连接。
(15）重要焊接结构的焊接，当环境气温低于5℃时，应采取保温或预热措施才能进行焊接，不得出现焊接裂纹。
(16）高原地区，昼夜温差大，每天早晚进行焊接时，注意观察焊接坡口结霜结露问题，否则可采用火焰烘烤，将水分蒸发掉，再进行焊接，以防止焊缝出现超标的氢气孔。
(17）高寒地区，在选取液压油、润滑油、润滑脂时，注意选取其抗冻的牌号，防止冻结。
(18）高温、光照充足以及蒸发量大的地区，每层油漆涂装的间隔不宜超过4 h，防止涂层油组分蒸发而粉化，导致涂层附着力下降。
(19）关键构筑物、设施或设备，宜组织外聘专家进行设计图样的审图，对其材料、结构、功能、质量、安全、成本等进行设计优化，从而减少不必要的成本浪费，并进一步保证安全和质量。
2、门机
(1）大车行走轨道，设计布置时：当其地面不走汽车时，可使其整个轨道及轨道压板等高出地面，这样更便于时刻监控轨道压板松动等情况，便于维护保养。当其地面要过汽车时，轨道轨头可露出地面，而预留凹下的轨道二次回填槽，可填充不大于粒径3 mm的骨料沥青混凝土，可防止凹槽内积水。而采用轨道地沟排水管系统时，实践证明很容易被飘落物、滋生的地衣苔藓等杂物将管道堵塞，使排水失效。
(2）外接电源，当采用电缆卷筒时，为了防止电缆在地面被滑动、拖拽磨损绝缘层，可设置电缆沟槽，或在混凝土地面铺设一定宽度的胶皮，或采用其他防绝缘层磨损的垫层板。
(3）门机上的电线电缆应有可靠遮蔽阳光紫外线的装置或措施，以降低绝缘层的老化速度。
(4）灭火器材放置，不得靠易燃易爆危险源太近，应放置在通道显眼易于拾取的位置。
(5）爬梯进口，应设置进人门，防止无关人员攀爬门机，酿成安全事故。
(6）当采用不锈钢栏杆与爬梯、平台为低碳钢、低碳低合金钢组合时，其二者组合焊接时，应采用不锈钢Cr25-Ni13类型焊接材料进行焊接，即选用不锈钢型号E309(A042,CHS307）焊条或ER309焊丝作异质接头的焊接材料。否则，其焊缝会产生裂纹，留下安全隐患。
不锈钢栏杆本身的焊接，可选用与母材化学成分相同的焊接材料，如不锈钢304(06Cr19Ni10）同质接头焊接，可选用不锈钢Cr18-Ni8类型焊接材料进行焊接，即选用不锈钢型号E308(A002,CHS102）焊条或ER308焊丝。
(7）爬梯平台踢脚板与平台面板装配应闭合，不得有缝隙。
(8）钢箱梁朝天的进人孔或有其他孔洞时，应有可靠的防雨水渗漏装置或措施。朝天的进人孔可采用骑坐式钢质挡水筒（高度不应小于150 mm，壁厚可取6～12 mm），与梁板连接的角焊缝焊脚可取6～8 mm，并应进行磁粉探伤（MT）或渗透探伤（PT）。挡水筒上可加带檐口的帽盖（注意防止帽盖振动脱落）。
(9）启闭机房和配电盘柜房，其门窗应采用密封胶条、密封胶等方法进行密封，并应进行漏光检查。排风扇应采用防潲雨的结构形式，防止雨水进入房内，导致房内积水积灰。
(10）启闭机房和配电盘柜房，由于是高空，人员上下较困难，为此应设专责人员定期进行维护保养，制订日常保养维护制度，检查减速箱、轴承座等是否漏油，开式大齿轮、钢丝绳是否有积污和欠缺润滑脂。制动轮（盘）制动工作面应时时保持干净，不得有积灰积污。配电盘柜内电器元件上的积灰应定期清除，触点接触开启是否可靠，有无松动等。
3、闸门及埋件
(1）闸门门叶梁格，除有止水要求的部位，应开足够大的避缝孔（过缝孔，习称“缺口”），以避开重要焊缝。避缝孔通常宜选取圆弧形孔，不小于R50 mm。
(2）门叶和门槽埋件的焊脚，在设计标注时，不宜偏大，否则很容易增大焊接变形、焊接应力等。
(3）在不影响门叶刚度和强度的前提下，且门叶梁格浸没在水中，其落水孔宜偏大，按门叶梁格的常见高度可取直径250～350 mm。若落水孔直径过小，导致梁格内的积水排水不畅，则会增加启闭机额定启门力和能耗。
(4）门槽埋件设计时，当采用加强板形式时，应用足够尺寸的串浆孔，防止在阴角部位出现混凝土浇筑脱空。
(5）门槽锚钩应采用低碳钢、低碳低合金圆钢进行加固，不得用螺纹钢。门槽锚钩应采取热弯，不得用冷弯方式加工成形，从而杜绝了安装时的锚钩焊接变形导致的门槽移位。
(6）铰座基础锚杆，为了不预热焊接，材质宜选取低碳钢（20～35钢，Q235B）或低合金钢（Q355B）。若用中碳钢作锚杆，则不得对其热矫形和不预热就进行焊接。
(7）铸钢铰座和铸钢轨道，设计时在转角、锐棱等部位需圆弧过渡，在不影响其功能的前提下，圆弧半径R值尽量取大值，从而改善流动性、结晶条件，防止铸造应力集中和出现裂纹。大体积的铸钢件，由于铸造内应力大，淬透性要求深，宜选用合金铸钢。到工地后，应做UT,MT或PT探伤以及目视检查是否有裂纹。
