江蘇鹽城斗龍港閘排水孔鋼閘門下桁架螺栓斷裂原因分析及改造措施

劉海群

一、工程概況

斗龍港閘位于江蘇省鹽城市大豐區(qū)三龍鎮(zhèn)，1966年6月建成運行，是江蘇省里下河地區(qū)洪水排澇入海的重要控制工程。該工程為大（2）型排澇擋潮閘,設(shè)計日均流量200m3/s，設(shè)計最大流量1260m3/s，控制流域面積4428km2。截至2017年底，斗龍港閘累計開關(guān)閘15909潮次、排水696.59億m3，為保障流域地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和人民安居樂業(yè)作出了重大貢獻。

斗龍港閘共8孔，單孔凈寬10m，其中左岸1號孔兼作通航孔，系平板鋼閘門，在滿足排水功能的同時，兼顧上下游船只通航。通航孔采用上下扉直升平面鋼閘門，其余7孔為排水孔，系弧形鋼閘門，為輕型桁架結(jié)構(gòu)，9臺QHB2×100kN卷揚式啟閉機。閘孔中墩厚1.1m，邊墩厚0.9m，閘身總寬93.575m。閘底板共計4塊，兩邊孔各1塊，中間6孔分2塊，閘底板順水流向長17m，高程-3.0m，底板厚1.6m。排水孔弧形鋼閘門為主橫梁式直支臂框架結(jié)構(gòu)，主橫梁及支臂均為桁架結(jié)構(gòu)，位于內(nèi)河側(cè)。門葉吊耳布置在下主梁與支臂交接處，位于外海測。

二、工程狀況及原因分析

1.工程狀況

2017年8月，工程例行檢查發(fā)現(xiàn)6號排水孔弧形閘門下桁架與面板梁格在兩支臂處聯(lián)接螺栓斷裂，近支臂第二、第三梁格螺栓松動，其聯(lián)接處松動間隙15～30mm。經(jīng)對其他7孔進行全面檢查，除通航孔外，發(fā)現(xiàn)其他6孔弧形閘門支臂聯(lián)接處均有不同程度的松動間隙，存在一定的安全隱患，鋼閘門已經(jīng)不能滿足工程安全運行，需要迅速維修加固。

2.原因分析

（1）經(jīng)現(xiàn)場檢查、檢測，螺栓無明顯塑性變形，為脆性斷裂，且表現(xiàn)為低應(yīng)力脆斷，此處應(yīng)力最大，間隙最大位置和螺栓斷裂處位于閘門吊耳背面。閘門由閉合到開啟，瞬時（＜4s）拉力最大，螺栓在接近或超過其屈服強度的循環(huán)應(yīng)力作用下，在低于1×104～1×105次塑性應(yīng)變循環(huán)失效，屬于疲勞破壞，這是螺栓斷裂的主要原因。

（2）閘門桁架為輕型結(jié)構(gòu)，裝配精度不高，螺栓不能均勻受力，加之螺栓為普通鋼材Q235，強度儲備不夠。

（3）從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面分析，在閘門最大應(yīng)力處未增設(shè)斜撐，導(dǎo)致幾何形狀突然變化形成應(yīng)力集中，致使螺栓斷裂。

（4）支鉸軸承長期缺少潤滑，增加運行阻力，加大螺栓應(yīng)力。

（5）螺栓聯(lián)接部位是閘門的防腐死角，螺栓在海水長年腐蝕下，最大銹蝕率達到30%以上。夏季、冬季啟閉閘門時，環(huán)境溫度變化對螺栓聯(lián)接部位疲勞強度影響更加顯著，熱應(yīng)力變化易引起螺栓銹蝕，從而大大降低螺栓強度。

（6）斗龍港閘鋼閘門為雙吊點，運行過程中因鋼絲繩不平衡、兩吊點水平誤差產(chǎn)生閘門整體應(yīng)力分布不均，造成局部應(yīng)力過于集中，從而導(dǎo)致螺栓斷裂。

（7）斗龍港閘鋼閘門經(jīng)過2000年、2015年兩次大修，閘門支撐桿件多次切割、更換，2003年又意外遭遇砂石運貨船撞擊，造成應(yīng)力集中，引發(fā)安全隱患。

