前柳林泄洪閘金屬結構安全檢測與評價

鄭 瀚，王俊鵬，張延潭，柴江飛，李乃浩，王曉東

（1.北京市京密引水管理處，北京，101400；2.中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京，100038；3.中國水利水電科學研究院水利部水工程建設與安全重點實驗室，北京，100038；4.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西西安，710065）

前柳林泄洪閘位于京密引水渠上，建成于1966年。前柳林泄洪閘閘室結構為開敞式，共計兩孔，閘門型式為平板鋼閘門，閘門寬2.5 m、高3.5 m。水閘設計流量30 m3/s，設計水位高程為50.42 m。泄洪閘閘室段長7 m，閘室底板高程47.51 m，閘室底板厚0.7 m，閘室下為分層夯實的黏性回填土。啟閉設備為2臺100 kN螺桿式啟閉機。

前柳林泄洪閘工程投入運行至今未進行過系統的檢測與安全評估。為確保前柳林泄洪閘安全運行，了解前柳林泄洪閘金屬結構存在的問題與缺陷，為后續金屬結構的修繕或更換提供科學依據，依據現行規范[1-2]，開展了金屬結構安全檢測。

1 檢測內容及方法

依據安全檢測現行規范，結合現場工作和室內試驗分析，開展了前柳林泄洪閘金屬結構及啟閉機的安全檢測，具體內容包括：

（1）閘門外觀檢測。主要對閘門門體、支承行走裝置、止水裝置、埋件、閘門平壓設備、閘門鎖定裝置、閘門吊耳、吊桿等進行檢測。

（2）閘門腐蝕量檢測。目前腐蝕檢測方法主要有差分盒維數法、圖像處理法、超聲波測厚儀法等[3-4]。腐蝕量檢測中，蝕余厚度指標至關重要。本次金屬構件蝕余厚度檢測主要采用超聲波測厚儀進行測量，操作簡便且精度較高[5]。對銹蝕嚴重部位采用拍照或攝像的方法進行記錄和描述。

（3）閘門材料檢測。本次閘門材料檢測采用綜合分析法[6]。綜合分析法是在設備的非受力部位鉆取屑樣或小塊試樣進行分析，確定材料的化學成分，同時測定材料硬度，并據此換算得到材料的抗拉強度，綜合分析兩項檢測結果，即可確定材料的牌號。

（4）閘門焊縫無損探傷。采用超聲探傷儀對金屬結構進行檢測，對閘體各種類型的焊縫、不同厚度的板材、鍛件、鑄件等進行無損探傷。超聲探傷儀能通過視波屏上顯示的反射傷波的波形、波高及水平位置，對傷部進行準確定位，分析傷的類型，定量判斷傷的規模、大小及深度[5]。

（5）啟閉機啟閉力檢測。閘門啟閉力檢測采用應變片法[7]。

（6）啟閉機運行狀況檢測。啟閉機運行狀況檢測主要對啟閉機運行噪音、制動器的制動性能、滑輪組的轉動靈活性、雙吊點啟閉機的同步偏差及控制設備和集中監控設備的運行可靠性進行檢測。

2 檢測結果

2.1 閘門外觀檢測

目前前柳林泄洪閘兩扇工作閘門總體狀況相似，閘門整體狀況完好。閘門構件涂層完整；閘門主要構件未見損傷變形；閘門吊耳裝置零部件齊全，連接完好；主輪支承裝置連接正常；止水裝置零部件齊全，連接牢靠；閘門門槽埋件和底檻埋件完好。目前閘門主要構件存在整體輕微腐蝕現象，門槽埋件底部20 cm范圍內腐蝕較重，有銹皮脫落現象。

圖1 閘門整體狀況Fig.1 General situation of the sluice gate

圖2 門槽導軌板腐蝕狀況Fig.2 Corrosion of the slot guide rail board of the sluice gate

2.2 閘門腐蝕量檢測

腐蝕檢測為抽檢項目，按規程[1]規定，抽取相應數量的閘門進行腐蝕狀況檢測。對左孔工作閘門主要構件進行腐蝕量檢測，共獲得檢測數據49個（每個檢測數據均為3個以上測點數據的平均值）。閘門主要構件腐蝕量頻數分布統計結果見表1，閘門主要構件腐蝕量和腐蝕速率的平均值（腐蝕速率的計算年限為20年）見表2。

表1 閘門主要腐蝕量頻數分布Table 1 Distribution of monitoring points of sluice gate reaching main corrosion degree

表2 左孔閘門主要構件腐蝕量和腐蝕速率平均值Table 2 Average corrosion amount and corrosion rate of main components of left sluice

由腐蝕量頻數分布統計可知：閘門腐蝕量主要為0.2～0.5 mm，頻數為87.8%。左孔閘門面板、主橫梁、縱（邊）梁、小橫梁平均腐蝕量分別為0.34 mm、0.32 mm、0.34 mm、0.38 mm，平均腐蝕速率為0.027～0.032 mm/a。左孔閘門總體平均腐蝕量為0.34 mm，平均腐蝕速率為0.028 mm/a。

