北京安河泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)安全檢測與評價

楊 梓 郝 鄴 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)控國家重點試驗室，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)與安全重點實驗室，北京 100038)

安河泄洪閘位于京密引水渠下段，為2孔閘，閘門結(jié)構(gòu)型式為平板鋼閘門。啟閉機(jī)為手、電兩用固定卷揚式啟閉機(jī)。閘門設(shè)計流量30m3/s，校核流量為60m3/s，設(shè)計水位為49.50m。閘室范圍地基為砂礫石，安河泄洪閘地震基本烈度為Ⅷ度。安河泄洪閘工程，建成于1966年，已投入運行54年，至今未進(jìn)行過系統(tǒng)的檢測與安全評估。為確保安河泄洪閘安全運行，了解安河泄洪閘金屬結(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]，開展了金屬結(jié)構(gòu)安全檢測。

1 檢測內(nèi)容及方法選擇

1.1 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、閘門吊耳和吊桿等進(jìn)行檢測。

1.2 閘門腐蝕量檢測

對金屬構(gòu)件蝕余厚度檢測主要采用VT-6型數(shù)字式超聲波測厚儀或者卡尺類專用工具，其操作簡便且精度較高[2]，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。

1.3 閘門材料檢測

采用綜合分析方法對閘門進(jìn)行材料檢測，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，通過綜合分析兩項檢測成果，即可確定材料的牌號。

1.4 閘門焊縫無損探傷

利用UTX-Q7型超聲探傷儀進(jìn)行無損探傷，對損傷部位進(jìn)行準(zhǔn)確定位，分析損傷的類型，定量判斷損傷的規(guī)模、大小及深度[3]。

1.5 啟閉力檢測

采用CRAS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，經(jīng)推算可得到閘門在實測水位下的啟閉力。

1.6 啟閉機(jī)安全檢測

主要進(jìn)行機(jī)架檢測、制動器檢測、減速器檢測、卷筒及開式齒輪副檢測、傳動軸及聯(lián)軸器檢測、滑輪組檢測、鋼絲繩檢測。

2 檢測結(jié)果分析

2.1 閘門外觀檢測

閘門外觀檢測主要對閘門門體以及閘門各個構(gòu)件等進(jìn)行了現(xiàn)場檢測?，F(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，安河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。工作閘門整體情況見圖1和圖2。

圖1 閘門整體狀況

圖2 主要構(gòu)件腐蝕狀況

2.2 閘門腐蝕量檢測

水工鋼閘門極易發(fā)生腐蝕，進(jìn)而給水閘的安全運行帶來巨大隱患[4-5]，因此，鋼閘門腐蝕檢測至關(guān)重要，其中蝕余厚度是主要檢測目標(biāo)[6-7]。本次檢測選取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)67個(見表1和表2)。

表1 閘門腐蝕量檢測結(jié)果(左孔閘門)

表2 閘門主要構(gòu)件腐蝕量和腐蝕速率平均值(左孔閘門)

檢測結(jié)果表明：閘門腐蝕量主要為0.3～0.6mm，頻數(shù)之和為83.6%(腐蝕量的頻數(shù)=該腐蝕量測點數(shù)/測點總數(shù))；閘門面板、主橫梁、縱(邊)梁、小橫梁平均腐蝕量為0.40～0.45mm，平均腐蝕速率(2001—2020年)為0.020～0.023mm/a；閘門總體平均腐蝕量為0.43mm，平均腐蝕速率為0.022mm/a。工作閘門腐蝕程度可評定為B級(一般腐蝕)。

2.3 閘門材料檢測

由于歷史原因，有些工程金屬結(jié)構(gòu)沒有材料出廠證明書和工程驗收等資料，結(jié)構(gòu)所用材料牌號不清，性能不明。本項檢測選取閘門面板和邊梁后翼緣典型位置進(jìn)行取樣。清除試樣表面污垢、涂層、腐蝕等雜物后取樣進(jìn)行化驗測試化學(xué)成分(檢測結(jié)果見表3)；確定閘門材料牌號，還需以化學(xué)分析為基礎(chǔ)，進(jìn)行閘門主要構(gòu)件的硬度檢測和抗拉強(qiáng)度換算。本項檢測采用里氏硬度計對主要構(gòu)件的硬度進(jìn)行測試，求出10點硬度平均值，進(jìn)而根據(jù)金屬硬度及強(qiáng)度換算標(biāo)準(zhǔn)[8]，換算出閘門主要構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度(換算結(jié)果見表4)。

表3 試樣化學(xué)成分檢測結(jié)果

表4 閘門主要構(gòu)件硬度測定及抗拉強(qiáng)度換算結(jié)果

通過與鋼材料標(biāo)準(zhǔn)中[9]的鋼材化學(xué)成分及抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比可以得出，閘門主要構(gòu)件的化學(xué)成分與碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235基本符合，主要構(gòu)件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。

