某水利工程鑄鐵閘門失效事故原因淺析

王穎　古小七　林立旗　張懷仁

摘? 要：鑄鐵閘門在水利工程特別是低水頭涵閘工程及中小孔口高水頭等不易檢修的部位的閘門應(yīng)用越發(fā)廣泛。然而因鑄鐵閘門失效影響水利工程安全運行的事故時有發(fā)生，本文以某鑄鐵閘門失效事故為例，結(jié)合該鑄鐵閘門原材料的力學(xué)性能檢驗與有限元計算分析，試圖找出發(fā)生該事故的原因，并為鑄鐵閘門產(chǎn)品質(zhì)量管理提出解決方案。

關(guān)鍵詞：鑄鐵閘門? 閘門失效? 力學(xué)性能測試? 有限元分析

中圖分類號：TV663? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）06（c）-0015-05

Abstract： Cast iron gate is more and more widely used in hydraulic engineering， especially in low head culvert gate engineering and high head of small and medium orifices. However， the accidents that affect the safe operation of hydraulic engineering due to the failure of cast iron gate occur from time to time. Taking the failure accident of a cast iron gate as an example， combined with the mechanical property inspection and finite element calculation analysis of the raw materials of the cast iron gate， this paper attempts to find out the cause of the accident and put forward a solution for the product quality management of cast iron gate.

Key Words： Cast iron gate; Gate failure; Mechanics performance test; Finite element analysis

與水工金屬結(jié)構(gòu)鋼閘門相比，鑄鐵閘門結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計制造簡單，且具有良好的耐腐蝕性、安裝簡單、使用壽命長、日常維護簡單等優(yōu)點，尤其適用于渠系涵閘等建筑物的小型閘門和孔口尺寸較小的水庫涵洞閘門等中小型水利工程，隨著我國鋼鐵工業(yè)的發(fā)展和機械加工能力的提升，鑄鐵閘門在水利工程特別是在低水頭涵閘工程中得到廣泛應(yīng)用，中小孔口高水頭等不易檢修的閘門采用鑄鐵閘門的情況也呈大幅上升趨勢[1-4]。2018年9月30日以前，水工金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)品包括鋼閘門、壓力鋼管、閥門、清污機4種型式產(chǎn)品一直實行生產(chǎn)許可管理[5-6]，鑄鐵閘門由于多方面因素并未納入生產(chǎn)許可管理，其產(chǎn)品質(zhì)量保障手段更依賴于生產(chǎn)廠家自覺與市場篩選。

近年來，水利工程中鑄鐵閘門失效事故時有發(fā)生，2016年新疆某水庫鑄鐵閘門春季閘門檢修后，在加水過程中閘門失效，經(jīng)潛水員下水勘察發(fā)現(xiàn)檢修閘門門葉破損裂為3塊;2020年7月20日安徽某蓄（行）洪區(qū)在蓄洪量超過7.7億m3啟動分洪時某涵閘鑄鐵閘門破損，在大堤背后形成直徑約十余米的漩渦，洪水外溢對行蓄洪區(qū)外的防洪安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅（如圖1、圖2所示），數(shù)千名村民緊急撤離。

鑄鐵閘門雖然更多地在低水頭水利工程尤其是涵閘工程中應(yīng)用較多，但關(guān)鍵部位的鑄鐵閘門失效也會造成巨大的經(jīng)濟損失，甚至危及周圍人民群眾的生命財產(chǎn)安全。隨著國家對工程質(zhì)量安全的重視，愈發(fā)重視鑄鐵閘門在水利工程中的質(zhì)量。本文以2020年安徽某涵閘鑄鐵閘門破損事故為例，結(jié)合閘門材料力學(xué)性能試驗與閘門結(jié)構(gòu)有限元計算，分析鑄鐵閘門失效原因，為其他相關(guān)工程提供借鑒。

1? 失效鑄鐵閘門力學(xué)性能檢驗成果

鑄鐵閘門原材料是否合格是鑄鐵閘門性能指標(biāo)的根本，材料力學(xué)性能是指材料在常溫、靜載作用下的宏觀力學(xué)性能，是確定各種工程設(shè)計參數(shù)的主要依據(jù)[7]。為獲得鑄造該閘門原材料實際的力學(xué)性能指標(biāo)，對該閘門殘留部分材料進行抗拉強度等檢驗。

