我国水工金属结构管理现状与检测技术进展

胡木生，再丽娜

(1.水利部 水工金属结构质量检验测试中心， 河南 郑州 450044； 2.水利部 综合事业局，北京 100053)

水工金属结构主要包括闸门、阀门、拦污栅、压力钢管、清污机、启闭机和升船机等，是水利水电工程重要的组成部分，担负着工程的防洪、灌溉、引水发电、供水、航运等控制任务[1-3]。鉴于水工金属结构在水利水电工程中的重要作用，国家历来重视其质量监督管理工作。近年来，为落实简政放权、放管结合、优化服务的部署和要求，水工金属结构相关产品的行政审批制度发生了较大变化；并且，随着经济社会的飞速发展和科学技术的日新月异，水工金属结构相关的技术标准、检测技术和在线监测保障手段也有了不同程度的提高。

1 管理现状

1.1 水工金属机构生产许可证管理

根据《中华人民共和国工业产品生产许可证管理条例》，原国家质量技术监督局于2001年10月10日颁布《水工金属结构产品生产许可证换(发)证实施细则》，并经2007年、2011年和2016年三次修订实施。2016版《水工金属结构产品生产许可证实施细则》规定，水工金属结构发证范围为水利水电工程上使用的产品；产品单元分为闸门、阀门、压力钢管和清污机四种，其中闸门单元包括平面闸门、拦污栅、人字闸门和弧形闸门四个品种，阀门单元包括球阀、蝶阀和锥形阀三个品种，压力钢管单元包括钢管、岔管和伸缩节三个品种，清污机单元包括回转式清污机和耙斗式清污机两个品种；闸门、阀门、压力钢管三个单元的产品规格为超大型、大型、中型和小型，清污机单元的规格仅有大型、中型和小型。

截至2018年5月底，水工金属结构产品共有获证企业407家，企业遍布全国(如图1所示)，生产企业较多的省份有江苏、河北、四川、云南、广东等。据统计，全行业2016年度产值约356亿元，其中小型企业(年产值5,000万元以下)约占50%，中型企业(年产值5,000万元至1亿元)约占14%，大型企业(年产值1亿元以上)约占36%[4]。

图1获证企业各省分布情况

目前，按照《国务院关于调整工业产品生产许可证管理目录和试行简化审批程序的规定》(国发〔2017〕34号)，水工金属结构是国家质检总局继续实施工业产品生产许可证管理的19类产品之一。根据最新行政审批改革精神，水工金属结构工业产品生产许可证将要被取消，具体行政许可取消后的事中事后监督管理措施正在商拟中。

1.2 水利工程启闭机事中事后监督管理

国务院于2017年9月29日下达《关于取消一批行政许可事项的决定》(国发〔2017〕46号)，水利部在2018年1月3日发布《关于取消水利工程启闭机使用许可证核发后加强事中事后监管的通知》(水建管〔2018〕1号)，决定取消水利部实施的“水利工程启闭机使用许可证核发”行政许可事项。取消该项行政审批后，国务院要求水利部应从“完善水利工程启闭机技术标准，明确质量标准和检测要求。建立健全水利工程启闭机‘双随机、一公开’抽查制度，加大对水利工程启闭机生产企业违法行为的处罚力度，加快信用体系建设，建立水利工程启闭机管理信息数据库，建立信息联动和联合惩戒机制。研究制定启闭机安装使用、确保水利工程安全运行的办法，明确使用单位的责任要求，包括要求启闭机在安装前须进行质量检测，合格后方可安装；完善启闭机安装后的试运行验收程序等。强化水利工程验收关，对启闭机运行与水利工程进行整体把关，确保水利工程质量安全”等方面加强事中事后监管工作。

按照国务院的相关要求，结合水行政管理工作实际，水利部及时开展了水利水电工程启闭机事中、事后监督管理政策研究工作，并分别于2017年和2018年实施了“水利工程启闭机事中、事后监管对策研究”和“水利工程产品质量监督”财政预算项目，研究制定了《水利水电工程启闭机事中事后监督检查“双随机一公开”工作实施细则》(草案)和《取消水利工程启闭机使用许可证核发行政审批后的事中事后监管措施》(草案)，提出了水利水电工程启闭机事中事后监管的方法和手段，并着手建立水利工程启闭机信息管理平台等数据库。

