白山深孔弧形鋼閘門安全性檢測與分析

馬建軍，袁 偉，王緒建，劉 浩

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

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、開關(guān)站等建筑物組成。泄洪建筑物為4個堰頂溢流孔（高孔）和3個深泄水孔（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。白山水電站已投入運行30多年，由于工程管理單位的精心維護和保養(yǎng)，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備一直運行正常，未發(fā)生重大安全事故。為掌握水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的運行性態(tài)，確保工程運行安全，結(jié)合大壩安全定期檢查，對水工金屬結(jié)構(gòu)的安全狀況進行評價，為主管部門決策提供科學(xué)依據(jù)。

2 檢測內(nèi)容和方法

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)實際運行情況，對鋼閘門和啟閉機著重進行了以下檢測和分析：

1）閘門外觀檢測。外觀檢測以目測為主，配合使用量測工具，對閘門的外觀形態(tài)和銹蝕狀況進行檢查。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。根據(jù)閘門主要構(gòu)件的銹蝕程度和銹蝕部位，銹蝕量檢測分別采用數(shù)字超聲波測厚儀、改制的游標卡尺和涂層厚度測定儀等量測儀器和工具進行。

3）閘門焊縫超聲波探傷。采用EPOCH2300型超聲波探傷儀進行，距離—波幅曲線利用CSK-ⅢA試塊實測。

4）閘門材料檢測。檢測可以確定結(jié)構(gòu)材料的機械性能和化學(xué)成分，鑒別材料牌號。

5）啟閉機檢測。主要是對啟閉機的現(xiàn)狀、運行狀況和電氣參數(shù)進行檢測。通過檢測，發(fā)現(xiàn)啟閉機運行中存在的問題，提出有效改進措施，確保啟閉機的安全運行。

6）閘門啟閉力檢測與計算分析。啟閉力檢測主要采用動態(tài)信號測試系統(tǒng)，檢測狀態(tài)應(yīng)盡可能接近設(shè)計狀態(tài)，若無法做到，則應(yīng)根據(jù)實測結(jié)果進行分析計算，最終獲得設(shè)計水位下閘門的啟閉力。

3 檢測結(jié)果

3.1 深孔弧門檢測范圍的確定

在閘門檢測過程中需要對閘門整體狀況、支鉸裝置狀況、主要構(gòu)件狀況、支臂與主縱梁之間連接狀況、閘門底止水裝置狀況、面板和主要構(gòu)件以及埋件銹蝕狀況進行檢測分析。

3.2 深孔弧門銹蝕量檢測結(jié)果

對15號壩段深孔工作閘門進行銹蝕量檢測，共獲得檢測數(shù)據(jù)114個（每個檢測數(shù)據(jù)均為3個以上測點數(shù)據(jù)的平均值）。檢測結(jié)果見表1。

3.3 深孔弧門焊縫超聲波探傷檢測結(jié)果

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。接受超聲波探傷的焊縫為：主縱梁后翼緣板對接焊縫、主縱梁腹板與后翼緣板T形連接焊縫、主縱梁腹板與面板T形連接焊縫、主縱梁后翼緣板與橫梁后翼緣板連接焊縫、橫梁腹板與主縱（邊）梁腹板T形連接焊縫、橫梁腹板與翼緣板T形連接焊縫、面板對接焊縫、支臂翼緣板對接焊縫、支臂腹板與翼緣板T形連接焊縫、支臂翼緣板與聯(lián)接板T形連接焊縫、支臂腹板與聯(lián)接板T形連接焊縫、吊耳板與聯(lián)接板T形連接焊縫等。焊縫探傷比例為：一類焊縫約70%，二類焊縫約50%。

表1 閘門主要構(gòu)件銹蝕量和銹蝕速率的平均值

焊縫超聲波探傷結(jié)果表明：

1）閘門主縱梁腹板與面板T形連接焊縫、主縱梁腹板與橫梁腹板T形連接焊縫局部存在未焊透制造缺陷，但未焊透深度未超過GB/T14173規(guī)范規(guī)定的要求，允許存在。其余所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有超標缺陷存在。