三、工程改造對策

1.閘門加固

（1）就位檢修門，將閘門提升至正常水位以上固定，清洗閘門。

（2）用5T新型增力手拉葫蘆與閉口滑車變力20T，相對于桁架處校正，同時扭緊螺栓，使間隙最小、相序而進。

（3）每孔鋼閘門更換8-M22×658.8級螺栓，配平墊和彈墊，扭力符合規(guī)范要求。

（4）為使閘門平衡受力，重新緊固兩支臂中間格梁與主桿聯(lián)接螺栓，對銹死無法緊固的螺栓進行割除，更換新螺栓。

（5）實施鋼板加固。為防止閘門應(yīng)力集中、遭受疲勞破壞，要在下支臂與面板位置增設(shè)拉桿。因斜拉桿為細長桿，中間需加撐桿。由于焊接點多，防腐施工不便，維修保養(yǎng)費用較高。因此，在下桁架兩支臂與面板格梁聯(lián)接節(jié)點處向下加裝鋼板，圓弧過渡，居中焊接（見圖1），避免應(yīng)力集中。焊接拼縫，穿透間隙小于0.5mm，以減少變形。焊接位經(jīng)機械打磨確保無其他附著物。焊接選取不銹鋼焊條A102。該焊條可全位置焊接，焊接性能、熔敷金屬力學(xué)性能和抗晶間腐蝕性能良好。

圖1 排水孔支臂加固示意圖

（6）防腐施工。

①加固鋼板。在現(xiàn)場實際取樣，工廠制作，噴砂后涂環(huán)氧富鋅車間底漆（702）2遍，現(xiàn)場焊接后除雜復(fù)涂1遍。

②焊縫燒損位防腐。焊縫雖為不銹鋼焊接，但燒損位仍需防腐。手工打磨 St3、清潔度 Sa2、粗糙度 20～40μm，涂低表面環(huán)氧封閉漆，復(fù)涂低表面環(huán)氧防銹漆，再涂842環(huán)氧云鐵、環(huán)氧面漆。涂裝間隔按照規(guī)范要求實施。

（7）疲勞安全系數(shù)

原結(jié)構(gòu)允許抗剪承載力：N=4×3.799×1350=20515kg

更新后結(jié)構(gòu)承載力N

螺栓加載力：N1=0.7×4×1.5×15000=63000kg

焊接鋼板：N2=35×0.1×2350/2=82250kg

N=N1+N2=145250kg

疲勞安全系數(shù)：

np=145250/20515=7.08

在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，提高7.08疲勞安全系數(shù)。

2.支鉸潤滑

支鉸的主要作用是將閘門全部水壓力和部分門重傳給閘墩，并保證閘門能繞水平軸轉(zhuǎn)動，它是閘門中很重要一部份。轉(zhuǎn)動鉸軸在長期失潤、動載劇增情況下，磨損劇烈增大而形成劇烈磨損期。隨著加速磨損期延長，鉸軸磨擦系數(shù)0.03～0.07升高為0.25～0.6。當軸與套粘著時，磨擦系數(shù)＞0.8，軸運行阻力增加12倍以上，故應(yīng)安裝鉸軸外置潤滑裝置。

（1）關(guān)閉閘門，用專用模具在鉸鏈上鉆孔，深度到軸，置中。利用強磁去鉆孔鐵屑、油污清潔劑清洗，拆除軸端擋板，用松銹除銹劑清洗，頻繁啟閉閘門后松銹除銹劑壓力加入，打通軸與軸套油路。

（2）外置油箱于支臂處，隨支臂升降連接管路。當閘門開啟時，隨支臂角度變化打開閥門自動加油，閘門閉合時自動關(guān)閉，使支鉸長期處于潤滑狀態(tài)。

（3）每月按期檢查鉸軸外置潤滑裝置，及時發(fā)現(xiàn)問題，及時采取措施，防止非正常狀態(tài)運行導(dǎo)致疲勞破壞和磨損失效，從而有效提高裝置使用年限。

四、應(yīng)用效果

斗龍港閘鋼閘門改造工程效果顯著，具有以下特點：

（1）工序簡單，僅對原有鋼閘門進行適度改造。

（2）更新螺栓便于施工安裝。

（3）施工成本低廉，材料市場易購，易于焊接和機械加工。

（4）日常維修保養(yǎng)工作方便。

五、結(jié)語

斗龍港閘鋼閘門改造工程消除了工程運行隱患，滿足了工程安全運行和運行期限。該閘工程施工和防腐措施對我國沿海擋潮閘具有一定示范意義，可供類似鋼閘門結(jié)構(gòu)工程維修改造參考■