前柳林泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)安全檢測與評價

鄭 瀚，王俊鵬，張延潭，柴江飛，李乃浩，王曉東

（1.北京市京密引水管理處，北京，101400；2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100038；3.中國水利水電科學(xué)研究院水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100038；4.中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西西安，710065）

前柳林泄洪閘位于京密引水渠上，建成于1966年。前柳林泄洪閘閘室結(jié)構(gòu)為開敞式，共計兩孔，閘門型式為平板鋼閘門，閘門寬2.5 m、高3.5 m。水閘設(shè)計流量30 m3/s，設(shè)計水位高程為50.42 m。泄洪閘閘室段長7 m，閘室底板高程47.51 m，閘室底板厚0.7 m，閘室下為分層夯實(shí)的黏性回填土。啟閉設(shè)備為2臺100 kN螺桿式啟閉機(jī)。

前柳林泄洪閘工程投入運(yùn)行至今未進(jìn)行過系統(tǒng)的檢測與安全評估。為確保前柳林泄洪閘安全運(yùn)行，了解前柳林泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)存在的問題與缺陷，為后續(xù)金屬結(jié)構(gòu)的修繕或更換提供科學(xué)依據(jù)，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[1-2]，開展了金屬結(jié)構(gòu)安全檢測。

1 檢測內(nèi)容及方法

依據(jù)安全檢測現(xiàn)行規(guī)范，結(jié)合現(xiàn)場工作和室內(nèi)試驗(yàn)分析，開展了前柳林泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)及啟閉機(jī)的安全檢測，具體內(nèi)容包括：

（1）閘門外觀檢測。主要對閘門門體、支承行走裝置、止水裝置、埋件、閘門平壓設(shè)備、閘門鎖定裝置、閘門吊耳、吊桿等進(jìn)行檢測。

（2）閘門腐蝕量檢測。目前腐蝕檢測方法主要有差分盒維數(shù)法、圖像處理法、超聲波測厚儀法等[3-4]。腐蝕量檢測中，蝕余厚度指標(biāo)至關(guān)重要。本次金屬構(gòu)件蝕余厚度檢測主要采用超聲波測厚儀進(jìn)行測量，操作簡便且精度較高[5]。對銹蝕嚴(yán)重部位采用拍照或攝像的方法進(jìn)行記錄和描述。

（3）閘門材料檢測。本次閘門材料檢測采用綜合分析法[6]。綜合分析法是在設(shè)備的非受力部位鉆取屑樣或小塊試樣進(jìn)行分析，確定材料的化學(xué)成分，同時測定材料硬度，并據(jù)此換算得到材料的抗拉強(qiáng)度，綜合分析兩項(xiàng)檢測結(jié)果，即可確定材料的牌號。

（4）閘門焊縫無損探傷。采用超聲探傷儀對金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，對閘體各種類型的焊縫、不同厚度的板材、鍛件、鑄件等進(jìn)行無損探傷。超聲探傷儀能通過視波屏上顯示的反射傷波的波形、波高及水平位置，對傷部進(jìn)行準(zhǔn)確定位，分析傷的類型，定量判斷傷的規(guī)模、大小及深度[5]。

（5）啟閉機(jī)啟閉力檢測。閘門啟閉力檢測采用應(yīng)變片法[7]。

（6）啟閉機(jī)運(yùn)行狀況檢測。啟閉機(jī)運(yùn)行狀況檢測主要對啟閉機(jī)運(yùn)行噪音、制動器的制動性能、滑輪組的轉(zhuǎn)動靈活性、雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)的同步偏差及控制設(shè)備和集中監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行可靠性進(jìn)行檢測。

2 檢測結(jié)果

2.1 閘門外觀檢測

目前前柳林泄洪閘兩扇工作閘門總體狀況相似，閘門整體狀況完好。閘門構(gòu)件涂層完整；閘門主要構(gòu)件未見損傷變形；閘門吊耳裝置零部件齊全，連接完好；主輪支承裝置連接正常；止水裝置零部件齊全，連接牢靠；閘門門槽埋件和底檻埋件完好。目前閘門主要構(gòu)件存在整體輕微腐蝕現(xiàn)象，門槽埋件底部20 cm范圍內(nèi)腐蝕較重，有銹皮脫落現(xiàn)象。

