新安江水電站閘門安全評(píng)價(jià)

摘要：閘門的安全評(píng)價(jià)對(duì)于閘門可靠運(yùn)行具有重要意義。從閘門外觀檢測(cè)、腐蝕量檢測(cè)、焊縫超聲波無(wú)損檢測(cè)、材料檢測(cè)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)、復(fù)核計(jì)算、啟閉機(jī)現(xiàn)狀與運(yùn)行狀況檢測(cè)以及啟閉力檢測(cè)等角度出發(fā)，對(duì)已到檢修期的新安江水電站6#、7#機(jī)組進(jìn)行安全檢測(cè)，綜合安全檢測(cè)結(jié)果，依據(jù)相關(guān)規(guī)程、規(guī)范，對(duì)進(jìn)水口工作門及啟閉機(jī)進(jìn)行安全評(píng)定。研究結(jié)果表明，進(jìn)水口工作閘門和啟閉機(jī)安全等級(jí)評(píng)定為“安全”，并對(duì)啟閉機(jī)液壓泵站及現(xiàn)地運(yùn)行控制系統(tǒng)布置位置給出了整改建議。本研究為其他電站閘門的安全檢測(cè)提供了科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：新安江水電站；工作閘門；安全檢測(cè)；啟閉機(jī)

中圖分類號(hào)：TM34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2024）06-0-05

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.06.038

Safety Evaluation and Analysis of Sluice Gate of Xin’anjiang Hydropower Station

GU Chengqing1， LIN Jieyu2， ZHENG Shengyi3， YIN Guojiang3

（1. State Grid Xinyuan Group Co.，Ltd.， Xin'anjiang Hydroelectric Power Station， Jiande 311608， China;

2. State Grid Xinyuan East China Development and Construction Branch， Hangzhou 310012， China;

3. Hydraulic Metal Structure Safety Monitoring Center of the Ministry of Water Resources， Nanjing 210098， China）

Abstract： Safety evaluation is of great significance to ensure the reliable operation of gates. In this study， various aspects were considered， including patrol inspection， corrosion inspection， ultrasonic testing of gate welds by the pulse reflection method， material inspection， structural stress detection and check calculation of gates， status and operation detection of hoists， and hoisting capacity detection. These safety inspections were carried out on the 6# and 7# units of the Xin’anjiang Hydropower Station during their maintenance period. Based on the comprehensive safety inspection results and in accordance with relevant regulations and standards， safety assessments were conducted for the working gates of the intake and the hoist. The research findings indicated a “safe” safety classification for the working gates of the intake and the hoist. Moreover， suggestions were proposed to improve the arrangement of the hydraulic gate and hoist pumping station and the on-site operating control system. These findings serve as a scientific basis for safety inspection of gates in other hydropower stations.

Keywords： Xin’anjiang hydropower station; working gate; safety inspection; hoist

國(guó)網(wǎng)新源集團(tuán)有限公司新安江水力發(fā)電廠（以下簡(jiǎn)稱新安江水電站）位于浙江省建德市，是中國(guó)第一座自行勘測(cè)、自主設(shè)計(jì)、自制設(shè)備的大型水電站。新安江水電站以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、航運(yùn)、氣候調(diào)節(jié)、風(fēng)景旅游及頂潮抗咸等綜合社會(huì)效益[1]。

新安江水電站于1957年4月開(kāi)工建設(shè)，1960年4月首臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，1977年10月工程竣工，9臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)，總裝機(jī)容量為662.5 MW。2005年，該水電站完成電站增容改造，改造后全廠裝機(jī)容量為855 MW，變電容量為900 MVA，是國(guó)家電網(wǎng)有限公司華東分部調(diào)頻、調(diào)峰及事故備用電廠。為掌握機(jī)組引水鋼管、進(jìn)水口工作閘門、尾水檢修閘門安全運(yùn)行狀況，新安江水電站決定對(duì)6#、7#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門及啟閉機(jī)進(jìn)行安全檢測(cè)與安全評(píng)定。