2.4 閘門焊縫無損探傷

閘門焊縫質(zhì)量是整體閘門質(zhì)量優(yōu)劣的一個決定因素，也最終影響閘門的運行和使用壽命，因此，對焊縫進(jìn)行探傷十分重要[3]。

本次檢測采用UTX-Q7型超聲波探傷儀，按規(guī)程規(guī)定的比例要求進(jìn)行抽檢。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。接受超聲波探傷的焊縫為：主橫梁腹板與翼緣板組合焊縫、主橫梁腹板與邊梁腹板組合焊縫、主橫梁翼緣板與邊梁翼緣板對接焊縫、邊梁腹板與后翼緣板組合焊縫、邊梁腹板與面板組合焊縫、面板對接焊縫等。焊縫探傷比例為：一類焊縫約90%，二類焊縫約75%。典型的焊縫探傷結(jié)果見表5。

表5 泄洪閘工作閘門焊縫超聲波探傷結(jié)果

檢測結(jié)果表明，閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷或裂紋缺陷存在。

2.5 啟閉力檢測

閘門啟閉過程中，閘門啟閉力是不斷變化的，根據(jù)閘門啟閉力的這一特性，本次采用動態(tài)信號測試系統(tǒng)進(jìn)行閘門啟閉力檢測。動態(tài)信號測試系統(tǒng)由信號傳感器(電阻應(yīng)變片)、動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)及采集終端組成。

閘門啟閉力電阻應(yīng)變片布置在啟閉機(jī)減速器左、右側(cè)輸出軸上，分別布置2個測點。完整的測試流程為：全關(guān)→開啟到約0.2m開度→停止一段時間→全關(guān)。每個檢測過程重復(fù)進(jìn)行2次。根據(jù)實測最大(最小)應(yīng)變值，可以得到實測最大啟門力和最小閉門力的計算結(jié)果(見表6)和實測應(yīng)變過程曲線(見圖3)。

圖3 檢測工況下傳動軸實測應(yīng)變典型過程曲線

表6 左閘門實測最大(最小)應(yīng)變值和對應(yīng)啟閉力

檢測結(jié)果表明：在運行水位(49.07m)下，閘門實測最大啟門力為45.1kN，小于啟閉機(jī)的額定容量(2×50kN)；閘門實測最小閉門力為-18.3kN，閘門能依靠自重關(guān)閉；閘門兩側(cè)吊點起吊力存在不平衡現(xiàn)象。啟門時，兩側(cè)吊點起吊力相差5.5kN；閉門時，兩側(cè)吊點起吊力相差2.1kN。

2.6 啟閉機(jī)安全檢測

現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，啟閉機(jī)設(shè)備及運行維護(hù)管理總體狀況良好。經(jīng)檢查存在以下問題：啟閉機(jī)無備用電源，影響水閘不間斷的運行；啟閉機(jī)部分構(gòu)件存在銹蝕、破損等情況(典型狀況見圖4、圖5)；啟閉機(jī)行程控制裝置功能存在隱患，閘門落至底檻時，行程控制系統(tǒng)不能及時切斷啟閉機(jī)電源，導(dǎo)致鋼絲繩出現(xiàn)彎折；啟閉機(jī)基礎(chǔ)局部存在混凝土銹脹開裂、邊角混凝土破損現(xiàn)象。

圖4 啟閉機(jī)制動器制動輪銹蝕狀況

圖5 定惰輪銹蝕、輪槽破損狀況

3 評價與建議

3.1 評價

采用多種檢測手段對安河泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行了綜合現(xiàn)場檢測和室內(nèi)試驗，對閘門的腐蝕量、閘門材料、閘門焊縫、閘門的啟閉力及啟閉機(jī)運行狀況等內(nèi)容進(jìn)行了檢測分析。檢測結(jié)果表明：工作閘門腐蝕程度一般；閘門主要構(gòu)件所使用的材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235；閘門所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在；啟閉機(jī)容量滿足閘門啟閉力的要求；啟閉機(jī)設(shè)備及運行維護(hù)管理總體狀況良好；啟閉機(jī)構(gòu)件存在銹蝕、破損等情況。

根據(jù)閘門和啟閉機(jī)安全檢測成果，依據(jù)相關(guān)規(guī)程、規(guī)范[10-12]，分析認(rèn)為安河泄洪閘工作閘門及啟閉機(jī)性能狀態(tài)處于安全范圍，可以繼續(xù)運行使用。

3.2 建議

對于檢出的閘門、啟閉機(jī)銹蝕部位，建議進(jìn)行除銹、防腐處理；建議配備啟閉機(jī)備用電源，以滿足應(yīng)急管理需要；建議對啟閉機(jī)行程控制裝置進(jìn)行整定或予更換，并更換左孔啟閉機(jī)右側(cè)破損的定滑輪。

4 結(jié) 論

安河泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)安全檢測結(jié)果基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，存在的部分質(zhì)量缺陷尚不影響整座水閘安全運行。本項檢測成果可為確保消除工程安全隱患、確保泄洪閘安全運行提供科學(xué)支撐。