白山水電站水工鋼閘門及啟閉機(jī)安全檢測(cè)與分析

李大偉，馬建軍，師小小，王興隆

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021；2.豐滿大壩重建工程建設(shè)局，吉林 吉林 132113）

1 工程概況

白山水電站座落在吉林省樺甸市紅石鎮(zhèn)白山社區(qū)，距吉林市約250 km，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、養(yǎng)殖等綜合效益的大型水電工程。白山水電站壩址以上控制流域面積19 000 km2，多年平均流量227 m3/s，水庫(kù)為不完全多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，水庫(kù)總庫(kù)容59.10×108m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容29.42×108m3，防洪庫(kù)容4.53×108m3，擔(dān)負(fù)著東北電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。

白山水電站樞紐布置主要由攔河壩、河床壩段泄洪建筑物、一期全地下廠房、二期引水隧洞及地面廠房；開(kāi)關(guān)站等建筑物組成。泄洪建筑物為4個(gè)堰頂溢流孔（高孔）和3個(gè)深泄水孔（深孔），孔口尺寸分別為12 m×13 m（寬×高）、6 m×7 m（寬×高），高孔、深孔相間布置。工程已投入運(yùn)行30多年，由于工程管理單位的精心維護(hù)和保養(yǎng)，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備一直運(yùn)行正常，未發(fā)生重大安全事故。為掌握水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運(yùn)行性態(tài)，確保工程運(yùn)行安全，結(jié)合大壩安全定期檢查，對(duì)水工金屬結(jié)構(gòu)的安全狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)，為主管部門決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 檢測(cè)項(xiàng)目及內(nèi)容

根據(jù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合白山水電站金屬結(jié)構(gòu)實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)鋼閘門和啟閉機(jī)著重進(jìn)行了以下6項(xiàng)檢測(cè)和分析[1]：

1）閘門外觀檢測(cè)。外觀檢測(cè)以目測(cè)為主，配合使用量測(cè)工具，對(duì)閘門的外觀形態(tài)和銹蝕狀況進(jìn)行檢查，外觀形態(tài)檢查主要是檢查閘門整體及主要構(gòu)件的折斷、損傷和局部明顯變形情況。

2）閘門銹蝕量檢測(cè)。根據(jù)閘門主要構(gòu)件的銹蝕程度和銹蝕部位，銹蝕量檢測(cè)分別采用數(shù)字超聲波測(cè)厚儀、改制的游標(biāo)卡尺和涂層厚度測(cè)定儀等量測(cè)儀器和工具進(jìn)行。

3）閘門焊縫超聲波探傷。超聲波探傷采用EPOCH2300型超聲波探傷儀進(jìn)行，距離—波幅曲線利用CSK-ⅢA試塊實(shí)測(cè)。

4）閘門材料檢測(cè)。進(jìn)行材料檢測(cè)可以確定結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能和化學(xué)成分，鑒別材料牌號(hào)。

5）啟閉機(jī)檢測(cè)。啟閉機(jī)檢測(cè)主要是對(duì)啟閉機(jī)的現(xiàn)狀、運(yùn)行狀況和電氣參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)啟閉機(jī)運(yùn)行中存在的問(wèn)題，提出有效改進(jìn)措施，確保啟閉機(jī)的安全運(yùn)行。

6）閘門啟閉力檢測(cè)與計(jì)算分析。啟閉力檢測(cè)主要采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)，檢測(cè)狀態(tài)應(yīng)盡可能接近設(shè)計(jì)狀態(tài)，若無(wú)法做到，則應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，最終獲得設(shè)計(jì)水位下閘門的啟閉力。

3 檢測(cè)方法及結(jié)果分析[2]

3.1 閘門外觀檢測(cè)

通過(guò)對(duì)壩體15號(hào)、17號(hào)和19號(hào)壩段設(shè)置的3扇潛孔式弧形鋼閘門進(jìn)行外觀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)主要問(wèn)題有：閘門構(gòu)件涂層基本完整，但構(gòu)件表面分布有老銹坑，局部區(qū)域老銹坑密集或連接成片，銹蝕嚴(yán)重。閘門主要構(gòu)件銹蝕位置及銹蝕程度具體狀況如下：