1.3 特种设备许可管理

根据《特种设备安全监察条例》，并经国务院批准，原国家质量监督检验检疫总局于2004年1月19日发布了《关于公布<特种设备目录>的通知》(国质检锅〔2004〕31号)，将水利水电工程中的电站桥式起重机、水电站门式起重机、电站门座起重机、缆索起重机和升船机1个种类4个类别5个品种的起重机械纳入特种设备目录管理。

经国务院批准，原国家质量监督检验检疫总局于2014年10月30日发布《关于修订<特种设备目录>的公告》(2014年第114号)，并于2014年12月29日发布《关于实施新修订的<特种设备目录>若干问题的意见》(国质检特〔2014〕679号)，明确了新目录与原目录中特种设备的类别和品种名称变化的对应关系，指出了新目录中桥式起重机类别的通用桥式起重机品种、门式起重机类别的通用门式起重机品种和门座式起重机类别的门座起重机品种分别合并了原目录的电站桥式起重机品种、水电站门式起重机品种和电站门座起重机品种；缆索起重机类别修订为缆索式起重机类别，不再细分品种；在新目录升降机类别中删除了升船机品种。

2 技术标准制定修订状况

水利部于2014年发布了新版《水利技术标准体系表》，共收录了788项水利技术标准[5]，其中水工金属结构技术标准在原51项的基础上合并修订为34项。自新版《水利技术标准体系表》发布至今，水利部已对原水工金属结构技术标准进行了大量的合并修订工作。目前，已完成合并修订并正式发布的有《水工金属结构焊接通用技术条件》(SL 36—2016)、《水工金属结构声发射检测技术规程》(SL 751—2017)和《水工金属结构振动时效及效果评定》(SL 749—2017)等；正在合并修订的有《水工钢闸门和启闭机安全运行规程》、《水工金属结构制造安装质量检验通则》、《水工金属结构安全检测与评价技术规程》、《水工金属结构T形接头角焊缝和组合焊缝超声检测方法和质量分级》和《水工金属结构残余应力测试方法》等。

按照水利技术标准制定修订规划，新《水工金属结构焊接通用技术条件》合并了原拟制的《水利工程高强钢焊接技术规程》部分内容，新《水工金属结构振动时效及效果评定》合并了原《水工金属结构振动时效效果评定方法》和《水工金属结构振动时效工艺参数选择及技术要求》，新《水工钢闸门和启闭机安全运行规程》将合并原《水工金属结构报废标准》的部分内容，新《水工金属结构制造安装质量检验通则》将合并原《水工金属结构三维坐标测量技术规程》，新《水工金属结构安全检测与评价技术规程》将合并原制定的《水工金属结构振动测试技术规程》和《水工金属结构应力测试技术规程》、原拟制的《水工金属结构原型观测技术规程》和《水利工程启闭机安全监控系统技术规范》以及原《水工金属结构报废标准》的部分内容；新《水工金属结构残余应力测试方法》将合并原《钻孔应变法测量残余应力的标准测试方法》、《水工金属结构残余应力测试方法-X射线衍射法》和《水工金属结构残余应力测试方法—磁弹法》。

3 检测技术进展

3.1 检测分类

水工金属结构检测的分类方法很多，按照检测目的，水工金属结构检测可简单分为行政许可检测、出厂检测、安全检测和专项检测四类。由于专项检测的目的、范围和依据各不相同，本文不再赘述。

3.1.1 行政许可检测

行政许可检测是指在实施水工金属结构行政审批过程中，负责检验的专业机构及其工作人员按照法律、法规、规章以及标准、技术规范的规定开展的工作。水工金属结构行政许可检测的依据为《水工金属结构产品生产许可证实施细则》以及该细则规定的产品标准和相关标准。

