某水利工程鑄鐵閘門失效事故原因淺析

王穎　古小七　林立旗　張懷仁

摘? 要：鑄鐵閘門在水利工程特別是低水頭涵閘工程及中小孔口高水頭等不易檢修的部位的閘門應用越發廣泛。然而因鑄鐵閘門失效影響水利工程安全運行的事故時有發生，本文以某鑄鐵閘門失效事故為例，結合該鑄鐵閘門原材料的力學性能檢驗與有限元計算分析，試圖找出發生該事故的原因，并為鑄鐵閘門產品質量管理提出解決方案。

關鍵詞：鑄鐵閘門? 閘門失效? 力學性能測試? 有限元分析

中圖分類號：TV663? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）06（c）-0015-05

Abstract： Cast iron gate is more and more widely used in hydraulic engineering， especially in low head culvert gate engineering and high head of small and medium orifices. However， the accidents that affect the safe operation of hydraulic engineering due to the failure of cast iron gate occur from time to time. Taking the failure accident of a cast iron gate as an example， combined with the mechanical property inspection and finite element calculation analysis of the raw materials of the cast iron gate， this paper attempts to find out the cause of the accident and put forward a solution for the product quality management of cast iron gate.

Key Words： Cast iron gate; Gate failure; Mechanics performance test; Finite element analysis

與水工金屬結構鋼閘門相比，鑄鐵閘門結構形狀設計制造簡單，且具有良好的耐腐蝕性、安裝簡單、使用壽命長、日常維護簡單等優點，尤其適用于渠系涵閘等建筑物的小型閘門和孔口尺寸較小的水庫涵洞閘門等中小型水利工程，隨著我國鋼鐵工業的發展和機械加工能力的提升，鑄鐵閘門在水利工程特別是在低水頭涵閘工程中得到廣泛應用，中小孔口高水頭等不易檢修的閘門采用鑄鐵閘門的情況也呈大幅上升趨勢[1-4]。2018年9月30日以前，水工金屬結構產品包括鋼閘門、壓力鋼管、閥門、清污機4種型式產品一直實行生產許可管理[5-6]，鑄鐵閘門由于多方面因素并未納入生產許可管理，其產品質量保障手段更依賴于生產廠家自覺與市場篩選。

近年來，水利工程中鑄鐵閘門失效事故時有發生，2016年新疆某水庫鑄鐵閘門春季閘門檢修后，在加水過程中閘門失效，經潛水員下水勘察發現檢修閘門門葉破損裂為3塊;2020年7月20日安徽某蓄（行）洪區在蓄洪量超過7.7億m3啟動分洪時某涵閘鑄鐵閘門破損，在大堤背后形成直徑約十余米的漩渦，洪水外溢對行蓄洪區外的防洪安全構成嚴重威脅（如圖1、圖2所示），數千名村民緊急撤離。

鑄鐵閘門雖然更多地在低水頭水利工程尤其是涵閘工程中應用較多，但關鍵部位的鑄鐵閘門失效也會造成巨大的經濟損失，甚至危及周圍人民群眾的生命財產安全。隨著國家對工程質量安全的重視，愈發重視鑄鐵閘門在水利工程中的質量。本文以2020年安徽某涵閘鑄鐵閘門破損事故為例，結合閘門材料力學性能試驗與閘門結構有限元計算，分析鑄鐵閘門失效原因，為其他相關工程提供借鑒。

1? 失效鑄鐵閘門力學性能檢驗成果

鑄鐵閘門原材料是否合格是鑄鐵閘門性能指標的根本，材料力學性能是指材料在常溫、靜載作用下的宏觀力學性能，是確定各種工程設計參數的主要依據[7]。為獲得鑄造該閘門原材料實際的力學性能指標，對該閘門殘留部分材料進行抗拉強度等檢驗。

該鑄鐵閘門尺寸為2.2m×2m，閘門為整體澆注而成，鑄鐵閘門門板結構材料為灰鑄鐵，材料為HT200，面板實測厚度最薄位置和最厚位置分別為29.5mm、34.0mm。鑄件本體預期抗拉強度要求為不低于155 MPa（GB/T 9439-2010《灰鑄鐵件》），經對該鑄鐵閘門門板材料力學性能檢測，其抗拉強度檢測結果為136MPa;鑄件布氏硬度要求為150～230 HBW（GB/T 9439-2010《灰鑄鐵件》），該鑄鐵閘門檢測結果為127 HBW，檢測結果表1。

由此可見該鑄鐵閘門門板材料力學性能檢測結果不滿足《灰鑄鐵件》標準要求（GB/T 9439-2010），鑄鐵閘門材質不符合標準規定，不能保證正常工作狀況下閘門的運行安全。

2? 失效鑄鐵閘門有限元計算分析成果

水利工程安全評價中，水工閘門等金屬結構的受力分析是重要的一個環節，由于使用鑄鐵閘門的水利工程規模通常為中小型工程，其結構受力分析往往被忽略[8]，有限元計算方法與傳統結構應力檢測方法相比優勢明顯，在水利工程設備安全評價領域也得到了越來越多的應用，其原理是把連續的整體結構劃分為有限數量的單元體，將單元富有代表性的點（一般為端點）設置為結點，從而使得相鄰單元具有連續性，構成一個整體來代替原有的連續型結構[9-13]。為深入探索該鑄鐵閘門破損失效原因，通過建立失效閘門的三維有限元模型進行復核計算，詳細了解該閘門在正常工作狀況下各部位的受力情況，為后續該工程及類似項目開展出險加固工作提供有力依據。

