摘要：金竹水电站压力钢管（螺旋管）因焊缝存在严重缺陷，发生爆裂，社会影响较大。本文提出了金竹水电站压力钢管爆裂后加固修复方案，为今后同类电站问题提供借鉴经验。 关键词：压力钢管，爆裂，修复加固。
1电站压力钢管布置概况
光盘包装盒 金竹水电站位于浙江省遂昌县金竹镇，工程主要任务以发电为主。电站装机2×3.2MW，电站厂房为引水式地面厂房。
发电引水系统位于河道右岸，引水隧洞为圆形有压洞，长度为2990m。隧洞出口从桩号2+969.975～2+989.975m为20m长的钢衬段，用厚度为8mm的Q345B钢板内衬，开挖洞径φ2.0m，衬后的管径为φ1.4m，钢板外围用C15砼回填。
压力明管自桩号2+989.975m至岔管（岔管分岔点桩号3+862.185m），至厂房主阀中心总
长度909m，管径φ1.4m，管壁厚度8～14mm，材料为Q345C钢，沿线共设9只镇墩。岔管的形式采用“Y”字型岔管，在桩号3+862.185处分岔，主管内径φ1.4m，支管内径φ0.65m，岔管分岔角为90°，支管壁厚为8mm，分岔点至厂房球阀中心的长度为24.4m。
原设计中，所有压力钢管均采用卷板，明管部分的支墩采用滑块式的支撑环结构，回填管部分的支墩采用混凝土“鞍”型基础。施工时业主将明管部分改为螺旋管，5#镇墩至6#镇墩为明管+回填管（原设计中该段为明管），并且该段明管部分的支墩采用的是开敞式“鞍”型基础。
2 压力钢管爆管情况
2009年8月19日下午3时50分，由于电网遭雷击后跳闸，金竹水电站两台机组先后甩负荷，造成压力钢管内水压力在水击作用下压力上升，以至于在5#镇墩下游约35m位置（螺旋管段，高程285.01m，桩号3+516.7m）发生爆裂，造成电站停产和其它设施的损失，社会影响较大。
从现场破裂口看，钢管首先从螺旋管板拼接纵焊缝与螺旋缝的相交处开始，造成钢管沿
螺旋板拼接纵焊缝和螺旋缝撕裂，另一侧钢板母材被撕开。高速水流通过钢管裂口冲向压力钢管槽边坡，造成支墩基础冲刷掏空，致使一座支墩被冲垮，基础冲出一深坑，高速水流经过之处均造成不同程度的次生损失。压力钢管在水流反作用力的作用下，向上方拱起并向一侧扭曲，造成相邻伸缩节的变形以致漏水，同时还造成上下侧几座“鞍”型支墩的混凝土局部破损。见图3。
3 事故发生原因的认定结论
事故发生后，业主委托专业检测公司进行了压力钢管局部无损检测及试验。检测公司对钢管的部分焊缝进行超声波检测和X射线拍片检测，对钢管开裂处取样进行力学性能试验和金相组织试验。 1）经过对压力钢管的部分焊缝进行超声波检测发现：压力钢管的螺旋管焊缝部分焊缝质量未能达到要求，钢管的螺旋板的拼接纵焊缝抽查均未达到JB/T4730-2005标准的焊缝质量要求，焊缝内部均连贯性缺陷。 2）经过对管线上的螺旋焊缝和螺旋板的拼接纵焊缝进行X射线拍片抽查，发现螺旋板拼接纵焊缝均存在严重的未焊透缺陷。
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3）在现场对部分焊缝进行取样，对钢管螺旋焊缝和钢管母材试样进行了拉伸和弯曲性能试验，抗拉强度和弯曲性能均达到相关质量标准要求。但是螺旋板的拼接纵焊缝取样后由于试样有一定的弧度，在试验室校直该试样时，试样焊缝发生裂纹。
4）对钢管螺旋板拼接纵焊缝爆裂处的金相组织试验发现较严重的未焊透现象。
综上所有试验的结果表明，该压力钢管爆裂的主要原因为螺旋板拼接纵焊缝存在严重的未焊透，强度大大降低，远远达不到设计要求。
4 修复加固方案的主要内容
业主单位会同设计院、施工单位等确定了本次工程修复加固的主要项目。包括：对原设计成果复核、对现场材料能否符合电站使用要求复核、破损段修复、焊缝检测报告中所提出的缺陷焊缝的修补等。
5 修复加固方案的实施
5.1原设计成果的复核
1）钢管壁厚计算复核
磁疗被 根据《水电站压力钢管设计规范》SL281-2003，对原设计中压力钢管壁厚在内水压力及抗外压稳定分析后，原设计中取用的钢管壁厚是符合规范要求的。
2）镇墩稳定计算复核
根据《水工设计手册》（第7卷）的规定，对原设计中的9座镇墩的抗滑稳定进行计算复核，各镇墩的抗滑稳定安全系数K均满足规范要求。