需要指出的是，按照《水工金属结构产品生产许可证实施细则》的规定，水工金属结构闸门单元的产品标准为《水利水电工程钢闸门制造、安装及验收规范》GB/T 14173—2008，阀门单元的产品标准为《大中型水轮机进水阀门基本技术条件》(GB/T 14478—2012)和《锥形阀参数、型式与技术条件》(SL 498—2010)，压力钢管单元的产品标准为《水电水利工程压力钢管制作安装及验收规范》(GB 50766—2012)、《水利工程压力钢管制造安装及验收规范》(SL 432—2008)和《金属波纹管膨胀节通用技术条件》(GB/T 12777—2008)，清污机单元的产品标准为《水利水电工程清污机型式基本参数技术条件》(SL 382—2007)。

3.1.2 出厂检测

出厂检测包括制造质量检测和安装质量检测。制造质量检测是指产品在出厂之前，为保证出货产品满足客户品质要求所进行的检验。同理，安装质量检测是指产品在安装完成后，投入使用前，为保证安装质量满足客户品质要求所进行的检验。出厂检测的依据是合同文件和产品标准。

虽然在实施工地安装质量检测的同时可检验部分制造质量检测项目，但由于工地现场条件的限制，以及产品制造安装的工序要求，部分检测项目在安装工况时不具备复现性，所以，水工金属结构的制造质量检测和工地安装质量检测是两个独立的检验阶段，不可混淆。

3.1.3 安全检测

安全检测是指利用仪器设备，对在役设备进行检验或测定，判别其运行状态的活动。当前，水工金属结构安全检测的主要依据有《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》(SL 101—2014或DL/T 835—2003)和《压力钢管安全检测技术规程》(DL/T 709—1999)以及特定工程使用的《三峡船闸设施安全检测技术规程》(JTS 196—5—2009)等技术标准规范。

3.2 检测技术进展

近年来，水工金属结构的检测仪器向着高精度、智能化、快速敏捷及实用化的方向飞速发展，在材料检测、几何尺寸与形位公差检测、无损检测、应力检测和振动检测等方面的检测技术手段有了极大提高。

3.2.1 材料检测

如果材料质量不符合要求，可能会造成水工金属结构构件的过早失效，将会带来严重的工程事故。作为制造质量控制的一个关键环节，生产前对原材料进行检测是非常必要的。材料检测涉及对材料的力学性能试验、化学成分分析、金相分析、无损探伤和环境模拟测试等方面的内容。

材料的力学性能是指材料在不同环境下，承受各种外加载荷时所表现出的力学特征，常见的力学性能试验有拉伸、冲击、弯曲、布、洛、维硬度、耐磨、疲劳等。材料的化学元素种类和配比的不同直接决定了材料是否能通过后续的处理而达到要求，常见的化学成分分析有电感耦合等离子体发光光谱分析、直读光谱分析、手工化学分析等。材料的金相分析包括各种相的组成及分布、相关的铸造和焊接缺陷等，常用的分析设备有体视显微镜和金相显微镜等。无损探伤是检验原材料完整性的必备手段，是避免不合格的原材料用到工程的最有效手段之一，常见的检测项目有视觉和光学检测、X射线检查、磁粉探伤、超声检测、渗透检测等。环境模拟测试主要是通过加快暴露周期或模仿环境条件，按照潜在寿命、外观、相关应力、材料相互作用等来评估材料的反应，常见的有盐雾试验、循环试验、耐候性试验等。

3.2.2 几何尺寸与形位公差检测

正确检测几何形状与形位公差的特征值，是正确描述水工金属机构表面状态的基本方法依据，也是衡量水工金属结构制造安装质量的最基本指标之一。随着我国高坝大库的不断兴建，水工金属结构制造安装水平的不断提高[6]，其几何尺寸与形位公差的检测难度也越来越大。

水工金属结构的几何尺寸与形位公差检测，已从传统的钢卷尺、千分尺和百分表等，逐步过渡到基于坐标和图像技术，面向任务的高精度、自动化测量的三维坐标测量技术发展。三维坐标测量技术首先将检测对象的各种几何元素的测量转化为对这些元素的点集坐标位置的测量，在测得这些点集的坐标位置后，再由软件按一定的评定准则算出这些几何元素的尺寸、形状、相对位置等[7]。这一工作原理，使三维坐标测量技术具有很强的通用性与灵活性，从原理上说，它可以测量任何工件的任何几何元素的任何参数。三维坐标测量技术在水工金属机构制造安装、原型观测、故障诊断和变形测量中有着广泛的应用，如新疆雅玛渡电站压力钢管变形测量、蜀河电站闸门原型观测试验变形测量等。目前，成熟的三维坐标测量仪器有工业大尺寸三坐标测量系统、便携式三维摄影测量系统、大尺度激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统和高精度三坐标测量机、关节臂测量系统等。