2.3 閘門材料檢測

由于歷史原因，前柳林泄洪閘金屬結構所用材料牌號不清、性能不明，因此采用材料檢測確定水閘金屬結構材料的機械性能和化學成分，鑒別金屬結構材料牌號。選取閘門面板和邊梁后翼緣進行取樣。化驗試樣前，對試樣表面進行處理，清除試樣表面污垢、涂層、腐蝕等雜物，然后對試樣進行化驗，測試出試樣化學成分的百分含量，測試結果見表3。在進行試樣化學成分分析的基礎上，對閘門主要構件進行硬度檢測和抗拉強度換算。使用HLN-11A型里氏硬度計對閘門主要構件的硬度進行測試，求出10點硬度平均值，進而根據GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》的標準，換算出閘門主要構件的抗拉強度。閘門主要構件材料10點硬度平均值及材料抗拉強度換算值結果詳見表4。

表3 試樣化學成分測試結果Table 3 Percentage of chemical components of the sample

表4 閘門主要構件硬度測定及抗拉強度換算結果Table 4 Hardness and converted tensile strength of main components of sluice gate

根據材料檢測數據，對照GB/T 700-2006《碳素結構鋼》中的鋼材化學成分及抗拉強度，可知：閘門試樣面板和邊梁后翼緣的化學成分與碳素結構鋼Q235基本符合。閘門主要構件的硬度和抗拉強度與碳素結構鋼Q235相吻合。綜合試樣材料化學成分分析、硬度及抗拉強度的檢測結果，可以確定閘門主要構件使用的材料為碳素結構鋼Q235。

2.4 閘門焊縫無損探傷

超聲波探傷為抽檢項目，按規程規定的比例進行抽檢。不同類型焊縫的抽檢比例不得少于規程規定的抽檢比例。對于抽檢的檢測單元，根據閘門受力狀況和焊縫類別，選定閘門主橫梁、邊梁、面板為探傷構件。對于一、二類焊縫，如主橫梁腹板與后翼緣板組合焊縫等，進行超聲波探傷檢測，焊縫探傷比例為：一類焊縫約90%，二類焊縫約80%。泄洪閘工作閘門焊縫無損探傷結果表明：閘門面板和閘門邊梁腹板與后翼緣板間的組合焊縫均存在局部未焊透的制造缺陷，但未焊透深度均未超過GB/T 14173規范規定的深度，允許存在，無需處理。典型工作閘門焊縫超聲波探傷結果見表5。此外，閘門所有受檢焊縫均未發現裂紋缺陷。

表5 泄洪閘工作閘門焊縫超聲波探傷結果Table 5 Results of flaw detection of welds of spillway sluice gate by ultrasonic method

2.5 啟閉力檢測

本次啟閉力檢測是在閘門上游水位49.33 m、下游無水、閘門作用水頭2.08 m（底檻高程47.25 m）的工況下進行的。采用啟閉力測試系統進行閘門啟閉力檢測。通過布置在傳動軸上的電阻應變片獲取信號，測得傳動軸的剪切應變，推算得到閘門在實測水位下的啟閉力。

表6 實測最大（最小）應變值和對應啟閉力Table 6 Measured maximum(minimum)strain value and corresponding hoisting capacity

檢測結果表明：在實測水位（49.33 m）下，閘門實測最大啟門力為30.6 kN，小于啟閉機的額定容量（100 kN）；閘門實測最小閉門力為-9.0 kN，閘門能依靠自重關閉。

2.6 啟閉機安全檢測

現場檢測結果表明，啟閉機設備布設規范，動力線和控制信號線布設規范，運行管理制度健全，運行控制系統控制功能設置健全，設備維護保養狀況良好。經現場檢測運行，啟閉機運行狀況總體良好。但啟閉設備仍存在一些問題，如：啟閉機無過負荷保護裝置和螺桿抗壓安全保護裝置，兩臺啟閉機螺桿普遍存在壓彎變形現象；啟閉機排架工作平臺空間狹窄，運行維護操作不方便；地面至啟閉機平臺爬梯、旋梯存在銹蝕現象；啟閉機螺桿上閘門吊點至螺紋終止線之間的光桿部分銹蝕現象明顯。

圖3 啟閉機螺桿壓彎狀況Fig.3 Bend hoist screw

圖4 螺桿光桿銹蝕狀況Fig.4 Corrosion of polished rod of screw

3 結語

在工程現狀調查的基礎上，采用多種檢測手段對前柳林泄洪閘金屬結構開展了綜合的現場檢測和室內試驗，對閘門外觀、閘門腐蝕情況、金屬材料、焊縫的傷病情況、啟閉機的運行情況等內容開展了檢測分析。

根據閘門安全檢測及復核計算結果，分析認為前柳林泄洪閘工作閘門可以繼續安全使用；根據啟閉機安全檢測結果，分析認為前柳林泄洪閘工作門啟閉機可以繼續安全使用。綜上所述，前柳林泄洪閘金屬結構基本滿足標準要求，雖存在一定質量缺陷，但尚不影響整座水閘正常運行。本項檢測結果可為消除工程安全隱患、確保泄洪閘安全運行提供科學支撐。