①閘門面板局部區(qū)域存在密集的老銹坑，最大銹蝕坑深約2.5 mm。②閘門下橫梁后翼緣局部區(qū)域老銹坑，最大銹蝕坑深約3 mm，上橫梁和中橫梁存在分散的老銹坑，銹蝕坑深1～2 mm。③閘門支臂的老銹坑主要分布在距橫梁后翼緣約220 cm范圍內(nèi)的下支臂上，銹蝕坑深1～4 mm。④閘門主縱梁的老銹坑主要分布距下橫梁約150 cm的一段范圍內(nèi)，銹蝕坑深1～3 mm。⑤閘門小縱梁和邊梁局部區(qū)域存在密集老銹坑，銹蝕坑深1～3 mm。⑥閘門下橫梁與撐桿之間聯(lián)接板存在嚴(yán)重銹蝕，表面老銹坑密密麻麻，銹蝕坑深約4 mm。⑦閘門埋件表面銹坑密集，銹蝕坑深2～4 mm。

3.2 閘門銹蝕量檢測(cè)

對(duì)15號(hào)壩段深孔工作閘門進(jìn)行銹蝕量檢測(cè)，共獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)114個(gè)（每個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)均為3個(gè)以上測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值），數(shù)值分布見(jiàn)表1，頻數(shù)分布見(jiàn)圖1。

表1 閘門銹蝕量頻數(shù)分布

通過(guò)采用涂層測(cè)厚儀、深度游標(biāo)卡尺和超聲波測(cè)厚儀等工具，結(jié)合統(tǒng)計(jì)圖標(biāo)，對(duì)銹蝕坑深數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析如下：

圖1 閘門銹蝕量頻數(shù)分布

1）閘門銹蝕量主要位于0.4～1.3 mm之間，其頻數(shù)為85.9%。

2）面板、橫梁、主縱梁、小縱梁、支臂平均銹蝕量分別為0.99，0.95，0.89，0.85，0.92 mm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.35，0.38，0.29，0.26，0.33 mm，平均銹蝕速率分別為0.024～0.028 mm/a。

3）閘門總體平均銹蝕量為0.92 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.32 mm，總體平均銹蝕速率為0.026 mm/a。

4）閘門面板、橫梁、主縱梁、小縱梁、支臂局部區(qū)域銹蝕嚴(yán)重部位的平均銹蝕量分別為2.0，2.5，2.5，2，3.5 mm，銹蝕速率為0.056～0.097 mm/a。

3.3 閘門焊縫超聲波探傷

選擇15號(hào)壩段深孔工作閘門進(jìn)行焊縫超聲波探傷，根據(jù)閘門受力狀況和焊縫類別，選定閘門主縱梁、橫梁、面板、支臂和吊耳板為探傷構(gòu)件，見(jiàn)圖2，探傷報(bào)告見(jiàn)表2。

3.4 閘門材料檢測(cè)

3.4.1 材料化學(xué)成分分析

為減小材料檢測(cè)對(duì)閘門結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取樣條件，材料化學(xué)成分分析試樣取自15號(hào)壩段閘門的橫梁后翼緣和縱梁后翼緣，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

3.4.2 材料抗拉強(qiáng)度檢測(cè)

為了確定試樣材料的牌號(hào)，在試樣化學(xué)成分分析的基礎(chǔ)上，還需要對(duì)閘門主要構(gòu)件材料的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。閘門主要構(gòu)件材料的抗拉強(qiáng)度使用HLN—11A型里氏硬度計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，儀器將硬度測(cè)試值自動(dòng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值。

閘門材料抗拉強(qiáng)度檢測(cè)是對(duì)閘門主要構(gòu)件進(jìn)行多個(gè)部位進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)構(gòu)件材料抗拉強(qiáng)度值取多個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。閘門主要構(gòu)件材料的抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果列于表4。