3.2.3 无损检测

无损检测是指在不损害或不影响被测对象使用性能，不伤害被检测对象内部组织的前提下，对试件内部缺陷和表面缺陷进行检查和测试的方法。常见的无损检测方法有目视检测(VT)、超声波检测(UT)、射线检测(RT)、磁粉检测(MT)、渗透检测(PT)、涡流检测(ECT)、声发射检测(AE)、超声波衍射时差法(TOFD)、相控阵检测(PAUT)和导波检测等。

VT主要用于材料表面缺陷和焊缝外观质量检测。四大常规检测中的UT、RT适用于内部缺陷检测，MT和PT适用于表面缺陷检测。ECT不需与被测物直接接触，可进行导电材料表面和近表面缺陷的高速自动化检测。AE主要用于检测在用设备的缺陷发展情况，已被广泛应用于水利水电工程压力钢(岔)管的水压试验安全监控。TOFD的检测图像直观、缺陷检出能力极强，有逐渐取代RT的趋势。PAUT解决了立体、厚板和复杂结构焊缝检验的难题，是目前对形状不规则的T、K、Y型焊缝检测的最好手段。导波检测利用机械应力波沿着延伸结构传播的特性，可对规则管道进行快速高效的检查，已成功应用于云南漫湾电站技术供水管道检查。

3.2.4 腐蚀检测

腐蚀检测是指以检测金属损失为目的的在役设备的安全检测，可以了解水工金属结构在工作环境中受到的损伤情况，评价现有腐蚀防护措施的效果，预测其使用寿命，以期在发生严重问题前检测出缺陷和损伤的基本方法。腐蚀检测常用的检测项目为金属的蚀余厚度。

近年来，对水利水电工程压力钢管，已逐步采用漏磁技术和超声波技术研发的腐蚀检测器进行管道安全检测，可高效检测出压力钢管的腐蚀坑、应力腐蚀裂纹、疲劳裂纹等损伤的尺寸和位置。智能化高分辨率的漏磁和超声波腐蚀检测器除了准确性、可靠性高以外，还可区别压力钢管管壁的内外缺损。

3.2.5 应力检测

应力检测分为残余应力测试和工作应力测试。残余应力是指构件在制造过程中残留在构件内的作用与影响。工作应力是指构件在工作时，由荷载引起的应力。

残余应力的测试方法分为有损和无损两大类。有损测试方法指应力释放法，也称为机械的方法，主要有盲孔法、环芯法和压痕法等，应用最成熟的是盲孔法；无损测试方法指物理的方法，主要有X射线衍射法、中子衍射法、磁性法和超声法等；X射线衍射法由于理论完善，对被测对象无损伤，测试精度较高，并且可重复测量，近年来已被广泛应用于水工金属结构尤其是对表面缺陷特别敏感的高强钢的残余应力测试。

工作应力的测试方法主要有应变片电测法、光纤Bragg光栅测试法、光弹性法和双目立体视觉测量方法等。根据水利水电工程的特点，并且为降低或消除导线电阻、接触电阻等带来的应变测试误差，水工金属结构的工作应力测试多采用防水三线电阻四线接法的应变片电测法。

3.2.6 振动检测

水工金属机构的振动检测分为动力特性测试和动力响应分析。动力特性测试主要包括自振频率、阻尼系数和振型等基本参数的测试，动力响应分析是指对结构在动载荷作用下所引起的结构运动、变形和应力进行的分析。

