恰甫其海電站中孔泄洪閘門應力檢測及分析

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局， 新疆 伊犁 830000)

恰甫其海電站中孔泄洪閘門應力檢測及分析

段立輝

(新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局， 新疆 伊犁 830000)

閘門應力檢測是水工鋼閘門及啟閉機安全檢測項目中的重要內(nèi)容。通過對恰甫其海水電站中孔泄洪閘門現(xiàn)場應力檢測,得出閘門各構(gòu)件在靜態(tài)和動態(tài)時應力變化曲線。通過分析各受力點應力變化情況，從而綜合評價閘門的安全性能指標。

恰甫其海電站； 安全檢測； 應力檢測； 應力分析

1 工程概述

恰甫其海電站是一座以灌溉為主，兼有發(fā)電、防洪等綜合效益的不完全多年調(diào)節(jié)水庫。電站于2001年4月開始動工興建，2002年10月截流，2005年8月開始發(fā)電；廠房內(nèi)裝4臺混流式水輪發(fā)電機組，單機額定容量80MW，電站裝機容量為320MW；電站大壩采用黏土心墻壩，壩后式廠房。泄洪系統(tǒng)由中孔泄洪洞、深孔排沙放空洞和表孔溢洪洞組成，3個孔的工作閘門均為弧形閘門。其中中孔泄洪工作閘門尺寸為5.5m×6.0m，設計水頭48m，采用弧形閘門單吊點啟閉；弧形閘門曲率半徑為11.0m，支鉸中心距底檻8.4m。閘門可局部開啟運行，由一臺2000/1000kN的液壓啟閉機操作，該工程規(guī)模為大(1)型Ⅰ等工程。

2 閘門啟閉機安全檢測

按照SL 101—94《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術(shù)規(guī)程》的規(guī)定，為全面檢查水工鋼閘門及啟閉機的運行狀態(tài)，保障水利樞紐工程安全運行。閘門和啟閉機安裝完畢蓄水運行，閘門承受水頭達到或接近設計水頭時，應進行第一次安全檢測。如達不到設計水頭，則應在運行6年以內(nèi)，進行第一次安全檢測。恰甫其海電站水工鋼閘門及啟閉機從2004年底投入使用以來已安全運行6年，達到水工鋼閘門和啟閉機的首次安全檢測年限。具體閘門和啟閉機安全檢測項目有：巡視檢查、外觀檢測、材料檢測、無損探傷、應力檢測、閘門啟閉力檢測、啟閉機考核、水質(zhì)和底質(zhì)分析；其中應力檢測項目是通過應變計安裝在鋼閘門各構(gòu)件受力位置，來檢測鋼閘門各構(gòu)件應力變化情況，為閘門整體性能和運行現(xiàn)狀提供重要依據(jù)。

3 應力檢測方法

3.1 檢測原理

應力檢測方法采用DH3819無線靜態(tài)應變采集器和KFW-5-120-D17-11L5M3S電阻應變計結(jié)合，該系統(tǒng)為全智能化的巡回數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。每臺采集器內(nèi)置智能鋰電池組、ZigBee無線通訊模塊、傳感器電源、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、控制電路等。通過無線通訊控制器進行數(shù)據(jù)接收，每個數(shù)據(jù)采集器可測量8個測點，每臺計算機可控制32個模塊(256個測點)。模塊間通訊距離最遠可達500m，模塊自己尋找最佳的通訊路徑進行組網(wǎng)，每個模塊為一個路由點，通過路由通訊的接力可進行更換距離的測量，最大限度保護測試人員的人身安全。無需外接電源和通訊線，計算機就可通過無線通訊控制器完成自動平衡、采樣控制、自動修正、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理和分析，生成打印試驗報告?？勺詣?、準確、可靠、快速測量大型鋼結(jié)構(gòu)、模型及材料應力試驗中多點的靜態(tài)應變應力值。配接適當?shù)碾娮钁冇?，從而可測出閘門各受力構(gòu)件的應力變化情況。同時在每個采集器上均設有1個溫度補償測點，確保測量過程中因溫度變化而引起的虛假應變，保證整個測試過程中數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。見圖1。