该项工作由设计院负责实施。
5.2对现场材料能否符合电站使用要求复核
根据检测公司的检测成果，钢管所用钢板母材Q345B的抗拉强度和弯曲性能均能达到相关质量标准要求。根据SL281-2003《水电站压力钢管设计规范》要求，Q345的B级钢虽能保证常温下的冲击韧性，但对于大中型钢管的主要受力构件不宜使用，考虑到本工程钢管规模较小，且极端最低气温多发生于枯水期，电站处于非运行状态，本工程中使用Q345B钢板基本符合运行条件的。但要求就其焊接性能补充作焊接工艺试验评定。
施工单位严格按技术标准规范进行了焊接工艺评定试验。
5.3破损段的修复
1、由于爆裂处钢管的变形，导致了伸缩节的法兰也随之变形，已不能满足正常使用要求，此次加固要求予以更换。新更换的伸缩节要求按原设计要求布置于5#镇墩和其下游第一座支墩之间。
2、由于高速水流造成一座支墩被冲垮，此次修复要求按原设计恢复该支墩，高速水流造成该支墩基础被冲出一深坑，要求用C15砼回填至原基础面，支墩按原设计断面，沿管线长度不小于2.25m恢复。
3、原设计中，5#镇墩以下的支墩采用的是滑块式的支撑环结构，实际施工中改为“鞍”形支墩，由于本工程的压力钢管管径为φ1.4m，不宜采用“鞍”形支墩，因此要求对5#镇墩以下的支墩改为滑块式的支撑环结构。
5.4缺陷焊缝的修补
1、更换钢管
根据检测公司超声波检测结果，检测范围内螺旋焊缝的缺陷累积长度为121334mm，螺旋管板拼接纵焊缝的缺陷累积长度为5950mm（检测总共17条，每条长度700mm，合格的仅为4条）。焊缝缺陷绝大部分集中在壁厚12mm的管段，占总缺陷长度的71.2％，故此次修复工程对于壁厚12mm的螺旋管采用更换等厚的卷板，材料为Q345C。对于壁厚10mm和8mm的钢管，缺陷焊缝的修补以焊补返修为主，局部缺陷较为集中的，采用更换下来的δ＝12mm且经检测合格的螺旋管段进行替换，用于替换的δ＝12mm的螺旋管经外观、防腐及壁厚复核后，予以使用。
2、不合格焊缝的返修及焊补
更换钢管后，对未更换钢管(δ＝10mm和8mm)内部缺陷的焊缝用碳弧气刨或砂轮将缺陷清除并用砂轮修磨成便于焊接的凹槽，焊补前认真检查。如缺陷为裂纹，则应用表面探伤检查，确认裂纹已经消除，方可焊补。返修后焊缝，采用射线探伤或超声波探伤复查，同一部位的返修次数需要超过2次返修焊补的进行钢管更换。
3、安装环缝部位的补强加固措施
螺旋焊缝与安装环缝在几何构造上形成锐角，锐角区钢板母材在一定程度上存在焊接过烧现象，焊后晶体组织比较粗大，承载力相对降低。其处理措施是焊补后再采用外部补强加固。加固钢板采用10×1000×500mm规格尺寸，沿安装环缝对称布置，贴角焊补。见图1。
4、螺旋管板对接焊缝的补强加固措施
螺旋管板对接焊缝(纵缝)、螺旋缝与安装环缝形成的三角形，均改为圆形或钝角多边形的钢板焊补。管板对接焊缝经焊补返修后，再采用外部钢板补强，沿对接焊缝对称布置，贴角焊补。见图2。
5、焊接质量控制
1）螺旋焊缝呈向上螺旋角，由于在受力上存在周向张拉分力，其质量要求按高于环缝或“二类焊缝”控制。
2）所有补强加固部位的贴角焊缝，其焊缝外观质量按不低于“二类焊缝”的控制要求。
3）焊接过程严格按评定的焊接工艺参数控制。焊后采用超声波检测控制焊缝内部质量。
5.5 防腐加固处理
本次加固所涉及到的钢管均要求按原设计做了防腐处理。
彩油泥 5.6水压试验
对本工程压力钢管按水电站压力钢管设计规范分段按既定程序分段进行水压试验，最终试验结果符合要求。
6 效果评价
2009年11月-2010年8月期间，加固方案得以实施。施工单位通过缜密的施工组织设计，如期完成了方案的所有内容。电站目前已正常发电运行。
图3 压力钢管爆管现场
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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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