动力特性测试获得结构的自振频率、阻尼系数和振型等参数，可为安全运行提供参数依据。动力特性测试方法多采用人工激振法和环境随机振动法。人工激振法又分为自由振动法和强迫振动法。由于水工金属结构在工作位置不易实现自由振动，故多采用强迫振动法，即采用机械装置作为激振器，对其实现周期型的变谐振动，产生强迫振动，获得共振时的基频、高阶频率和振型，以及计算阻尼比。

动力响应分析获得结构的动应力变化规律和振幅、频率、加速度等参数，可为合理选择运行方式、避开激流影响造成的水流脉动高能区、实现安全操作管理等提供技术依据。由于水工金属结构的结构参数、工作水头等边界条件不尽相同，动力响应的函数特征也不相同，因此，对每一个位置类型的水工金属结构动力响应分析的结果和判定结论会存在差异，但现场测试的技术路线和研究分析的思路是一致的，即在运行过程中，采用振动传感器，对其构件的振动特性进行测试，查找振源，确定振动量级，评估运行的安全性[8]。

4 实时在线监测技术进展

据统计，在病险水库大坝和水电站的不安全问题中，水工金属结构的问题占比达40%，在病险水闸中占比更高达76.7%。水工金属结构的故障问题主要有腐蚀、应力超标、振动问题、焊缝问题、启闭力问题等，影响其安全运行的因素主要有运行环境、结构应力、动力响应、运行姿态、门槽水力学参数、启闭机运行状态、运行操作管理人员素质等等。针对以上影响水工金属结构安全运行的关键性因素，如果没有合适的装备来采集数据进行分析，对存在的安全隐患不能及时发现，则会严重影响水利水电工程的运行安全。所以，应用成熟的科学技术手段和理论与实践相结合的技术路线，建立水工金属结构设备实时在线监测及运行安全管理系统，可减轻水利水电工程给人们“如临深渊，如履薄冰”的担忧，做到“有测报、有预警、有对策、有保障”，真正实现水利水电工程建设、运行管理的“百年大计、万无一失”安全目标。

由水利部水工金属结构质量检验测试中心自主研发并获得国家专利的金属结构设备实时在线监测及运行安全管理系统已在多个工程成功应用，该系统首次实现了对水工金属结构主要构件的受力状态、动力响应、运行姿态、门槽水力学参数、启闭机运行状态和环境参数的综合在线监测，并对其可靠性和安全性进行实时在线评估以及安全预警，填补了水工金属结构实时在线监测的空白，必将极大提高我国水工金属结构的安全运行管理水平。

5 结 语

水工金属机构虽然在水利水电工程建设投资中所占比重并不大，但其设备的可靠性、安全性往往是工程安全运行的决定因素，其运行质量直接关系到水利水电工程建筑物和下游城镇的安危，关系到水利水电工程综合效益的发挥，关系到库区人民群众生命财产安全和社会稳定。水工金属结构的行政审批制度随着我国行政体制改革必将发生较大变化，日益需要行业自律组织发挥充分作用。并且，随着高坝大库的建设与发展，大量的结构复杂的水工金属结构投入运行，使用条件也日趋复杂，水工金属结构的技术标准和检测技术等保障手段也需要不同程度的提高。

参考文献：

[1] 水工金属结构术语:SL 543—2011[S].北京:中国水利水电出版社, 2012.

[2] 国家质量监督检验检疫总局.水工金属结构产品生产许可证实施细则:XK07-001[Z].2016-09-30.

[3] 中华人民共和国水利部.水利工程启闭机使用许可管理办法:水利部部长令第41号[Z].2010-10-10.

[4] 朱文珍,王岩峰.标准化在基于工业产品生产许可证管理的水工金属结构产品中的运用[J].标准科学,2017(12):126-129.

[5] 汪 露,李建国,朱泰峰,等.中国水利学会标准的发展与思考[J].水利技术监督,2017(6):2-3.

[6] 王正中,张雪才,刘计良.大型水工钢闸门的研究进展及发展趋势[J].水力发电学报,2017,36(10):1-18.

[7] 胡木生,杨志泽,张 兵,等.蜀河水电站弧形闸门原型观测试验研究[J].水力发电学报,2016,35(2):90-100.

[8] 金晓华.水工金属结构安全检测综述[J].大坝与安全,2016(3):39-43.