淺淡大型弧形閘門支鉸地腳螺栓材質(zhì)的選用

【摘 要】 水電站大型弧形閘門運(yùn)行期間，受力工況較復(fù)雜，支鉸為弧形閘門傳力關(guān)鍵部位，弧形閘門承受的水壓力通過門葉傳到支臂再傳到支鉸，最后通過支鉸將力傳到牛腿，支鉸與牛腿通過支鉸地腳螺栓連接固定。所以支鉸地腳螺栓材料的選用甚為重要，既要考慮到螺栓的受力要求，還要兼顧材料本身的特性。本文闡述了支鉸地腳螺栓材質(zhì)選用的實(shí)例，并進(jìn)一步分析了兩種常用材料的選用原則。

【關(guān)鍵詞】 大型弧形閘門 支鉸地腳螺栓 材質(zhì) 選用原則

一、引言

水電站大型弧形閘門運(yùn)行期間，閘門有局部開啟要求，有些水電站還存在前后有水和淹沒出流工況，受力工況較復(fù)雜。支鉸為弧形閘門傳力關(guān)鍵部位，弧形閘門承受的水壓力通過門葉傳到支臂再傳到支鉸，最后通過支鉸將力傳到牛腿，支鉸與牛腿通過支鉸地腳螺栓連接固定。

支鉸地腳螺栓材料的選用既要考慮到螺栓的受力要求，還要兼顧材料本身的特性。

二、支鉸地腳螺栓材質(zhì)的選擇

弧形閘門在擋水及啟閉等工況下（如圖1），支鉸地腳螺栓主要承受以下荷載：

1） 框架支鉸的側(cè)推力產(chǎn)生的剪應(yīng)力及彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

2） 由支鉸反力平等于底板的分力產(chǎn)生的剪應(yīng)力及彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

3） 由支鉸摩阻力矩產(chǎn)生的剪力及彎矩產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

上述受力荷載為低速重載，支鉸地腳螺栓要滿足拉剪應(yīng)力共同作用的強(qiáng)度。材料的選用上，從材料的化學(xué)成分、機(jī)械力學(xué)性能、焊接性能等幾個(gè)方面綜合考慮。（如圖1）

根據(jù)所接觸的弧形閘門工程實(shí)例，一般選擇的材質(zhì)為16Mn（Q345B＼C），如堵河小漩水電站工程泄水閘弧形工作閘門（閘門尺寸15m*15m，單重177t）支鉸地腳螺栓，只標(biāo)明了材質(zhì)為16Mn；有的設(shè)計(jì)圖紙只標(biāo)明了地腳螺栓的強(qiáng)度要求，如潘口水電樞紐工程溢洪道弧形閘門（閘門尺寸20m*20m，單重260T）地腳螺栓要求8.8級(jí)，此強(qiáng)度一般使用40Cr合金鋼調(diào)質(zhì)處理，有的設(shè)計(jì)既標(biāo)明了材質(zhì)也標(biāo)明了強(qiáng)度，如龍背灣水電站工程表孔弧形閘門（閘門尺寸12m*15m，單重160T）地腳螺栓要求強(qiáng)度6.8級(jí)以上，材質(zhì)Q345C。一般支鉸地腳螺栓材質(zhì)的選用主要為16Mn和40Cr。

三、16Mn和40Cr材料性能比較

3.1化學(xué)成分和性質(zhì)

3.1.1 16Mn化學(xué)成分

16Mn為低合金結(jié)構(gòu)鋼（現(xiàn)在的Q345鋼），屬于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。它具有良好的綜合力學(xué)性能、焊接性能及低溫沖擊韌性，冷沖壓及可切削性均好，但其缺口敏感性較碳鋼大，且易產(chǎn)生裂紋，故在加工時(shí)應(yīng)引起注意。

其化學(xué)成分如下表1：

3.1.2 40Cr化學(xué)成分

40Cr材料為合金鋼，屬于低淬透性調(diào)質(zhì)鋼，具有很高的強(qiáng)度，力學(xué)性能較優(yōu)，材料硬度高、脆性大，具有良好的綜合機(jī)械性能。