該鑄鐵閘門尺寸為2.2m×2m，閘門為整體澆注而成，鑄鐵閘門門板結(jié)構(gòu)材料為灰鑄鐵，材料為HT200，面板實測厚度最薄位置和最厚位置分別為29.5mm、34.0mm。鑄件本體預(yù)期抗拉強度要求為不低于155 MPa（GB/T 9439-2010《灰鑄鐵件》），經(jīng)對該鑄鐵閘門門板材料力學(xué)性能檢測，其抗拉強度檢測結(jié)果為136MPa;鑄件布氏硬度要求為150～230 HBW（GB/T 9439-2010《灰鑄鐵件》），該鑄鐵閘門檢測結(jié)果為127 HBW，檢測結(jié)果表1。

由此可見該鑄鐵閘門門板材料力學(xué)性能檢測結(jié)果不滿足《灰鑄鐵件》標(biāo)準(zhǔn)要求（GB/T 9439-2010），鑄鐵閘門材質(zhì)不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不能保證正常工作狀況下閘門的運行安全。

2? 失效鑄鐵閘門有限元計算分析成果

水利工程安全評價中，水工閘門等金屬結(jié)構(gòu)的受力分析是重要的一個環(huán)節(jié)，由于使用鑄鐵閘門的水利工程規(guī)模通常為中小型工程，其結(jié)構(gòu)受力分析往往被忽略[8]，有限元計算方法與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測方法相比優(yōu)勢明顯，在水利工程設(shè)備安全評價領(lǐng)域也得到了越來越多的應(yīng)用，其原理是把連續(xù)的整體結(jié)構(gòu)劃分為有限數(shù)量的單元體，將單元富有代表性的點（一般為端點）設(shè)置為結(jié)點，從而使得相鄰單元具有連續(xù)性，構(gòu)成一個整體來代替原有的連續(xù)型結(jié)構(gòu)[9-13]。為深入探索該鑄鐵閘門破損失效原因，通過建立失效閘門的三維有限元模型進行復(fù)核計算，詳細了解該閘門在正常工作狀況下各部位的受力情況，為后續(xù)該工程及類似項目開展出險加固工作提供有力依據(jù)。

2.1 有限元計算系數(shù)選取

根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》（SL74-2019）規(guī)定：

（1）大中型工程的工作閘門及重要的事故閘門調(diào)整系數(shù)為0.90～0.95;

（2）在較高水頭下經(jīng)常局部開啟的大型閘門調(diào)整系數(shù)為0.85～0.90;

（3）規(guī)模巨大且在高水頭下操作而工作條件又特別復(fù)雜的工作閘門調(diào)整系數(shù)為0.80～0.85;上述系數(shù)不應(yīng)連乘，特殊情況應(yīng)另行考慮。

按照《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術(shù)規(guī)程》（SL101-2014）其容許應(yīng)力還應(yīng)該考慮運行時間的影響，時間系數(shù)按照下列方式確定：

（1）運行時間不足10年的閘門、啟閉機，時間系數(shù)為1.00;

（2）中型工程的閘門和啟閉機運行10～20年、大型工程的閘門和啟閉機運行10～30年，時間系數(shù)為1.00～0.95;

（3）中型工程的閘門和啟閉機運行20年以上、大型工程的閘門和啟閉機運行30年以上時，時間系數(shù)為0.95～0.90。

綜上，該鑄鐵閘門調(diào)整系數(shù)取為0.9，時間系數(shù)取1.0，所以綜合許用應(yīng)力調(diào)整系數(shù)取為0.9×1=0.9。因此閘門容許應(yīng)力如表2所示。

2.2 荷載與工況分析

正常工作狀態(tài)，即閘門正常全關(guān)閉狀態(tài)，此狀態(tài)下主要考慮作用在閘門上的總水壓及閘門自重荷載。正常工作狀態(tài)工況：總水壓力+閘門結(jié)構(gòu)自重。

（1）水壓載荷。水壓力作用在閘門面板的外表面上，水體密度取1000kg/m3，重力加速度取9.8m/s2，面板分布水壓力根據(jù)水頭按下式計算：

P=ρgh

式中：P為水壓，ρ為水體密度，g為重力加速度，h為水頭高度。

閘門水頭為12m。水壓力寬度范圍為面板寬度，最大底部壓力0.1176MPa，水壓采用Pressure中的變載荷進行施加，面板最上部水壓為最小值，面板下部水壓為最大值。