圖1 應力檢測系統(tǒng)圖框

3.2 應變計布置

根據(jù)泄洪閘門結(jié)構(gòu)和受力情況，此次檢測共設置32個工作測點，分布在閘門主要受力構(gòu)件上，測量主要構(gòu)件的應力變化情況；應變計的布置要全面反映閘門各受力構(gòu)件應力變化情況，依據(jù)設計規(guī)范要求，將此測點分別布置在主梁、邊梁、面板及支臂上，以彎矩或剪力最大的點作為該構(gòu)件的檢測控制截面，按照截面的受力特性確定貼片的具體位置和應變計的安裝方向；并且在主梁控制截面的腹板與翼板的結(jié)合部位布片以便測定最大測彎應力。同時考慮到結(jié)構(gòu)及荷載的對稱性，測點都集中在中軸線一測上。具體如下：

a.縱梁翼緣。分別計算拉應力最大部分粘貼應變片，粘貼方向與縱梁軸向一致，其中上節(jié)門葉縱梁翼緣上粘貼3片應變計；中節(jié)門葉縱梁翼緣上粘貼6片應變計。

b.橫梁翼緣。分別計算拉應力最大部分粘貼應變片，粘貼方向與橫梁軸向一致，中節(jié)門葉橫梁翼緣上粘貼2片應變計。

c.吊耳兩側(cè)。在吊耳孔正下方沿起吊方向粘貼應變片，粘貼方向與吊桿軸向一致，共4片應變計。

d.面板。計算拉應力最大部位粘貼二向應變片，粘貼兩個方向與主梁軸向一致或垂直，共2片二聯(lián)應變化。

e.支臂。在上、下兩個支臂腹板中部上粘貼應變片，粘貼方向與支臂軸向一致；上、下兩個支臂共9片應變計。

f.節(jié)點板。在上、下兩個節(jié)點板中部上粘貼二向應變片，粘貼方向與支臂軸向一致或垂直；上、下兩個節(jié)點板2片二聯(lián)應變計。

具體應變計布置如圖2、圖3所示：

圖2 門體上應變計布置情況

圖3 上支臂上應變計布置

3.3 應變計粘貼

3.3.1 應變片的篩選

應變片貼片前，將待用的應變計進行外觀檢查和電阻值測量。外觀檢查可憑肉眼或借助放大鏡進行，目的在于觀察敏感柵有無銹斑、缺陷，是否排列整齊，基底和蓋層有無損壞，引線是否完好。阻值測量可用4位電橋或萬用表，目的在于檢查敏感柵是否有斷路、短路，并進行阻值分選，對于共用溫度補償?shù)囊唤M應變計，阻值相差不得超過±0.5。同一次測量的應變計，靈敏系數(shù)必須相同。

3.3.2 構(gòu)件表面處理

貼片之前對于鋼閘門等金屬構(gòu)件，首先用磨光機清除被測表面防腐層、氧化層、鍍鋅層和污垢，并用細砂布磨光。打磨光潔度應達▽5左右。打磨完畢后，用劃針輕輕劃出貼片的準確位置。再用潔凈棉紗或脫脂棉球蘸丙酮或其它揮發(fā)性溶劑對貼片部位進行反復擦洗，直至棉球上見不到污垢為止。

3.3.3 貼片

貼片工藝隨所用粘結(jié)劑不同而異，膠貼片的過程是，待清洗劑揮發(fā)后，先在貼片位置滴一點膠水，用應變計背面將膠水涂勻，然后用鑷子調(diào)整應變計位置。定位后在應變計上墊一層聚乙烯薄膜，用手指輕輕擠壓出多余的膠水和氣泡，待膠水初步固化后即可松開。粘貼好的應變計應保證位置準確、粘結(jié)牢固、膠層均勻、無氣泡和整潔干凈。

