上莊新閘工作閘門質(zhì)量檢測評估

劉建樹，鄭圣義，李秀琳，楊 述

(1.北京市海淀區(qū)河道管理所，北京 100089； 2.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，南京 210098； 3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

1 研究背景

上莊新閘位于北京市海淀區(qū)南沙河上，共6孔，孔口凈寬12.0 m，設(shè)置6扇露頂式弧形工作閘門，從左向右依次編號為1#-6#，閘門底檻高程37.5 m，閘門設(shè)計水頭4.8 m，閘門操作方式為動水啟閉。工程于2005年12月開工，2006年12月主體工程完工，至今已運(yùn)行10余年，從未進(jìn)行安全鑒定。目前，工作閘門存在一定程度的病害，3#與4#中墩靠近底板有射流現(xiàn)象，2#，4#，5#閘門啟閉時均存在不同程度的不平衡狀況，嚴(yán)重影響水閘安全運(yùn)行，亟需對工作閘門進(jìn)行質(zhì)量檢測。

工作閘門為雙主橫梁斜支臂圓柱鉸弧形鋼閘門，板梁結(jié)構(gòu)，等高布置。面板支承在由主橫梁、縱梁、邊梁和小橫梁組成的梁格上，面板與梁格直接焊接，支臂與主橫梁采用螺栓連接構(gòu)成主框架；主橫梁、支臂均為工字形截面組合梁；縱梁為T型截面組合梁，共5根；位于上主橫梁以上的邊梁為T型截面組合梁，位于上主橫梁以下的邊梁為Π型截面組合梁；小橫梁為20號槽鋼，共6根(包括頂、底梁)；側(cè)導(dǎo)輪裝置共4個。本文從外觀檢測、腐蝕量檢測、焊縫超聲探傷以及復(fù)核計算等4方面對工作閘門進(jìn)行系統(tǒng)的檢測評估，為后續(xù)補(bǔ)強(qiáng)加固提供技術(shù)支撐。

2 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)和腐蝕狀況進(jìn)行檢查。外觀形態(tài)檢查主要檢查閘門門體及主要構(gòu)件、支承裝置、吊耳裝置、止水裝置、閘門埋件等損傷、明顯變形和零部件的缺失、脫落、轉(zhuǎn)動、固定狀況等等。腐蝕狀況檢查是對閘門構(gòu)件及零部件的腐蝕分布、腐蝕面積及腐蝕部位等進(jìn)行描述，評定各構(gòu)件及零部件的腐蝕程度。

上莊新閘6扇工作閘門總體狀況相似，閘門整體狀況完好，僅在部分構(gòu)件存在問題。在位于閘門上主橫梁與支臂連接處，多數(shù)閘門縱梁后翼緣與上主橫梁后翼緣之間連接焊縫采用單面焊(縱梁后翼緣已做坡口)或焊縫質(zhì)量差。閘門上主橫梁以下的小橫梁和下主橫梁存在積水和污物，容易導(dǎo)致腐蝕。閘門側(cè)止水裝置存在少量漏水或噴水。閘門上主橫梁腹板與縱梁(邊梁)腹板連接處局部區(qū)域存在銹跡，但未見深銹坑。閘門底止水裝置的連接螺栓銹蝕嚴(yán)重，多數(shù)連接螺栓的螺帽銹皮分層脫落，存在銹損；底止水裝置的止水壓板存在銹跡。

3 腐蝕量檢測

運(yùn)行多年的水工金屬結(jié)構(gòu)均不同程度地存在著腐蝕。構(gòu)件腐蝕后，構(gòu)件斷面面積減小，應(yīng)力增大，從而導(dǎo)致水工金屬結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的下降，直接影響設(shè)備的安全運(yùn)行。