2）閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

3.4 深孔弧門材料檢測結(jié)果

為減小材料檢測對閘門結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)現(xiàn)場取樣條件，材料化學(xué)成分分析試樣取自閘門的橫梁后翼緣和縱梁后翼緣，見表2。

表2 化學(xué)成分測試結(jié)果

閘門材料抗拉強度檢測是對閘門主要構(gòu)件進行多個部位進行檢測，每個構(gòu)件材料抗拉強度值取多個測點的平均值，見表3，4。

表3 閘門主要構(gòu)件抗拉強度測試結(jié)果

通過上述測試結(jié)果得出：

表4 碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼化學(xué)成分及抗拉強度

1）閘門材料的化學(xué)成分與低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345相符合。

2）閘門材料的抗拉強度與低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345相符合。

3）根據(jù)材料化學(xué)成分及抗拉強度的檢測結(jié)果綜合分析，閘門材料為低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345，與設(shè)計圖紙相符。

3.5 深孔弧門強度、剛度驗算分析

根據(jù)該閘門結(jié)構(gòu)形式和受力特點，采用有限元ANSYS軟件對弧形閘門進行有限元分析，為更真實反應(yīng)運行狀況的真實情況，將閘門面板、主橫梁、主縱梁、小縱梁、小橫梁、支臂、底小梁劃分為20節(jié)點四面體（SOLID186）單元。通過solidworks建立閘門的三維模型，將三維模型導(dǎo)入ANSYS建立閘門結(jié)構(gòu)有限元分析模型，計算模型的節(jié)點總數(shù)為1 482 430個，單元總數(shù)為290 100個。

3.5.1 荷載情況

閘門計算荷載主要考慮作用于閘門的靜水壓力和閘門自重。計算工況為設(shè)計工況，閘門的作用水頭為70 m。具體加載方式見圖1。

3.5.2 邊界計算

坐標系定義為：Z軸沿水流方向，Y軸沿重力方向，X軸沿主橫梁軸向。

邊界約束施加，如圖2。

1）面板底部支承在地面上，施加Y方向固定約束；

2）閘門支鉸繞支鉸軸旋轉(zhuǎn)，支鉸軸允許繞X軸自由轉(zhuǎn)動，其它自由度約束。

圖1 荷載情況

圖2 邊界約束

3.5.3 計算結(jié)果

模型計算結(jié)果見圖3-7所示。

圖3 閘門整體應(yīng)力云圖

圖4 閘門面板應(yīng)力云圖

圖5 閘門面板變形云圖

圖6 閘門支臂變形云圖

圖7 支臂應(yīng)力云圖

3.5.4 結(jié)果分析

1）門葉面板、中節(jié)門葉隔板、后翼緣、中節(jié)門葉橫梁結(jié)構(gòu)、底小梁大部分區(qū)域等效應(yīng)力值均小于材料Q345(16Mn)鋼的容許折算應(yīng)力值，滿足設(shè)計的要求；

2）邊節(jié)門葉主縱梁腹板與支臂連接處、橫梁后翼與主縱梁后翼相交處出現(xiàn)較大應(yīng)力集中，建議采取加固措施減小應(yīng)力值；

3）中節(jié)門葉隔板與橫梁后翼相交處小范圍內(nèi)應(yīng)力值偏高，其值大約在300 MPa，超出容許折算應(yīng)力，且接近于材料的屈服極限，建議對超標部位進行補強加固。

4 結(jié)語

閘門整體狀況完好，主要構(gòu)件未見損傷變形；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，銹蝕嚴重；閘門支臂與主縱梁之間連接完好，未見異常；閘門主要構(gòu)件焊縫超聲波探傷未發(fā)現(xiàn)超標和裂紋缺陷；閘門吊耳裝置零部件齊全，連接牢靠；閘門支鉸運轉(zhuǎn)正常；閘門止水裝置完好，閘門不漏水。閘門復(fù)核計算結(jié)果表明，閘門主要構(gòu)件的強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，從設(shè)計角度看并不影響正常使用。

根據(jù)閘門復(fù)核計算結(jié)果和檢測成果進行綜合分析，深孔工作閘門可繼續(xù)使用，建議局部補強加固滿足安全運行要求。