圖1 閘門整體狀況Fig.1 General situation of the sluice gate

圖2 門槽導(dǎo)軌板腐蝕狀況Fig.2 Corrosion of the slot guide rail board of the sluice gate

2.2 閘門腐蝕量檢測

腐蝕檢測為抽檢項(xiàng)目，按規(guī)程[1]規(guī)定，抽取相應(yīng)數(shù)量的閘門進(jìn)行腐蝕狀況檢測。對左孔工作閘門主要構(gòu)件進(jìn)行腐蝕量檢測，共獲得檢測數(shù)據(jù)49個（每個檢測數(shù)據(jù)均為3個以上測點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值）。閘門主要構(gòu)件腐蝕量頻數(shù)分布統(tǒng)計結(jié)果見表1，閘門主要構(gòu)件腐蝕量和腐蝕速率的平均值（腐蝕速率的計算年限為20年）見表2。

表1 閘門主要腐蝕量頻數(shù)分布Table 1 Distribution of monitoring points of sluice gate reaching main corrosion degree

表2 左孔閘門主要構(gòu)件腐蝕量和腐蝕速率平均值Table 2 Average corrosion amount and corrosion rate of main components of left sluice

由腐蝕量頻數(shù)分布統(tǒng)計可知：閘門腐蝕量主要為0.2～0.5 mm，頻數(shù)為87.8%。左孔閘門面板、主橫梁、縱（邊）梁、小橫梁平均腐蝕量分別為0.34 mm、0.32 mm、0.34 mm、0.38 mm，平均腐蝕速率為0.027～0.032 mm/a。左孔閘門總體平均腐蝕量為0.34 mm，平均腐蝕速率為0.028 mm/a。

2.3 閘門材料檢測

由于歷史原因，前柳林泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)所用材料牌號不清、性能不明，因此采用材料檢測確定水閘金屬結(jié)構(gòu)材料的機(jī)械性能和化學(xué)成分，鑒別金屬結(jié)構(gòu)材料牌號。選取閘門面板和邊梁后翼緣進(jìn)行取樣?；?yàn)試樣前，對試樣表面進(jìn)行處理，清除試樣表面污垢、涂層、腐蝕等雜物，然后對試樣進(jìn)行化驗(yàn)，測試出試樣化學(xué)成分的百分含量，測試結(jié)果見表3。在進(jìn)行試樣化學(xué)成分分析的基礎(chǔ)上，對閘門主要構(gòu)件進(jìn)行硬度檢測和抗拉強(qiáng)度換算。使用HLN-11A型里氏硬度計對閘門主要構(gòu)件的硬度進(jìn)行測試，求出10點(diǎn)硬度平均值，進(jìn)而根據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》的標(biāo)準(zhǔn)，換算出閘門主要構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度。閘門主要構(gòu)件材料10點(diǎn)硬度平均值及材料抗拉強(qiáng)度換算值結(jié)果詳見表4。

表3 試樣化學(xué)成分測試結(jié)果Table 3 Percentage of chemical components of the sample

表4 閘門主要構(gòu)件硬度測定及抗拉強(qiáng)度換算結(jié)果Table 4 Hardness and converted tensile strength of main components of sluice gate

根據(jù)材料檢測數(shù)據(jù)，對照GB/T 700-2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中的鋼材化學(xué)成分及抗拉強(qiáng)度，可知：閘門試樣面板和邊梁后翼緣的化學(xué)成分與碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235基本符合。閘門主要構(gòu)件的硬度和抗拉強(qiáng)度與碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235相吻合。綜合試樣材料化學(xué)成分分析、硬度及抗拉強(qiáng)度的檢測結(jié)果，可以確定閘門主要構(gòu)件使用的材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。