1 檢測(cè)項(xiàng)目及依據(jù)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，檢測(cè)主要包括閘門外觀檢測(cè)、腐蝕量檢測(cè)、焊縫超聲波無(wú)損探傷、材料檢測(cè)、結(jié)構(gòu)應(yīng)力檢測(cè)、復(fù)核計(jì)算、啟閉機(jī)現(xiàn)狀與運(yùn)行狀況檢測(cè)以及啟閉力檢測(cè)等方面[2-6]。檢測(cè)主要依據(jù)《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》（SL 101—2014）、《水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范 第1部分：固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 10341.1—2019）、《水電水利工程液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB/T 35020—2013）、《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》（GB/T 11345—2023）、《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（GB/T 14173—2008）、《水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB 35055—2015）、《水電工程啟閉機(jī)制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》（NB/T 35051—2015）規(guī)程和規(guī)范，同時(shí)依據(jù)6#、7#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門與啟閉機(jī)設(shè)計(jì)圖樣及制造、檢驗(yàn)、安裝、驗(yàn)收資料。

2 進(jìn)水口工作閘門檢測(cè)

2.1 工程背景

機(jī)組進(jìn)水口孔口尺寸為3.7 m×8.2 m（寬×高），設(shè)置1扇工作閘門，閘門設(shè)計(jì)水位為109.4 m，底檻高程為65.32 m。閘門運(yùn)行方式為動(dòng)水閉門、靜水啟門，閘門啟閉設(shè)備為1臺(tái)額定容量1 250 kN/630 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)。

進(jìn)水口工作閘門為潛孔式平面定輪鋼閘門，板梁結(jié)構(gòu)，等高布置。面板支承在由主橫梁、縱梁、邊梁及小橫梁組成的梁格上，面板與梁格直接焊接。主橫梁為工字形截面組合梁，共9根，主橫梁從上到下依次編為1#～9#主橫梁；縱梁為T形截面組合梁，共3根，縱梁從左到右依次編為1#～3#縱梁；邊梁為∏形截面組合梁；頂梁為14號(hào)槽鋼，底梁為120 mm×80 mm角鋼，其余小橫梁為8根20號(hào)工字型鋼，小橫梁（包括頂?shù)琢海纳系较乱来尉帪?#～10#小橫梁；閘門采用簡(jiǎn)支式主輪支承。進(jìn)水口工作閘門結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 外觀檢測(cè)結(jié)果

6#、7#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門總體狀況相似，具體如下：閘門構(gòu)件未見(jiàn)損傷變形；閘門焊縫外觀質(zhì)量較好，表面缺陷較少；閘門吊耳裝置正常；閘門主輪支承裝置完好；閘門反向支承滑輪裝置及側(cè)導(dǎo)向滑輪裝置完好；閘門充水閥裝置完好；閘門止水橡皮未見(jiàn)老化，連接螺栓未見(jiàn)銹蝕；兩扇閘門邊梁底漆仍較完整，基體未見(jiàn)明顯銹坑。

2.3 腐蝕檢測(cè)結(jié)果

新安江水電站6#、7#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門共獲得腐蝕量檢測(cè)數(shù)據(jù)174個(gè)，平均每扇閘門87個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)，且每個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)均采用3個(gè)以上測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的平均值。閘門主要構(gòu)件平均腐蝕量、標(biāo)準(zhǔn)差和年平均腐蝕速率（閘門使用年限為13年）如表1所示。

由表1可知，6#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門的面板、主橫梁、縱（邊）梁、小橫梁平均腐蝕量分別為0.37 mm、0.33 mm、0.38 mm、0.36 mm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.14 mm、0.19 mm、0.23 mm、0.17 mm，平均腐蝕速率為0.026～0.029 mm/a；7#機(jī)組工作閘門面板、主橫梁、縱（邊）梁、小橫梁平均腐蝕量分別為0.33 mm、0.33 mm、0.34 mm、0.40 mm，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.12 mm、0.22 mm、0.14 mm、0.16 mm，平均腐蝕速率為0.025～0.031 mm/a。

6#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門、7#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門腐蝕量頻數(shù)分布情況分別如圖2、圖3所示。

由圖2和圖3可知，6#、7#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門腐蝕量頻數(shù)分布相似，閘門腐蝕量主要位于0.1～0.7 mm。

