水工钢闸门使用年限对其结构安全的影响分析

金晓华，张　猛（.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，3004；.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，3004）

水工钢闸门使用年限对其结构安全的影响分析

金晓华1，张猛2
（1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310014；2.国家能源局大坝安全监察中心，浙江杭州，310014）

随着使用年限的逐渐延长，水工钢闸门会出现锈蚀、磨损、空蚀、裂纹、变形、连接件松动、活动关节咬死等各种各样的缺陷。在对腐蚀削弱后的断面进行强度复核时，不宜采用使用年限折减的方式修正结构材料的容许应力。

使用年限；锈蚀；裂纹；复核；折减

1　概述

每座大坝或多或少均设置有不同规格的水工钢闸门，这些闸门或承担大坝的挡水和泄洪（水）任务，或用于水工建筑物、设备检修时挡水，或在下游设施发生事故时用于切断流水，避免事故扩大。这些闸门的可靠性会直接或间接地影响大坝的安全运行。

1878年法国建成世界第一座水电站，1912年我国建成第一座水电站——云南省昆明市郊的石龙坝水电站，距今均已有100多年的历史。在闸门的安全评价过程中，使用年限会给水工钢闸门的结构安全带来什么样的影响，笔者作为机械工程师，通过与材料工程师的探讨、国内外相关资料的查询、研究，将对此问题的一些认识与大家交流，希望能起到抛砖引玉的作用。

2　使用年限对水工钢结构的影响分析

随着使用年限的不断延长，水工钢结构会出现锈蚀、磨损、空蚀、裂纹、变形、连接件松动、活动关节咬死等缺陷。

2.1锈蚀

水工钢结构使用一定时间后，最常见的问题是锈蚀。锈蚀会减小结构的受力断面，闸门在荷载不变的情况下，结构的强度和刚度减弱，但并非均匀地减弱，比如，锈蚀部位不同对构件的抗拉强度和抗剪强度的影响是不同的，因此需要根据腐蚀后的剩余断面进行强度和刚度复核。

在相邻钢板或型钢连接处的锈蚀，由于锈蚀膨胀，还会产生橇杆的作用，对连接产生破坏作用。此外，锈蚀产生的凹坑达到一定深度后，也会造成应力集中，成为裂纹的产生源。

锈蚀与使用环境有关，除设计时合理选材外，主要通过防腐措施解决。

2.2空蚀和磨损

空蚀和磨损也是水工钢闸门运行一段时间后常见的问题。

空蚀一般发生在流速相对较大的高水头闸门、门槽及其附近的侧墙上，主要由水流空化引起，其作用原理是水流局部空化溃灭造成对结构材料的冲击使之疲劳破坏，除材料剥落外，还会有一定深度的材质疲劳疏松化。空蚀后的表面又会使空化现象激化，加剧空蚀作用，造成更严重的空蚀破坏。如我国石门水电站2.0 m×2.0 m-70 m（宽×高-水头，下同）弧形闸门、佛子岭水电站泄水管出口1.42 m×3.2 m-50 m平面闸门，美国的庞纳维尔溢流坝15.24 m×18.3 m-17.63 m平面闸门和前苏联布赫塔明坝底孔4.0 m×4.6 m-67 m平面闸门等的底缘和门槽均曾遭空蚀破坏［1］。

磨损除了与高流速相关外，还与水流的泥沙含量、沙粒的大小和硬度有关。比如三门峡水电站，由于当时对泥沙的磨损认识不足，泄水道经长期运行后，门槽内轨道出现严重磨损［1］。空蚀和磨损对闸门和门槽的破坏作用与锈蚀相似，主要是削弱结构材料的断面。磨损和空蚀的联合作用又会相互激化对材料的破坏，同时具有两种破坏现象的状况称为磨蚀。

由于空蚀或磨损多与自然条件和设计不足有关，彻底解决难度较大，一般只能采用修补的办法解决，少数可通过改变运行方式得到缓解。

2.3裂纹

裂纹可分为结构件裂纹和焊缝裂纹。结构件裂纹通常出现在构件的不连续处和结构件间的连接处，如吊耳孔、螺栓孔等，因为这些地方普遍存在应力集中。焊缝则是由于存在气孔、夹渣和未焊透等缺陷使其内部出现不连续点，即应力集中点，加上焊接过程产生的残余应力，容易产生裂纹。因此，应在闸门投运并承受设计荷载后进行一次裂纹检查。一般情况下，使用年限延长，自然时效作用可消除材料的内应力，使应力分布趋向均匀，有利于材料机械性能的提高。