（2）自重載荷。在ANSYS Workbench中通過施加重力加速度來實現(xiàn)自重載荷施加。

2.3 有限元計算模型

失效鑄鐵閘門結(jié)構(gòu)尺寸均依據(jù)其設(shè)計圖紙確定。閘門為整體澆注而成，主要結(jié)構(gòu)材料為灰鑄鐵（鑄鐵閘門材料為HT200），彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度ρ=7850kg/m3。將該鑄鐵閘門三維模型在solidworks中建模并導(dǎo)入ANSYS Workbench離散，生成有限元計算模型，如圖3所示，采用有限元軟件ANSYS Workbench靜力學(xué)分析模塊進行結(jié)構(gòu)有限元分析。計算主要選取了實體單元中的六面體單元（Solid186 element）進行網(wǎng)格劃分，對部分復(fù)雜及不規(guī)則結(jié)構(gòu)選用實體單元中的四面體單元（Solid187 element）共生成71877個單元、123003個節(jié)點。

工作狀況下載荷考慮閘門自重、水壓，閘門安裝側(cè)面對閘門的位移約束（Displacement），約束水流反方向自由度和垂直水流向自由度（Y、X向）;閘門面板底部使用無摩擦約束（Z向），以模擬豎直方向的約束，其邊界條件如圖4所示。

2.4 整體受力情況分析

在約束邊界條件環(huán)境下，采用ANSYS對閘門整體結(jié)構(gòu)進行有限元計算結(jié)果分別如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，閘門整體結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力絕大部分區(qū)域在79.31MPa以下，最大等效應(yīng)力值為89.22MPa，發(fā)生在下主橫梁與外邊梁連接處，其值小于HT200許用屈服強度180MPa，閘門整體結(jié)構(gòu)的屈服強度滿足使用條件。閘門整體結(jié)構(gòu)垂直水流向（X方向）正應(yīng)力絕大部分區(qū)域在-80.30MPa到40.51MPa之間，閘門整體結(jié)構(gòu)水流反向（Y方向）正應(yīng)力絕大部分區(qū)域在-58.06MPa到28.75MPa之間，閘門整體結(jié)構(gòu)豎直向（Z方向）正應(yīng)力絕大部分區(qū)域在-83.17MPa到45.02MPa之間;3個方向最大壓應(yīng)力是垂直水流向（X方向）應(yīng)力為-114.81MPa，出現(xiàn)在下主橫梁與外邊梁連接處，其值小于閘門整體的抗壓容許應(yīng)力135MPa，3個方向最大拉應(yīng)力是水流反向（Y方向）應(yīng)力為63.47 MPa，出現(xiàn)在閘門頂部靠中間處，其值大于閘門整體的抗拉容許應(yīng)力40.5MPa（閘門整體應(yīng)力情況見表3）。

由有限元計算可知，該鑄鐵閘門整體結(jié)構(gòu)頂部靠中間處最大拉應(yīng)力大于閘門整體的抗拉容許應(yīng)力，因此閘門在運行過程中存在一定風(fēng)險。

3? 結(jié)語

（1）在當(dāng)前政府簡政放權(quán)的時代背景下，鑄鐵閘門產(chǎn)品質(zhì)量保障手段更依賴于生產(chǎn)廠家自覺與市場篩選，會造成部分不良生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)廠家利潤之間更傾向于利潤最大化而枉顧產(chǎn)品質(zhì)量，因此，要加強鑄鐵閘門產(chǎn)品的“第三方”出廠檢驗檢測，提高水利工程鑄鐵閘門設(shè)備的安全性與可靠性。

（2）關(guān)于鑄鐵閘門現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)主要包含《供水排水用鑄鐵閘門》（CJ/T 3006-1992）、《鑄鐵閘門技術(shù)條件》（SL 545-2011），用于水利工程的鑄鐵閘門設(shè)計及制造規(guī)范相對缺失，在水利工程應(yīng)用中該產(chǎn)品主要是依靠類比或經(jīng)驗總結(jié)進行設(shè)計與選型，管理部門應(yīng)通過制定相應(yīng)的設(shè)計原則及合理的性能指標(biāo)是從工程建設(shè)源頭上保證產(chǎn)品質(zhì)量有效的手段。

（3）鑄鐵件因種種因素影響易存在氣孔疏松等內(nèi)部缺陷，水利工程鑄鐵閘門應(yīng)在嚴(yán)格控制原材料的基礎(chǔ)上通過合理增加鑄鐵閘門面板截面尺寸、優(yōu)化加筋板或隔板的設(shè)置等方式保證鑄鐵閘門的強度和剛度。

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