2.4 材料檢測(cè)結(jié)果

選取7#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門的邊梁后翼緣、面板進(jìn)行取樣化驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表2所示。采用HLN-11A型里氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度和抗拉強(qiáng)度檢測(cè)，儀器功能支持硬度測(cè)試值與相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度值之間自動(dòng)轉(zhuǎn)化。7#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門主要構(gòu)件材料的抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

由表2、表3數(shù)據(jù)，以及《碳素結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 700—2006）、《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591—2018）可知，閘門試樣的化學(xué)成分和閘門主要構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度均與低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345相符合。由此確定，閘門主要構(gòu)件所使用的材料為低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345。

2.5 焊縫超聲波探傷結(jié)果

根據(jù)閘門焊縫類別，采用超聲波技術(shù)分別對(duì)主橫梁、邊梁、面板及吊耳進(jìn)行探傷。探傷結(jié)果如下：6#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門的9#主橫梁腹板與前翼緣板T形連接焊縫、7#主橫梁腹板與前翼緣板連接焊縫各存在1處條狀制造缺陷；7#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門的3#主橫梁腹板與前翼緣板連接焊縫存在1處條狀制造缺陷，7#主橫梁腹板與前翼緣板連接焊縫存在2處條狀制造缺陷，9#主橫梁腹板與前翼緣板連接焊縫存在1處條狀制造缺陷。本次探傷檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的缺陷均未超標(biāo)。

2.6 應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

對(duì)6#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力檢測(cè)。閘門共布置13個(gè)測(cè)點(diǎn)，即三向測(cè)點(diǎn)3個(gè)、單向測(cè)點(diǎn)10個(gè)。檢測(cè)工況如下：上游水位為101.57 m，下游無(wú)水，閘門作用水頭31.17 m。測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。閘門單向測(cè)點(diǎn)應(yīng)力和三向測(cè)點(diǎn)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果分別如表4和表5所示。

由表4和表5可知，閘門主橫梁?jiǎn)蜗驕y(cè)點(diǎn)最大正應(yīng)力為57.5 MPa，位于8#主橫梁跨中后翼緣；閘門縱梁測(cè)點(diǎn)最大正應(yīng)力為17.9 MPa。閘門主橫梁腹板測(cè)點(diǎn)最大折算應(yīng)力為63.0 MPa，最大剪應(yīng)力為14.6 MPa；閘門面板測(cè)點(diǎn)折算應(yīng)力為47.7 MPa。閘門各構(gòu)件的實(shí)測(cè)應(yīng)力均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力值。

2.7 復(fù)核計(jì)算結(jié)果

對(duì)6#進(jìn)水口機(jī)組工作閘門進(jìn)行有限元復(fù)核計(jì)算與分析，閘門結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型如圖5所示，計(jì)算工況為設(shè)計(jì)工況：上游水位為109.4 m，下游無(wú)水，底檻高程70.45 m，閘門設(shè)計(jì)水頭39.0 m，動(dòng)力系數(shù)取1.1。

2.7.1 應(yīng)力

面板最大折算應(yīng)力為160.0 MPa，最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在面板與1#主橫梁連接區(qū)域。1#主橫梁直接承受水壓部分最大折算應(yīng)力為128.8 MPa；1#主橫梁不直接承受水壓力部分，2#～9#主橫梁最大軸向正應(yīng)力（σx）分別為58.2 MPa、76.3 MPa、85.4 MPa、87.0 MPa、91.2 MPa、87.2 MPa、89.1 MPa、96.6 MPa、94.0 MPa，最大軸向正應(yīng)力出現(xiàn)在8#主橫梁后翼緣跨中區(qū)域；1#主橫梁不直接承受水壓力部分，2#～9#主橫梁最大剪應(yīng)力（τmax）分別為16.0 MPa、52.5 MPa、45.9 MPa、46.7 MPa、50.7 MPa、47.2 MPa、47.6 MPa、53.0 MPa、51.1 MPa，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在8#主橫梁腹板跨端區(qū)域；1#主橫梁不直接承受水壓力部分，2#～9#主橫梁最大折算應(yīng)力（σzh）分別為58.1 MPa、82.3 MPa、85.5 MPa、87.0 MPa、91.3 MPa、87.3 MPa、89.1 MPa、96.6 MPa、93.6 MPa，最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在6#主橫梁后翼緣跨中區(qū)域。