2.1 有限元計算系數選取

根據《水利水電工程鋼閘門設計規范》（SL74-2019）規定：

（1）大中型工程的工作閘門及重要的事故閘門調整系數為0.90～0.95;

（2）在較高水頭下經常局部開啟的大型閘門調整系數為0.85～0.90;

（3）規模巨大且在高水頭下操作而工作條件又特別復雜的工作閘門調整系數為0.80～0.85;上述系數不應連乘，特殊情況應另行考慮。

按照《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規程》（SL101-2014）其容許應力還應該考慮運行時間的影響，時間系數按照下列方式確定：

（1）運行時間不足10年的閘門、啟閉機，時間系數為1.00;

（2）中型工程的閘門和啟閉機運行10～20年、大型工程的閘門和啟閉機運行10～30年，時間系數為1.00～0.95;

（3）中型工程的閘門和啟閉機運行20年以上、大型工程的閘門和啟閉機運行30年以上時，時間系數為0.95～0.90。

綜上，該鑄鐵閘門調整系數取為0.9，時間系數取1.0，所以綜合許用應力調整系數取為0.9×1=0.9。因此閘門容許應力如表2所示。

2.2 荷載與工況分析

正常工作狀態，即閘門正常全關閉狀態，此狀態下主要考慮作用在閘門上的總水壓及閘門自重荷載。正常工作狀態工況：總水壓力+閘門結構自重。

（1）水壓載荷。水壓力作用在閘門面板的外表面上，水體密度取1000kg/m3，重力加速度取9.8m/s2，面板分布水壓力根據水頭按下式計算：

P=ρgh

式中：P為水壓，ρ為水體密度，g為重力加速度，h為水頭高度。

閘門水頭為12m。水壓力寬度范圍為面板寬度，最大底部壓力0.1176MPa，水壓采用Pressure中的變載荷進行施加，面板最上部水壓為最小值，面板下部水壓為最大值。

（2）自重載荷。在ANSYS Workbench中通過施加重力加速度來實現自重載荷施加。

2.3 有限元計算模型

失效鑄鐵閘門結構尺寸均依據其設計圖紙確定。閘門為整體澆注而成，主要結構材料為灰鑄鐵（鑄鐵閘門材料為HT200），彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，質量密度ρ=7850kg/m3。將該鑄鐵閘門三維模型在solidworks中建模并導入ANSYS Workbench離散，生成有限元計算模型，如圖3所示，采用有限元軟件ANSYS Workbench靜力學分析模塊進行結構有限元分析。計算主要選取了實體單元中的六面體單元（Solid186 element）進行網格劃分，對部分復雜及不規則結構選用實體單元中的四面體單元（Solid187 element）共生成71877個單元、123003個節點。

工作狀況下載荷考慮閘門自重、水壓，閘門安裝側面對閘門的位移約束（Displacement），約束水流反方向自由度和垂直水流向自由度（Y、X向）;閘門面板底部使用無摩擦約束（Z向），以模擬豎直方向的約束，其邊界條件如圖4所示。

2.4 整體受力情況分析

在約束邊界條件環境下，采用ANSYS對閘門整體結構進行有限元計算結果分別如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，閘門整體結構等效應力絕大部分區域在79.31MPa以下，最大等效應力值為89.22MPa，發生在下主橫梁與外邊梁連接處，其值小于HT200許用屈服強度180MPa，閘門整體結構的屈服強度滿足使用條件。閘門整體結構垂直水流向（X方向）正應力絕大部分區域在-80.30MPa到40.51MPa之間，閘門整體結構水流反向（Y方向）正應力絕大部分區域在-58.06MPa到28.75MPa之間，閘門整體結構豎直向（Z方向）正應力絕大部分區域在-83.17MPa到45.02MPa之間;3個方向最大壓應力是垂直水流向（X方向）應力為-114.81MPa，出現在下主橫梁與外邊梁連接處，其值小于閘門整體的抗壓容許應力135MPa，3個方向最大拉應力是水流反向（Y方向）應力為63.47 MPa，出現在閘門頂部靠中間處，其值大于閘門整體的抗拉容許應力40.5MPa（閘門整體應力情況見表3）。

由有限元計算可知，該鑄鐵閘門整體結構頂部靠中間處最大拉應力大于閘門整體的抗拉容許應力，因此閘門在運行過程中存在一定風險。

3? 結語

（1）在當前政府簡政放權的時代背景下，鑄鐵閘門產品質量保障手段更依賴于生產廠家自覺與市場篩選，會造成部分不良生產廠家在產品質量與生產廠家利潤之間更傾向于利潤最大化而枉顧產品質量，因此，要加強鑄鐵閘門產品的“第三方”出廠檢驗檢測，提高水利工程鑄鐵閘門設備的安全性與可靠性。

（2）關于鑄鐵閘門現行的標準依據主要包含《供水排水用鑄鐵閘門》（CJ/T 3006-1992）、《鑄鐵閘門技術條件》（SL 545-2011），用于水利工程的鑄鐵閘門設計及制造規范相對缺失，在水利工程應用中該產品主要是依靠類比或經驗總結進行設計與選型，管理部門應通過制定相應的設計原則及合理的性能指標是從工程建設源頭上保證產品質量有效的手段。

（3）鑄鐵件因種種因素影響易存在氣孔疏松等內部缺陷，水利工程鑄鐵閘門應在嚴格控制原材料的基礎上通過合理增加鑄鐵閘門面板截面尺寸、優化加筋板或隔板的設置等方式保證鑄鐵閘門的強度和剛度。

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