3.3.4 導線焊接與固定

粘結(jié)劑初步固化后，即可進行焊線。焊點應確保無虛焊、假焊現(xiàn)象。導線最好與試件固定牢固，防止試件運行時使應變計受力，導線兩端應根據(jù)測點位置編號作好標記。

3.3.5 粘貼質(zhì)量檢查

貼片質(zhì)量檢查包括外觀檢查、電阻和絕緣電阻測量。外觀檢查主要觀察貼片方位是否正確，應變計有無損傷，粘貼是否牢固和有無氣泡等。測量電阻值可以檢查有無斷路、短路。絕緣電阻是最重要的受檢指標。

3.4 應力測試過程線

當應變計粘貼完成，與DH3819無線靜態(tài)應變采集器連接和固定好，記錄好每個應變計在閘門上粘貼位置和在無線靜態(tài)應變采集器上的相應通道，打開采集器電源開關。作業(yè)人員撒離到安全位置，通過無線通訊控制器進行數(shù)據(jù)接收，檢測構(gòu)件各測試點的應力變化過程線見圖4～7。

圖4 2號點縱梁翼緣豎向應力測點過程線

圖5 10號點橫梁翼緣橫向應力測點過程線

圖6 16號點面板豎向應力測點過程線

圖7 20號點支臂腹板水流方向應力測點過程線

3.5 應力測試數(shù)據(jù)表

閘門工作應力測試數(shù)據(jù)表

4 閘門應力分析

根據(jù)以上應力檢測數(shù)據(jù)結(jié)果，當泄洪閘門經(jīng)歷由全關擋水到啟閉運動狀態(tài)的變化，閘門主梁、邊梁、面板及支臂各構(gòu)件上受力情況也發(fā)生變化，應力計測試結(jié)果應力亦隨之變化。

4.1 閘門上節(jié)門葉應力檢測

縱梁翼緣豎向應力監(jiān)測點1號、2號、7號從負的應力值變到無應力(最大變幅值-14.82～0MPa)，原因是當閘門全關時受頂水封與門楣的擠壓，閘門開啟后頂水封與門楣之間擠壓自然消除，因此縱梁翼緣豎向應力監(jiān)測點數(shù)據(jù)從負應力值逐漸消除，檢測數(shù)據(jù)符合縱梁翼緣受力情況。吊耳兩側(cè)豎向應力監(jiān)測點3號、4號、5號、6號從負應力值變到正應力值(最大變幅值-9.74～21.60MPa)，原因是當閘門全關時吊耳兩側(cè)受到液壓桿向下推力影響，豎向應力為-9.74 MPa，當閘門從開啟時吊耳兩側(cè)反之受到液壓桿向上拉力的影響，豎向應力值為21.60MPa；總之閘門在不同工況下運行，閘門吊耳板兩側(cè)測點受到液壓桿的推力和拉力的作用，測點監(jiān)測數(shù)據(jù)也隨之從負應力值到正應力值，符合閘門吊耳板設計時受力情況。

4.2 閘門中節(jié)門應力檢測

縱梁、橫梁應力監(jiān)測點8號、9號、10號、11號、12號、13號、14號，豎向和橫向應力從無應力到正應力值(最大變幅值0～51.03MPa)，原因是當閘門全關擋水狀態(tài)時，閘門上游面板上受到的水壓力，全部作用于閘門下游的支臂，縱梁、橫梁未受其他外力作用，此時豎向應力值為0；當閘門開啟泄水時縱梁、橫梁同時受到液壓桿向上拉力、水流方向向下推力及閘門自重的影響，此時縱梁、橫梁應力監(jiān)測點數(shù)據(jù)為正應力值，最大應力檢測點為51.03MPa?？v邊梁翼緣應力監(jiān)測點32號豎向應力從負的應力值變到正應力值(最大變幅值-2.12～24.77MPa)，原因是當閘門全關狀態(tài)時受側(cè)水封、側(cè)向滑塊與門槽的摩擦擠壓，監(jiān)測點豎向應力監(jiān)測值為負；當閘門開啟泄水時縱邊梁翼緣受到液壓桿拉力作用，監(jiān)測點豎向應力監(jiān)測值為正。