其化學(xué)成分如下表2：

鋼材的化學(xué)成分主要是鐵、碳、錳、硅等元素以及硫、磷等有害元素。隨著含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度和硬度隨之提高，而塑性和韌性卻不斷下降。錳和硅在鋼中是有益元素，它們可以提高鋼的強(qiáng)度，而使塑性降低不多，同時(shí)可以消除硫、氧引起的“熱脆”現(xiàn)象。

3.2機(jī)械力學(xué)性能

16Mn和40Cr材料機(jī)械及物理性能比較表見表3

上述表格對比可知，調(diào)質(zhì)后的40Cr的抗拉、屈服強(qiáng)度等均高于16Mn，但伸長率偏低，故用40Cr材質(zhì)做的地腳螺栓，有可能在處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)等諸多不利因數(shù)情況下，產(chǎn)生低應(yīng)力脆性斷裂。

3.3焊接性能

鋼材焊接性能的好壞主要取決于含碳量的多少，鋼中含碳量增加，淬硬傾向就增大，塑性則下降，容易產(chǎn)生焊接裂紋。通常，把金屬材料在焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的敏感性及焊接接頭區(qū)力學(xué)性能的變化作為評(píng)價(jià)材料可焊性的主要指標(biāo)。所以含碳量越高，可焊性越差。含碳量小于0.25%的低碳鋼和低合金鋼（如16Mn），塑性和沖擊韌性優(yōu)良，焊后的焊接接頭塑性和沖擊韌性也很好。焊接時(shí)不需要預(yù)熱和焊后熱處理，焊接過程普通簡便，因此具有良好的焊接性。隨著含碳量增加，大大增加焊接的裂紋傾向。16Mn含碳量比40Cr低，16Mn比40Cr焊接性能好，40Cr材料一般需在退火狀態(tài)下進(jìn)行焊接，還要采取保溫措施控制冷卻速度，焊后還應(yīng)進(jìn)行熱處理。

四、兩種材料做地腳螺栓

16Mn材料在“毛胚—車絲—表面處理（消除表面缺陷）”的工藝路線下，只能夠達(dá)到5.8級(jí)。在經(jīng)熱處理后最高達(dá)6.8級(jí)。

40Cr材料調(diào)質(zhì)后的螺栓強(qiáng)度最高可以達(dá)到9.8級(jí)。對高強(qiáng)度螺栓來說，滾壓螺紋是最好選擇。滾壓螺紋是一種無屑加工工藝，螺紋是靠毛坯表面塑性變形而成，這種加工工藝生產(chǎn)率高，精度可達(dá)到4h，表面粗糙度可達(dá)Ra0.2um，滾壓螺紋時(shí)，工件材料纖維不但未被切斷，反而得到進(jìn)一步強(qiáng)化，滾壓螺紋由于加工硬化及表面粗糙度底，還可提高疲勞強(qiáng)度，由于螺紋是擠壓成形的，滾壓螺紋的坯料直徑較切削螺紋的坯料直徑小，從而可節(jié)省16～25%。

40Cr材料調(diào)質(zhì)前后力學(xué)性能對比見表4

高強(qiáng)度螺栓和普通螺栓最大差別在于其抗拉強(qiáng)度大，表面硬度高，機(jī)械性能好，關(guān)鍵在于材料的選擇和熱處理的不同。高強(qiáng)度螺栓熱處理一般指調(diào)質(zhì)處理，即淬火+高溫回火。

五、結(jié)論

如設(shè)計(jì)要求支鉸地腳螺栓強(qiáng)度在6.8級(jí)以下，可選用16Mn材質(zhì)。如強(qiáng)度要求在8.8級(jí)以上，要選用40Cr材質(zhì)，但必須經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，且注意支鉸地腳螺栓與一期鋼筋焊接工藝，要采取保溫措施控制冷卻速度，焊后還應(yīng)進(jìn)行熱處理。但一般螺栓安裝現(xiàn)場無法做熱處理工作，即可在生產(chǎn)螺栓廠家完成普通鋼筋與40Cr地腳螺栓的等強(qiáng)焊接（搭接）及熱處理工作，在安裝現(xiàn)場只需將普通鋼筋與一期鋼筋按設(shè)計(jì)要求搭接焊接即可。