對閘門主要構(gòu)件的腐蝕量進(jìn)行檢測，可以得到閘門整體及構(gòu)件的腐蝕量頻數(shù)分布狀況、平均腐蝕量、平均腐蝕速率、最大腐蝕量，確定構(gòu)件的蝕余厚度，為閘門結(jié)構(gòu)復(fù)核計算提供必要的數(shù)據(jù)。根據(jù)閘門主要構(gòu)件的腐蝕程度和腐蝕部位，腐蝕量檢測分別采用涂層厚度測定儀、數(shù)字超聲波測厚儀、深度游標(biāo)卡尺等量測儀器和工具進(jìn)行。

對2#，4#工作閘門主要構(gòu)件進(jìn)行腐蝕量檢測，共獲得檢測數(shù)據(jù)196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)，平均每扇閘門約98個檢測數(shù)據(jù)。根據(jù)腐蝕量檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，可得到圖1所示的閘門腐蝕量頻數(shù)分布直方圖。

圖1 閘門腐蝕量頻數(shù)分布

目前，2#閘門面板、主橫梁、縱(邊)梁、小橫梁、支臂平均腐蝕量分別為0.25，0.29，0.29，0.33，0.30 mm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.11，0.12，0.13，0.13，0.14 mm，平均腐蝕速率為0.019～0.023 mm/a。 4#閘門面板、主橫梁、縱(邊)梁、小橫梁、支臂平均腐蝕量分別為0.27，0.28，0.28，0.32和0.28 mm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.07，0.12，0.11，0.12和0.11 mm，平均腐蝕速率為0.021～0.024 mm/a。

由此可見，兩扇閘門腐蝕量頻數(shù)分布相似，閘門腐蝕量主要位于0.2～0.4 mm，頻數(shù)分別為71.4%，82.7%，表明兩扇閘門腐蝕狀況基本相似?？傮w平均腐蝕量分別為 0.29和0.29 mm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.13和0.11 mm，平均腐蝕速率分別為0.023和0.022 mm/a。

4 焊縫超聲波探傷

焊縫缺陷會降低焊縫的抗拉強(qiáng)度、延伸率、沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度。水工金屬結(jié)構(gòu)在制造安裝時對焊縫已進(jìn)行過較嚴(yán)格的探傷。但經(jīng)長期運(yùn)行后，在荷載作用下，焊縫有可能產(chǎn)生新的缺陷，原有經(jīng)檢查在容許范圍內(nèi)的缺陷亦有可能擴(kuò)展，影響結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。超聲波探傷是利用材料本身或內(nèi)部缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對超聲波傳播的影響，非破壞性探測內(nèi)部缺陷的大小、形狀和分布情況。探傷前，根據(jù)被測構(gòu)件的材質(zhì)和厚度，確定缺陷定位和定量方法。

水工金屬結(jié)構(gòu)的焊縫超聲波探傷通常采用水平定位法和深度定位法，當(dāng)板厚δ>20 mm時，一般采用深度法定位；當(dāng)厚度δ≤20 mm時，采用水平法定位。超聲波探傷時，檢出缺陷的回波高度與缺陷大小和距離有關(guān)，大小相同的缺陷，由于聲程不同回波高度也不同，為此通常利用距離-波幅曲線來對缺陷定量。

根據(jù)閘門受力狀況和焊縫類別，選定閘門主橫梁、支臂、邊梁和面板為探傷構(gòu)件。接受超聲波探傷的焊縫為：主橫梁腹板對接焊縫和翼緣板對接焊縫、主橫梁腹板與后翼緣板T型連接焊縫、主橫梁腹板與面板T型連接焊縫、主橫梁腹板與邊梁腹板T型連接焊縫、邊梁腹板對接焊縫、邊梁腹板與后翼緣板T型連接焊縫、邊梁腹板與面板T型連接焊縫、支臂腹板對接焊縫和翼緣板對接焊縫、支臂腹板與翼緣板T型連接焊縫、支臂翼緣板與主橫梁后翼緣板連接焊縫、面板對接焊縫等。