4.3 閘門面板應力檢測

橫向應力監(jiān)測點15號、17號，橫向應力從負應力值到無應力過程(最大變幅值-14.40～0MPa)，當閘門全關時面板將承受水壓力作用，此時面板上應力檢測值為負；當閘門開啟泄水時面板上橫向水壓逐漸消失，橫向應力檢測值為無。面板豎向應力監(jiān)測點16號、18號，豎向應力從負應力值到正應力值過程(最大變幅值-19.69～50.61MPa)，當閘門全關時面板將承受水壓力作用，此時面板上豎向應力檢測值為負；當閘門開啟泄水時面板將承受水流方向推力(向下)和液壓桿的拉(向上)作用，面板上豎向應力檢測值為正。

4.4 閘門支臂應力檢測

閘門上、下支臂水流方向應力監(jiān)測點19號、20號、21號、22號、27號、28號、29號、30號、31號，從負的應力值到無應力(最大變幅值-81.95～0MPa)。原因是支臂是用來將主梁所承受的水壓力傳給支鉸，主梁將承受的水壓力全部作用在閘門上、下支臂，此時上、下支臂水流方向監(jiān)測點應力為負值，最大值為-81.95MPa；當閘門開啟泄水時面板同時受到液壓桿向上拉力和水流向下推力，此時閘門上、下臂水流方向上應力自然消除。

隨著閘門由全關至開啟，即從靜態(tài)工況到動態(tài)工況的變化，閘門各受力機構(gòu)受力隨之改變，各機構(gòu)內(nèi)應力也隨之改變。從以上應力監(jiān)測變化趨勢得出結(jié)論，閘門同一受力面或?qū)ΨQ點上應力變化趨勢基本相同，各測點監(jiān)測的應力變化數(shù)據(jù)均在閘門設計應力變化范圍內(nèi)，可以判斷恰甫其海中孔泄洪工作閘門整體性能良好。

5 結(jié) 語

水電站水工鋼閘門應力檢測是閘門啟閉機安全檢測項目中的重要內(nèi)容，通過閘門應力檢測數(shù)據(jù)分析，可以判斷閘門各受力構(gòu)件在靜態(tài)和運動兩種狀態(tài)下，各受力構(gòu)件中應力變化趨勢圖；根據(jù)閘門各受力構(gòu)件應力變化，能夠分析閘門整體性能和運行狀況，從而綜合評價閘門的安全性能指標。

[1] SL 101—94水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 恰甫其海閘門和啟閉機安全檢測報告[R].

[3] 楊華舒，王洪.西洱河二級大壩泄洪閘門應力檢測分析[J].水力發(fā)電，2003，(29)3.

[4] 徐宏文.應力分析[J].科學出版社，2010.

Stress Measurement and Analysis of the Mid-.level Outlet Flood Discharging Gate in Qiapuqihai Hydropower Station

Duan Li-hui

(XinjiangIliRiverBasinDevelopmentandConstructionManagementBureau,Ili,Xinjiang830000)

The gate stress detection is an important content in steel gate and hoist safety testing items in water conservancy project. The stress changing curves of components of gates are gained in the static and dynamic condition with the on-.site stress testing of mid-.level outlet flood discharging gates in Qiapuqihai Hydropower Station. The safety performance indexes are evaluated comprehensively by analyzing stress changes at force bearing points.

Qiapuqihai Hydropower Station; Safety detection; stress detection; stress analysis

TV52

A

1005-4774(2014)10-0000-03