需要特别指出的是，尽管一般的闸门设计并不要求进行疲劳复核，但当闸门运行过程中存在明显振动时，振动产生动荷载，可能使应力集中处的局部应力超过屈服强度而产生裂纹，加上材料及焊缝内部已有微裂纹，随着使用次数的增加，裂纹扩展到一定程度，就会造成结构的突然断裂。美国阿肯色河溢流坝、华盛顿州林果德溢水闸等多个闸、坝的弧门结构或焊缝由于振动产生裂纹甚至断裂［2］。我国广东的唐尾分洪闸弧门等也曾由于振动产生裂

纹［1］。2.4变形、松动和咬死

当闸门发生过载、意外撞击或结构削弱时，可能引起结构变形，结构变形也会降低结构件的强度，严重时受力后易引起结构失稳。

螺栓等连接件的松动易发生在承受动荷载的水工钢闸门上，运行过程存在明显振动的，更应定期检查维护。

咬死是指弧门支铰、平面定轮等不能有效转动，可因疏于维护、轴承磨损、轴承材料缺陷或制造安装质量缺陷等引起。咬死会造成启闭设备超载，甚至闸门结构破坏。内蒙古三盛公跌水闸弧门支臂断裂事故即由弧门支铰咬死引起〔1〕。

3　水工钢闸门的复核和修复

3.1结构发生锈蚀、磨损或空蚀后的复核

结构发生锈蚀、磨损和空蚀等剥蚀，闸门的结构断面发生削弱时，需要对削弱后的断面进行复核计算，这时结构材料的容许应力应按相关的设计规范规定取用，不必根据使用年限进行折减。因为闸门等钢结构发生剥蚀时，未发生剥蚀部分钢材的金相组织并不受影响，而结构及零件复核的正是未剥蚀部分的强度和刚度，业内担心的晶间腐蚀仅存在于不锈耐酸钢、镍基耐蚀合金、铝合金中，一般情况下，国内水工钢闸门的受力结构件均不会选用上述三类材料。1994年，美国陆军工程师兵团针对美国大多数通航和泄洪设施的溢洪道闸门已超过20年、许多已超过50年这一现状，编制了ETL1110-2-351《现役溢洪道闸门的结构检查和评估》，介绍了不同时期美国溢洪道闸门采用的结构钢型号及其屈服强度和焊接性能，也未见有使用年限对钢材机械性能的影响的表述［2］。

对于空蚀后的结构复核，尚需注意其剩余有效断面的计算需去除因空化作用而致疏松失效的材料深度。该深度可采用实际打磨或局部钻孔取样获得。

3.2结构发生裂纹后的复核

不论是结构裂纹还是焊接裂纹，只要发现，一般均可以进行修补处理。

对于无法进行修补处理的裂纹，可采用断裂动力学法进行剩余寿命分析。该方法的前提是裂纹已经存在并在持续发展，其裂纹尖端的应力放大发展至断裂临界点时，结构失效，故评价的核心就是断裂临界点的认定。

对于不再继续发展的裂纹，则可简单地采用剩余有效结构断面进行刚度、强度复核。

3.3变形、松动和咬死的处理

对变形、松动和咬死的缺陷处理，首先应找到产生缺陷的原因，并予以改进，然后复原，必要时进行加固。如当弧门支臂发生变形时，由于压杆对偏心非常敏感，无法完全复原时，应采取措施进行必要的加固。

4　结语

为了延长水工钢闸门的使用寿命，运行过程中需定期对其进行检查，并有计划地进行维护和检修。闸门评估过程中，应根据闸门存在的不同问题提出对应的补救措施和建议。结构强度复核时，不宜简单地采用“使用年限折减的办法修正结构材料容许应力”的方法，欧美国家许多接近或超过100年的钢结构至今仍在使用中，也间接说明了只要维护得当，钢材的容许应力不会随着时间的推移逐年减低。

［1］夏念凌.水工闸门事故实例分析［M］.北京:水利电力出版社，1994.

［2］CECW-ED.ETL1110-2-351，Structural Inspection and Evaluation of Existing Spillway Gates［S］.

Title:Influence of the age of hydraulic steel gate on its structural safety//by JIN Xiao-hua and ZHANG Meng//Huadong Engineering Corporation Limited of Power China

With the age increase of steel gate，defects such as rust，wear，cavitation，crack，deformation，loosen connecting rod，seizure of movable joint would occur.In review of the strength on the corroded and weakened cross section，to modify the allowable stress of structure material，reduction by age is not recommended.

age；rust；crack；review；reduction

TV663.4

A

1671-1092（2015）01-0070-03

2015-01-05

金晓华（1963－），女，浙江人，高级工程师，从事水工金属结构设计工作。

作者邮箱：jin_xh@ecidi.com