邊梁直接承受水壓部分最大折算應(yīng)力為113.4 MPa，最大折算應(yīng)力出現(xiàn)在左邊梁腹板與4#小橫梁連接區(qū)域。邊梁不直接承受水壓部分最大軸向正應(yīng)力為68.4 MPa，最大軸向正應(yīng)力出現(xiàn)在下主輪附近的左邊梁后翼緣?？v梁最大軸向正應(yīng)力為-51.8 MPa，最大軸向正應(yīng)力出現(xiàn)在1#縱梁后翼緣位于1#、2#主橫梁間跨中區(qū)域?？v梁最大剪應(yīng)力為35.3 MPa，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在2#縱梁腹板與1#主橫梁連接區(qū)域。

小橫梁最大軸向正應(yīng)力為-108.2 MPa，最大軸向正應(yīng)力出現(xiàn)在5#小橫梁端部區(qū)域；小橫梁最大剪應(yīng)力為55.2 MPa，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在9#小橫梁端部區(qū)域。

以上列出的所有應(yīng)力值均小于相應(yīng)的容許應(yīng)力值（352.8 MPa）。

2.7.2 主橫梁撓度

對(duì)于潛孔事故閘門，主橫梁最大撓度與計(jì)算跨度的比值不應(yīng)超過(guò)1/750。閘門主橫梁跨度為4300 mm，其最大撓度容許值為5.7 mm。6#進(jìn)水口工作閘門總體變形情況如圖6所示。閘門1#～9#主橫梁的最大撓度分別為3.25 mm、3.00 mm、2.99 mm、3.03 mm、3.04 mm、3.06 mm、3.09 mm、3.16 mm、3.36 mm，均小于主橫梁撓度的容許值。

按照上述流程，對(duì)啟閉機(jī)也進(jìn)行了全面檢測(cè)并復(fù)核了啟閉力。采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)6#進(jìn)水口工作閘門進(jìn)行啟門力檢測(cè)。測(cè)點(diǎn)布置于啟閉機(jī)活塞桿，檢測(cè)時(shí)閘門處于空載狀態(tài)。單次檢測(cè)具體操作過(guò)程如下：閘門由全關(guān)狀態(tài)開(kāi)始啟動(dòng)，到開(kāi)度約為1.0 m時(shí)停止提門，保持一段時(shí)間后，再關(guān)閉閘門直到閘門處于全關(guān)狀態(tài)。共重復(fù)進(jìn)行3次檢測(cè)，所得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)與過(guò)程曲線均擬合較好。閘門實(shí)測(cè)應(yīng)變過(guò)程曲線如圖7所示?；钊麠U最大應(yīng)變實(shí)測(cè)值為54 με，通過(guò)計(jì)算得到最大啟門力為283.1 kN，小于啟閉機(jī)的額定容量（1250 kN）。

3 結(jié)論

綜合檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)分析，依據(jù)相關(guān)規(guī)程和規(guī)范，6#、7#機(jī)組進(jìn)水口工作閘門安全等級(jí)評(píng)定為“安全”，啟閉機(jī)安全等級(jí)評(píng)定為“安全”。啟閉機(jī)液壓泵站和現(xiàn)地運(yùn)行控制系統(tǒng)布置在壩頂表面機(jī)坑內(nèi)，機(jī)坑內(nèi)夏季悶熱、冬季寒冷，雨天潮濕，操作運(yùn)行環(huán)境惡劣，機(jī)坑內(nèi)空間狹小，檢修維護(hù)不便，建議予以整改。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)閘門和啟閉機(jī)進(jìn)行了安全評(píng)價(jià)，并給出整改建議，此過(guò)程可為其他水利工程中水工金屬結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)提供參考。

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基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司科技項(xiàng)目（SGXYXA00FJJS2100027）。

作者簡(jiǎn)介：顧承慶（1988—），男，浙江建德人，高級(jí)工程師。研究方向：水電站設(shè)備檢修維護(hù)、改造研究等。

通信作者：尹國(guó)江（1991—），男，河北承德人，博士，助理研究員。研究方向：水工金屬結(jié)構(gòu)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、復(fù)核計(jì)算、振動(dòng)分析與安全評(píng)價(jià)。