3.5 啟閉機(jī)檢測(cè)

圖2 位置分布

表2 閘門焊縫超聲波探傷報(bào)告

表3 試樣化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果

表4 閘門主要構(gòu)件抗拉強(qiáng)度 MPa

泄洪深孔共3孔（位于壩體15號(hào)、17號(hào)和19號(hào)壩段），工作閘門啟閉機(jī)為3臺(tái)額定啟閉力2 000 kN/800 kN單吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，控制3扇工作閘門的啟閉操作。啟閉機(jī)主要由油泵—電機(jī)組、控制閥組、溢流閥組、壓力表計(jì)、油箱、液位計(jì)、液壓管路、液壓缸、活塞桿、開(kāi)度裝置、機(jī)架以及電氣控制柜等組成。

3.5.1 外觀及運(yùn)行狀況檢測(cè)

啟閉機(jī)運(yùn)行管理制度健全，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)狀況良好；啟閉機(jī)液壓控制系統(tǒng)及其附屬設(shè)施完整，配電系統(tǒng)及操作運(yùn)行控制系統(tǒng)齊全，操作運(yùn)行控制功能正常；壓力表計(jì)動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確。啟閉機(jī)液壓缸、活塞桿、油管及其聯(lián)接部位外觀狀況良好，無(wú)變形、損傷、銹蝕以及泄漏現(xiàn)象。

通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，啟閉機(jī)外觀及運(yùn)行狀況主要存在以下問(wèn)題：

1）啟閉機(jī)設(shè)備無(wú)銘牌。

2）19號(hào)啟閉機(jī)開(kāi)度裝置外罩缺失。

3.5.2 電氣參數(shù)檢測(cè)

對(duì)3臺(tái)啟閉液壓控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的絕緣電阻進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果列于表5；在空載狀況下，結(jié)合啟閉力檢測(cè)對(duì)15號(hào)壩段啟閉機(jī)液壓控制系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的電流、電壓、溫升進(jìn)行檢測(cè)；啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)三相電流檢測(cè)結(jié)果及三相電流不平衡度計(jì)算結(jié)果列于表6；電動(dòng)機(jī)三相電壓流檢測(cè)結(jié)果及三相電壓不平衡度計(jì)算結(jié)果列于表7；電動(dòng)機(jī)及柱塞泵溫升檢測(cè)結(jié)果列于表8。

表5 電動(dòng)機(jī)絕緣電阻MΩ

表6 電動(dòng)機(jī)電流A

表7 電動(dòng)機(jī)電壓V

表8 電動(dòng)機(jī)溫升 ℃

根據(jù)表5～8所列檢測(cè)數(shù)據(jù)可知：

1）3臺(tái)啟閉機(jī)液壓控制系統(tǒng)的6臺(tái)電動(dòng)機(jī)絕緣電阻值均為500 ΜΩ，電動(dòng)機(jī)絕緣電阻均滿足安全運(yùn)行要求。

2）15號(hào)啟閉機(jī)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)三相電流最大值為51.2 A，最小值為48.7 A，三相電流不平衡度最大值為1.6%。2臺(tái)電動(dòng)機(jī)三相電流及三相電流不平衡度均滿足安全運(yùn)行要求。

3）15號(hào)啟閉機(jī)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)三相電壓最大值為375 V，最小值為374 V，三相電壓不平衡度均為0.2%。2臺(tái)電動(dòng)機(jī)三相電壓及三相電壓不平衡度均滿足安全運(yùn)行要求。

4）15號(hào)啟閉機(jī)2臺(tái)電動(dòng)機(jī)溫升分別為5℃，3℃，均滿足安全運(yùn)行要求。

3.6 啟閉力檢測(cè)與計(jì)算分析

3.6.1 檢測(cè)設(shè)備

在閘門啟閉過(guò)程中，閘門啟閉力是不斷變化的。根據(jù)閘門啟閉力的這一特性，采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行閘門啟閉力檢測(cè)。動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)由信號(hào)傳感元件、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)及筆記本微機(jī)組成。

