白山水电站水工钢闸门及启闭机安全检测与分析

李大伟，马建军，师小小，王兴隆

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021；2.丰满大坝重建工程建设局，吉林 吉林 132113）

1 工程概况

白山水电站座落在吉林省桦甸市红石镇白山社区，距吉林市约250 km，是一座以发电为主，兼有防洪、养殖等综合效益的大型水电工程。白山水电站坝址以上控制流域面积19 000 km2，多年平均流量227 m3/s，水库为不完全多年调节水库，水库总库容59.10×108m3，调节库容29.42×108m3，防洪库容4.53×108m3，担负着东北电力系统的调峰、调频和事故备用任务。

白山水电站枢纽布置主要由拦河坝、河床坝段泄洪建筑物、一期全地下厂房、二期引水隧洞及地面厂房；开关站等建筑物组成。泄洪建筑物为4个堰顶溢流孔（高孔）和3个深泄水孔（深孔），孔口尺寸分别为12 m×13 m（宽×高）、6 m×7 m（宽×高），高孔、深孔相间布置。工程已投入运行30多年，由于工程管理单位的精心维护和保养，金属结构设备一直运行正常，未发生重大安全事故。为掌握水工金属结构设备的运行性态，确保工程运行安全，结合大坝安全定期检查，对水工金属结构的安全状况进行评价，为主管部门决策提供科学依据。

2 检测项目及内容

根据规范的相关规定，结合白山水电站金属结构实际运行情况，对钢闸门和启闭机着重进行了以下6项检测和分析[1]：

1）闸门外观检测。外观检测以目测为主，配合使用量测工具，对闸门的外观形态和锈蚀状况进行检查，外观形态检查主要是检查闸门整体及主要构件的折断、损伤和局部明显变形情况。

2）闸门锈蚀量检测。根据闸门主要构件的锈蚀程度和锈蚀部位，锈蚀量检测分别采用数字超声波测厚仪、改制的游标卡尺和涂层厚度测定仪等量测仪器和工具进行。

3）闸门焊缝超声波探伤。超声波探伤采用EPOCH2300型超声波探伤仪进行，距离—波幅曲线利用CSK-ⅢA试块实测。

4）闸门材料检测。进行材料检测可以确定结构材料的机械性能和化学成分，鉴别材料牌号。

5）启闭机检测。启闭机检测主要是对启闭机的现状、运行状况和电气参数进行检测。通过检测，发现启闭机运行中存在的问题，提出有效改进措施，确保启闭机的安全运行。

6）闸门启闭力检测与计算分析。启闭力检测主要采用动态信号测试系统，检测状态应尽可能接近设计状态，若无法做到，则应根据实测结果进行分析计算，最终获得设计水位下闸门的启闭力。

3 检测方法及结果分析[2]

3.1 闸门外观检测

通过对坝体15号、17号和19号坝段设置的3扇潜孔式弧形钢闸门进行外观检测，发现主要问题有：闸门构件涂层基本完整，但构件表面分布有老锈坑，局部区域老锈坑密集或连接成片，锈蚀严重。闸门主要构件锈蚀位置及锈蚀程度具体状况如下：

①闸门面板局部区域存在密集的老锈坑，最大锈蚀坑深约2.5 mm。②闸门下横梁后翼缘局部区域老锈坑，最大锈蚀坑深约3 mm，上横梁和中横梁存在分散的老锈坑，锈蚀坑深1～2 mm。③闸门支臂的老锈坑主要分布在距横梁后翼缘约220 cm范围内的下支臂上，锈蚀坑深1～4 mm。④闸门主纵梁的老锈坑主要分布距下横梁约150 cm的一段范围内，锈蚀坑深1～3 mm。⑤闸门小纵梁和边梁局部区域存在密集老锈坑，锈蚀坑深1～3 mm。⑥闸门下横梁与撑杆之间联接板存在严重锈蚀，表面老锈坑密密麻麻，锈蚀坑深约4 mm。⑦闸门埋件表面锈坑密集，锈蚀坑深2～4 mm。