2.4 閘門焊縫無損探傷

超聲波探傷為抽檢項(xiàng)目，按規(guī)程規(guī)定的比例進(jìn)行抽檢。不同類型焊縫的抽檢比例不得少于規(guī)程規(guī)定的抽檢比例。對于抽檢的檢測單元，根據(jù)閘門受力狀況和焊縫類別，選定閘門主橫梁、邊梁、面板為探傷構(gòu)件。對于一、二類焊縫，如主橫梁腹板與后翼緣板組合焊縫等，進(jìn)行超聲波探傷檢測，焊縫探傷比例為：一類焊縫約90%，二類焊縫約80%。泄洪閘工作閘門焊縫無損探傷結(jié)果表明：閘門面板和閘門邊梁腹板與后翼緣板間的組合焊縫均存在局部未焊透的制造缺陷，但未焊透深度均未超過GB/T 14173規(guī)范規(guī)定的深度，允許存在，無需處理。典型工作閘門焊縫超聲波探傷結(jié)果見表5。此外，閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

表5 泄洪閘工作閘門焊縫超聲波探傷結(jié)果Table 5 Results of flaw detection of welds of spillway sluice gate by ultrasonic method

2.5 啟閉力檢測

本次啟閉力檢測是在閘門上游水位49.33 m、下游無水、閘門作用水頭2.08 m（底檻高程47.25 m）的工況下進(jìn)行的。采用啟閉力測試系統(tǒng)進(jìn)行閘門啟閉力檢測。通過布置在傳動軸上的電阻應(yīng)變片獲取信號，測得傳動軸的剪切應(yīng)變，推算得到閘門在實(shí)測水位下的啟閉力。

表6 實(shí)測最大（最?。?yīng)變值和對應(yīng)啟閉力Table 6 Measured maximum(minimum)strain value and corresponding hoisting capacity

檢測結(jié)果表明：在實(shí)測水位（49.33 m）下，閘門實(shí)測最大啟門力為30.6 kN，小于啟閉機(jī)的額定容量（100 kN）；閘門實(shí)測最小閉門力為-9.0 kN，閘門能依靠自重關(guān)閉。

2.6 啟閉機(jī)安全檢測

現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，啟閉機(jī)設(shè)備布設(shè)規(guī)范，動力線和控制信號線布設(shè)規(guī)范，運(yùn)行管理制度健全，運(yùn)行控制系統(tǒng)控制功能設(shè)置健全，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)狀況良好。經(jīng)現(xiàn)場檢測運(yùn)行，啟閉機(jī)運(yùn)行狀況總體良好。但啟閉設(shè)備仍存在一些問題，如：啟閉機(jī)無過負(fù)荷保護(hù)裝置和螺桿抗壓安全保護(hù)裝置，兩臺啟閉機(jī)螺桿普遍存在壓彎變形現(xiàn)象；啟閉機(jī)排架工作平臺空間狹窄，運(yùn)行維護(hù)操作不方便；地面至啟閉機(jī)平臺爬梯、旋梯存在銹蝕現(xiàn)象；啟閉機(jī)螺桿上閘門吊點(diǎn)至螺紋終止線之間的光桿部分銹蝕現(xiàn)象明顯。

圖3 啟閉機(jī)螺桿壓彎狀況Fig.3 Bend hoist screw

圖4 螺桿光桿銹蝕狀況Fig.4 Corrosion of polished rod of screw

3 結(jié)語

在工程現(xiàn)狀調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用多種檢測手段對前柳林泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)開展了綜合的現(xiàn)場檢測和室內(nèi)試驗(yàn)，對閘門外觀、閘門腐蝕情況、金屬材料、焊縫的傷病情況、啟閉機(jī)的運(yùn)行情況等內(nèi)容開展了檢測分析。

根據(jù)閘門安全檢測及復(fù)核計算結(jié)果，分析認(rèn)為前柳林泄洪閘工作閘門可以繼續(xù)安全使用；根據(jù)啟閉機(jī)安全檢測結(jié)果，分析認(rèn)為前柳林泄洪閘工作門啟閉機(jī)可以繼續(xù)安全使用。綜上所述，前柳林泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，雖存在一定質(zhì)量缺陷，但尚不影響整座水閘正常運(yùn)行。本項(xiàng)檢測結(jié)果可為消除工程安全隱患、確保泄洪閘安全運(yùn)行提供科學(xué)支撐。