焊縫缺陷到零點距離為缺陷起點到零點的距離，零點規(guī)定如下：橫焊縫以右端為零點，豎焊縫以上端為零點，縱向(水流向)焊縫以上游側(cè)為零點。SL為探傷定量線，RL為探傷判廢線。探傷基準(zhǔn)面規(guī)定如下：主橫梁腹板為上表面、翼緣板為下游面；邊梁腹板為內(nèi)側(cè)面、翼緣板為下游面；支臂腹板為上表面、翼緣板為外側(cè)面。

與工作閘門其它檢測項目抽樣一致，選擇2#，4#工作閘門焊縫進(jìn)行探傷，一類焊縫約60%，二類焊縫約40%。焊縫超聲波探傷結(jié)果表明，2扇工作門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷；所有受檢一類焊縫未發(fā)現(xiàn)缺陷；所有受檢二類焊縫中，共記錄到焊縫缺陷9處(2#工作閘門5處， 4#工作閘門4處)。該9處焊接缺陷均不影響閘門安全運(yùn)行，無需處理。

5 閘門結(jié)構(gòu)復(fù)核計算

水工鋼閘門經(jīng)長期運(yùn)行后，受結(jié)構(gòu)變形、損傷、腐蝕等多種因素影響，其強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定與設(shè)計狀態(tài)相比必有下降，這就需要對水工金屬結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形及穩(wěn)定進(jìn)行復(fù)核計算。

閘門結(jié)構(gòu)復(fù)核計算采用有限元法，該方法所采用的程序具有強(qiáng)大的前后處理功能，可通過使用CAD圖形軟件完成有限元模型的剖分，并能將結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算結(jié)果繪制成應(yīng)力云圖及閘門結(jié)構(gòu)變形圖。該程序由于采用等參單元，計算出來的應(yīng)力值只能是高斯積分點的應(yīng)力值，為此采用局部最小二乘法從高斯點外推到節(jié)點而獲得每個節(jié)點上的應(yīng)力值，從而使計算達(dá)到較高的精度。

支臂為偏心受壓桿，除應(yīng)滿足強(qiáng)度要求外，還應(yīng)在外力作用下，不失去穩(wěn)定。支臂失穩(wěn)形態(tài)有兩種可能：一是在彎矩作用平面內(nèi)，因外力過大以致外力和構(gòu)件內(nèi)力不能保持靜力平衡，使彎曲變形急劇增加而失去穩(wěn)定；二是在彎矩作用平面外，即垂直于彎矩作用的平面，構(gòu)件發(fā)生彎扭變形而失去穩(wěn)定。因此，支臂必須按上述兩個方向分別進(jìn)行穩(wěn)定校核。穩(wěn)定計算時，構(gòu)件截面尺寸以現(xiàn)場檢測的蝕余厚度為準(zhǔn)。穩(wěn)定計算采用的彎矩、軸向力計算方法為結(jié)構(gòu)力學(xué)法。

5.1 強(qiáng)度評判標(biāo)準(zhǔn)

閘門主要構(gòu)件材料等為Q235，主要構(gòu)件厚度均不大于16 mm，容許應(yīng)力為[σ]=160 MPa，[τ]=95 MPa?！端姽こ啼撻l門設(shè)計規(guī)范》(SL 74-2013)規(guī)定，對于大中型工程的工作閘門和重要事故閘門，容許應(yīng)力應(yīng)乘以0.90～0.95的調(diào)整系數(shù)?！端や撻l門和啟閉機(jī)安全檢測技術(shù)規(guī)程》(SL 101-2014)規(guī)定，中型工程的閘門和啟閉機(jī)運(yùn)行10～20年，時間系數(shù)應(yīng)為1.00～0.95。根據(jù)以上規(guī)定，取容許應(yīng)力的修正系數(shù)k=0.95×0.95=0.9025。修正后的閘門各主要構(gòu)件的容許應(yīng)力，抗拉、抗壓和抗彎[σ]取144.4 MPa，抗剪[τ]取85.7 MPa。