3.6.2 檢測(cè)工況

對(duì)15號(hào)壩段閘門進(jìn)行啟閉力檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)，閘門上、下游無(wú)水，閘門處于空載狀況。

3.6.3 檢測(cè)成果計(jì)算與分析

閘門全關(guān)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)調(diào)零。檢測(cè)時(shí)，閘門由全關(guān)開(kāi)啟到約6.0 m開(kāi)度，停一段時(shí)間，再到全關(guān)為一個(gè)檢測(cè)過(guò)程。檢測(cè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行2次，檢測(cè)數(shù)據(jù)與檢測(cè)曲線重復(fù)性較好。

根據(jù)實(shí)測(cè)最大（最小）應(yīng)變值，可以得到實(shí)測(cè)最大啟門力和最小閉門力，列于表9；實(shí)測(cè)應(yīng)變過(guò)程曲線如圖3。

表9 實(shí)測(cè)最大（最?。?yīng)變值和對(duì)應(yīng)啟閉力

圖3 閘門實(shí)測(cè)應(yīng)變過(guò)程曲線

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知：

1）在實(shí)測(cè)工況下，閘門實(shí)測(cè)最大啟門力為1 412.4 kN，小于啟閉機(jī)的額定容量2000 kN；閘門實(shí)測(cè)最小閉門力為-990.1 N，閘門能依靠自重關(guān)閉。

2）實(shí)測(cè)啟閉力曲線平順正常，沒(méi)有明顯的突變，表明閘門啟閉過(guò)程平穩(wěn)，無(wú)卡阻，閘門支鉸運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

4 安全評(píng)價(jià)及建議

1）深孔3扇工作閘門狀況基本相似，閘門整體狀況完好，主要構(gòu)件未見(jiàn)損傷變形；閘門涂層基本完整，但閘門主要構(gòu)件局部區(qū)域老銹坑密集，銹蝕嚴(yán)重；閘門支臂與主縱梁之間連接完好，未見(jiàn)異常；閘門主要構(gòu)件焊縫超聲波探傷未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)和裂紋缺陷；閘門吊耳裝置零部件齊全，連接牢靠；閘門支鉸運(yùn)轉(zhuǎn)正常；閘門止水裝置完好，閘門不漏水。閘門復(fù)核計(jì)算結(jié)果表明，閘門主要構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度基本滿足規(guī)范要求，局部連接部位出現(xiàn)極小范圍應(yīng)力集中，導(dǎo)致應(yīng)力超標(biāo)，從設(shè)計(jì)角度看并不影響正常使用。

根據(jù)閘門復(fù)核計(jì)算結(jié)果和檢測(cè)成果進(jìn)行綜合分析，深孔工作閘門可繼續(xù)使用，建議局部補(bǔ)強(qiáng)加固滿足安全運(yùn)行要求。

2）啟閉機(jī)運(yùn)行管理制度健全，設(shè)備運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)狀況良好；啟閉機(jī)液壓控制系統(tǒng)及其附屬設(shè)施完整，配電系統(tǒng)及操作運(yùn)行控制系統(tǒng)齊全，操作運(yùn)行控制功能正常；壓力表計(jì)動(dòng)作靈敏、準(zhǔn)確。啟閉機(jī)液壓缸、活塞桿、油管及其聯(lián)接部位外觀狀況良好，無(wú)變形、損傷、銹蝕以及泄漏現(xiàn)象。實(shí)測(cè)啟閉力曲線平順正常，沒(méi)有明顯的突變，表明閘門啟閉過(guò)程平穩(wěn)，無(wú)卡阻，閘門支鉸運(yùn)轉(zhuǎn)正常。據(jù)此分析和推算，在設(shè)計(jì)水位下，閘門最大啟閉力小于啟閉機(jī)額定容量；啟閉機(jī)電動(dòng)機(jī)的絕緣電阻、電壓、電流及溫升均滿足安全運(yùn)行要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成果綜合分析，啟閉機(jī)沒(méi)有影響安全運(yùn)行的重大隱患，可以繼續(xù)使用。