(8）弧门铰座位置，宜设置检修维护平台。
(9）斜置式液压缸，其油路管道应布置在液压缸的下方，防止高空坠物击伤油路管道。
(10）油路阀块，应有可靠的防水汽渗入结露的装置或措施。
4、冲沙高速流道钢衬
(1）排沙廊道、排沙底孔，宜采用不锈钢（奥氏体不锈钢304或316，双相不锈钢2205）、耐磨钢（NB400,NB500）、硬质合金作覆层，选用Q235B,Q355B或Q345R作基层的复合钢板。提高其抗磨损、耐汽蚀（空蚀）的能力。而不锈钢316,2205还具有抗氯离子（城市自来水、城市下水道、有氯元素的化工厂污水均含有氯离子）点腐蚀的能力。复合钢板覆层厚通常为4 mm，基层厚通常为16～20 mm。
(2）冲沙高速流道钢衬过流面与混凝土结合部分，应防止绕水渗漏和外水冲脱钢衬，如设计阻水环1～3道或采取灌注环氧砂浆等措施。
(3）钢衬加强肋，纵、横向间距不得大于1 000mm，肋高不小于200 mm，肋厚为14～20 mm，应确保其高速流体产生的负压吸附力不将钢衬拔脱掀开。
(4）钢衬排料下料，纵、环缝及其他拼接焊缝相互错开不应小于200 mm，不得出现十字焊缝。加强肋角焊缝与过流面板焊缝错开不得小于100 mm。
(5）加强肋焊脚为8～12 mm，连续焊缝。过流面平面度偏差按GB 50766—2012中规定不应大于4 mm/m2。
(6）钢衬过流面的焊缝余高宜为0～1 mm，从而可降低其过流面的汽蚀。
(7）钢衬水平段底板，应开设直径300～400 mm的混凝土回填振捣用的回填孔。混凝土龄期到后，再通过回填孔盖板上开设的灌浆孔进行接触灌浆。采用敲击法检查脱空，若还有脱空现象，应再进行接触灌浆，直至无脱空现象存在。
5、机坑内衬和尾水管
(1）抗拔锚钩的结构形式，设计选用由优到次的顺序为：低碳低合金圆钢锚钩、低碳扁铁锚钩、栓钉。
(2）临时内支撑不宜过密，否则损坏尾水管过流面，降低其抗冲刷能力。
(3）尾水管混凝土浇筑龄期到后，应进行脱空检查。在脱空部位开混凝土回填孔，且龄期到后再进行接触灌浆。
(4）尾水管出口与混凝土过流面应平缓过渡，不得有凸台。
(5）尾水管的锥管若为不锈钢时，在其与含碳的钢基础环焊接时，应选用异质不锈钢焊接材料，焊条型号为E309类型或焊丝型号为ER309类型。
6、引水压力钢管和蜗壳
(1）除设置1～3道阻水环止水而不开孔外，加劲环、止推环上应开串浆孔和避缝孔。若环高为150mm时，串浆孔和避缝孔均选取R50～R70 mm。环高增加，串浆孔和避缝孔尺寸可相应增加，但最大孔半径不得大于80 mm。
(2）加劲环、止推环与管外壁的焊接，按GB50766—2012规定为三类焊缝，其焊接采用贴角焊焊缝。其贴角焊脚可按焊脚公式（δ为所在管壁的厚度）计算，结合外水压力计算焊脚，二次取大值作为实施的焊脚值。不得在这类环上开K形坡口与管外壁焊接。过大的焊脚或开坡口焊接，钢管会产生超标的“腰鼓状”变形。
(3）钢管尤其是高强度钢钢管不宜开灌浆孔，可预埋“可重复灌浆管”进行接触灌浆。
(4）钢管水平段及蜗壳等部位的4点钟～8点钟范围，应进行脱空检查。若有脱空现象，可补钻灌浆孔进行接触灌浆。
7、结语
通过文中对水工金属结构各种常见技术质量问题的介绍，可为广大从事本专业的人员提供一个借鉴，从而为避免不必要的成本浪费和技术质量问题的出现提供参考。
周建平,万天明.水工金属结构常见技术及质量问题[J].焊接技术,2020,49(03):92-95.
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2023-10-19
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2020-12-28
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2020-06-27
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专业分类：水利
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2020-06-23
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