5.2 閘門有限元模型

閘門結(jié)構(gòu)外形尺寸按設(shè)計圖紙取用，鋼材厚度采用實測蝕余厚度。根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)形式和受力特點，將閘門面板、主橫梁、支臂臂桿、縱梁(含邊梁)、小橫梁、支臂豎撐等離散為板單元，支鉸離散為塊單元。據(jù)此所建立的閘門有限元計算模型，計算模型的節(jié)點總數(shù)為19 425個，單元總數(shù)為20 469個。閘門在支鉸處受X，Y，Z方向位移約束，閘門液壓桿處受徑向位移約束。其中坐標(biāo)系定義為：X軸沿主橫梁軸向，Y軸沿水流方向，Z軸沿鉛直方向。

閘門結(jié)構(gòu)材料為Q235鋼，彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，容重78.5 kN/m3。閘門上游水位42.3 m，底坎高程37.5 m，閘門作用水頭4.8 m。計算荷載主要考慮作用于閘門的水壓力(含風(fēng)浪壓力)、閘門自重。啟門瞬間，靜水壓力考慮動力系數(shù)，動力系數(shù)取1.1。

5.3 計算結(jié)果與分析

縱梁(含邊梁)從右往左依次編為1#-7#。小橫梁(含底梁)從上往下依次編為1#-6#。面板最大折算應(yīng)力為76.6 MPa(圖2)，小于相應(yīng)的容許值238.3 MPa。最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在下主橫梁下部面板與2#，6#縱梁連接區(qū)域。

圖2 面板折算應(yīng)力(單位：MPa)

上下主橫梁應(yīng)力云圖顯示，最大正應(yīng)力分別為-62.1和-110.9 MPa，均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力(144.4 MPa)，均出現(xiàn)在主橫梁翼緣與邊梁連接區(qū)域。最大剪應(yīng)力分別為20.8和39.3 MPa，均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力(85.7 MPa)，上主橫梁最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在主橫梁腹板靠近支臂處區(qū)域，下主橫梁最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在主橫梁腹板靠近邊梁處區(qū)域(圖3)。最大折算應(yīng)力分別為61.8和106.1 MPa，均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力(158.8 MPa)，均出現(xiàn)在主橫梁后翼緣與邊梁后翼緣連接區(qū)域。上下支臂最大軸向正應(yīng)力分別為-110.8和-121.3 MPa，均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力(144.4 MPa)，都出現(xiàn)在靠近其支鉸處。

對于露頂式工作閘門，主橫梁的最大撓度與計算跨度的比值不應(yīng)超過1/600。閘門主橫梁跨度為8 000 mm，其容許出現(xiàn)的最大撓度值為13.33 mm。閘門總體變形示意見圖4，閘門上下主橫梁的最大撓度分別為2.16和1.93 mm，均小于主橫梁最大撓度容許值(13.33 mm)。

上下支臂彎矩作用平面內(nèi)的最大穩(wěn)定計算應(yīng)力分別為27.7和54.6 MPa，均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力(144.4 MPa)，作用平面外的最大穩(wěn)定計算應(yīng)力分別為32.3和64.8 MPa，均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力(144.4 MPa)。

圖3 主橫梁剪應(yīng)力(單位：MPa)

圖4 閘門總體變形示意圖

6 結(jié) 論

上莊新閘6扇工作閘門整體狀況完好，閘門構(gòu)件未見損傷變形；閘門涂層基本完整；閘門支臂與主橫梁之間連接完好，連接螺栓未見腐蝕；閘門支鉸裝置連接正常；閘門側(cè)導(dǎo)輪連接完好；閘門側(cè)軌埋件和底檻埋件及周邊混凝土未見異常；閘門止水裝置零部件齊全，連接牢靠；閘門焊縫外觀質(zhì)量良好，閘門焊縫超聲波探傷結(jié)果表明，閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷或裂紋缺陷；在閘門設(shè)計水位下，閘門強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定均滿足安全運(yùn)行要求。根據(jù)現(xiàn)場檢測與復(fù)核計算成果綜合分析，工作閘門未發(fā)現(xiàn)影響閘門運(yùn)行的安全隱患，可以繼續(xù)安全使用。建議對工作閘門底止水裝置的連接螺栓進(jìn)行更換。