3.2 闸门锈蚀量检测

对15号坝段深孔工作闸门进行锈蚀量检测，共获得检测数据114个（每个检测数据均为3个以上测点数据的平均值），数值分布见表1，频数分布见图1。

表1 闸门锈蚀量频数分布

通过采用涂层测厚仪、深度游标卡尺和超声波测厚仪等工具，结合统计图标，对锈蚀坑深数据统计与分析如下：

图1 闸门锈蚀量频数分布

1）闸门锈蚀量主要位于0.4～1.3 mm之间，其频数为85.9%。

2）面板、横梁、主纵梁、小纵梁、支臂平均锈蚀量分别为0.99，0.95，0.89，0.85，0.92 mm，标准差分别为0.35，0.38，0.29，0.26，0.33 mm，平均锈蚀速率分别为0.024～0.028 mm/a。

3）闸门总体平均锈蚀量为0.92 mm，标准差为0.32 mm，总体平均锈蚀速率为0.026 mm/a。

4）闸门面板、横梁、主纵梁、小纵梁、支臂局部区域锈蚀严重部位的平均锈蚀量分别为2.0，2.5，2.5，2，3.5 mm，锈蚀速率为0.056～0.097 mm/a。

3.3 闸门焊缝超声波探伤

选择15号坝段深孔工作闸门进行焊缝超声波探伤，根据闸门受力状况和焊缝类别，选定闸门主纵梁、横梁、面板、支臂和吊耳板为探伤构件，见图2，探伤报告见表2。

3.4 闸门材料检测

3.4.1 材料化学成分分析

为减小材料检测对闸门结构的影响，根据现场取样条件，材料化学成分分析试样取自15号坝段闸门的横梁后翼缘和纵梁后翼缘，测试结果见表3。

3.4.2 材料抗拉强度检测

为了确定试样材料的牌号，在试样化学成分分析的基础上，还需要对闸门主要构件材料的抗拉强度进行检测。闸门主要构件材料的抗拉强度使用HLN—11A型里氏硬度计进行检测，仪器将硬度测试值自动转换成相应的抗拉强度值。

闸门材料抗拉强度检测是对闸门主要构件进行多个部位进行检测，每个构件材料抗拉强度值取多个测点的平均值。闸门主要构件材料的抗拉强度测试结果列于表4。

3.5 启闭机检测

图2 位置分布

表2 闸门焊缝超声波探伤报告

表3 试样化学成分测试结果

表4 闸门主要构件抗拉强度 MPa

泄洪深孔共3孔（位于坝体15号、17号和19号坝段），工作闸门启闭机为3台额定启闭力2 000 kN/800 kN单吊点液压启闭机，控制3扇工作闸门的启闭操作。启闭机主要由油泵—电机组、控制阀组、溢流阀组、压力表计、油箱、液位计、液压管路、液压缸、活塞杆、开度装置、机架以及电气控制柜等组成。

3.5.1 外观及运行状况检测

启闭机运行管理制度健全，设备运行维护保养状况良好；启闭机液压控制系统及其附属设施完整，配电系统及操作运行控制系统齐全，操作运行控制功能正常；压力表计动作灵敏、准确。启闭机液压缸、活塞杆、油管及其联接部位外观状况良好，无变形、损伤、锈蚀以及泄漏现象。

通过检测发现，启闭机外观及运行状况主要存在以下问题：

1）启闭机设备无铭牌。

2）19号启闭机开度装置外罩缺失。

3.5.2 电气参数检测

对3台启闭液压控制系统电动机的绝缘电阻进行检测，检测结果列于表5；在空载状况下，结合启闭力检测对15号坝段启闭机液压控制系统电动机的电流、电压、温升进行检测；启闭机电动机三相电流检测结果及三相电流不平衡度计算结果列于表6；电动机三相电压流检测结果及三相电压不平衡度计算结果列于表7；电动机及柱塞泵温升检测结果列于表8。

表5 电动机绝缘电阻MΩ

表6 电动机电流A

表7 电动机电压V

表8 电动机温升 ℃

根据表5～8所列检测数据可知：

1）3台启闭机液压控制系统的6台电动机绝缘电阻值均为500 ΜΩ，电动机绝缘电阻均满足安全运行要求。

2）15号启闭机2台电动机三相电流最大值为51.2 A，最小值为48.7 A，三相电流不平衡度最大值为1.6%。2台电动机三相电流及三相电流不平衡度均满足安全运行要求。

3）15号启闭机2台电动机三相电压最大值为375 V，最小值为374 V，三相电压不平衡度均为0.2%。2台电动机三相电压及三相电压不平衡度均满足安全运行要求。

4）15号启闭机2台电动机温升分别为5℃，3℃，均满足安全运行要求。

3.6 启闭力检测与计算分析

3.6.1 检测设备

在闸门启闭过程中，闸门启闭力是不断变化的。根据闸门启闭力的这一特性，采用动态信号测试系统进行闸门启闭力检测。动态信号测试系统由信号传感元件、动态信号采集分析系统及笔记本微机组成。

3.6.2 检测工况

对15号坝段闸门进行启闭力检测。检测时，闸门上、下游无水，闸门处于空载状况。

3.6.3 检测成果计算与分析

闸门全关时检测系统调零。检测时，闸门由全关开启到约6.0 m开度，停一段时间，再到全关为一个检测过程。检测过程重复进行2次，检测数据与检测曲线重复性较好。

根据实测最大（最小）应变值，可以得到实测最大启门力和最小闭门力，列于表9；实测应变过程曲线如图3。

表9 实测最大（最小）应变值和对应启闭力

图3 闸门实测应变过程曲线

根据表中数据可知：

1）在实测工况下，闸门实测最大启门力为1 412.4 kN，小于启闭机的额定容量2000 kN；闸门实测最小闭门力为-990.1 N，闸门能依靠自重关闭。

2）实测启闭力曲线平顺正常，没有明显的突变，表明闸门启闭过程平稳，无卡阻，闸门支铰运转正常。

4 安全评价及建议

1）深孔3扇工作闸门状况基本相似，闸门整体状况完好，主要构件未见损伤变形；闸门涂层基本完整，但闸门主要构件局部区域老锈坑密集，锈蚀严重；闸门支臂与主纵梁之间连接完好，未见异常；闸门主要构件焊缝超声波探伤未发现超标和裂纹缺陷；闸门吊耳装置零部件齐全，连接牢靠；闸门支铰运转正常；闸门止水装置完好，闸门不漏水。闸门复核计算结果表明，闸门主要构件的强度和刚度基本满足规范要求，局部连接部位出现极小范围应力集中，导致应力超标，从设计角度看并不影响正常使用。

根据闸门复核计算结果和检测成果进行综合分析，深孔工作闸门可继续使用，建议局部补强加固满足安全运行要求。

2）启闭机运行管理制度健全，设备运行维护保养状况良好；启闭机液压控制系统及其附属设施完整，配电系统及操作运行控制系统齐全，操作运行控制功能正常；压力表计动作灵敏、准确。启闭机液压缸、活塞杆、油管及其联接部位外观状况良好，无变形、损伤、锈蚀以及泄漏现象。实测启闭力曲线平顺正常，没有明显的突变，表明闸门启闭过程平稳，无卡阻，闸门支铰运转正常。据此分析和推算，在设计水位下，闸门最大启闭力小于启闭机额定容量；启闭机电动机的绝缘电阻、电压、电流及温升均满足安全运行要求。

根据现场检测成果综合分析，启闭机没有影响安全运行的重大隐患，可以继续使用。