水工閘門密封性能及疲勞失效概率修正

孫曉輝，張連棟

(山東省德州市水利局，山東 德州 253000)

0 引 言

1949年以來，我國已建成水工鋼結構4 000×104t，其中水工鋼閘門500×104t。構筑物的安全運行對中國的水利水電工程起著重要作用，在某些情況下，甚至起著決定性的作用[1-2]。然而，大量水工鋼閘門的工作條件不容樂觀。在基礎設施中發現許多缺陷，包括腐蝕、過度應力斷裂、結構剛度降低和嚴重的運行振動。在進一步出現問題之前，應采取有效措施檢測結構缺陷及其潛在威脅。

為了維持高水頭水電站的發展，水頭和閘門尺寸應為相對尺寸。在這種情況下，水封裝置的操作和功能非常重要。如果閘門水封漏水，很可能導致閘門振動和閘門槽侵蝕。這可能會惡化閘門和水工建筑物的運行條件，從而破壞它們，并給日常維護帶來困難[3-4]。因此，本文的第一個目標是測試改進型水封結構的性能，包括頂部、側面和底部水封以及旋轉鉸鏈水封。通過試驗，將推薦合理的預設壓縮變形，并建議可供其他項目參考的位置。第二個目標是基于貝葉斯定理更新水工鋼閘門的疲勞可靠性評估。

1 模型材料與實驗準備

1.1 模型水封材料

本文以德州市丁東水庫東側水閘為例進行研究。在實驗中，水閘頂部、側面和底部水封由T444橡膠制成，旋轉鉸鏈水封由LD-19橡膠制成，側面和旋轉鉸鏈水封表面粘貼聚四氟乙烯。T444水封型號的每個部件都牢固黏合。黏結顯示，兩側的厚度不一致，相差約1～2 mm。底部水封的厚度和寬度也不一致，中間部分較厚且較寬(5～7 mm)，兩側為2 mm。側水封比所需長度長約20 mm。側水封上的聚四氟乙烯由三部分黏合，接頭中有5～9 m的間隙。

1.2 水封改造

密封機構的原始設計方案存在缺陷，主要問題是漏水，涉及旋轉鉸鏈水封、頂部和側面水封。此外，旋轉鉸鏈式水封的耐磨性能較差，分析其原因是水封在水壓作用下被壓碎。因此，沿壓縮力方向的有效壓縮變形相應減小，沿水封方向的接觸應力不足。為此，應采取必要措施限制沿非壓縮力方向的變形。根據前面提到的問題，對水封模型進行了如下修改。頂部水封背面鍍有鋼板，以限制變形，防止密封在壓力下破碎；頂部密封的壓盤加寬至80 mm；頂部密封的橡膠墊板在右側和左側分別延伸3 mm，使預設壓縮變形增加，以限制漏水；側密封的壓盤加寬至80 mm，以限制變形。

2 疲勞裂紋的概率特征

無損檢測(NDT)的目的是避免可能因疲勞裂紋而降低結構強度和完整性和/或其部件的檢測程序。在無損檢測中，對原始疲勞損傷模型進行測試，以收集實時數據，從而更新時變疲勞可靠性并指導維護策略，加強結構的安全性。一些學者使用超聲波檢測方法進行可靠性分析。由于測試環境、測試儀器結構、材料分散性以及導致無損檢測的敏感人工操作因素，無損檢測本身仍包含許多不確定因素，所以測量結果可能不理想。為了評估無損檢測模型的效果，考慮了其在確定裂紋檢測精度時具有高檢測概率(POD)和誤檢率(FDR)的能力參數。POD表示檢測到特定裂紋的概率，這對于無損檢測非常重要，POD值隨裂紋的擴展而增大。3種典型的POD曲線見圖1。

圖1 POD曲線模型

POD分布指數表示為：

POD(a)=(1-p)[1-exp(-ca)]

(1)

式中：c為由試驗數據得出的參數；p為關于a裂紋尺寸的置信參數，通常取0.01～0.05。

裂紋檢測精度反映了實際裂紋，其中裂紋檢測之間的差異大小由NDT參數的水平來表征。裂紋檢測誤差影響系統誤差和隨機誤差。許多學者討論了裂紋及其與檢測之間的關系，相應的線性回歸方程如下：

A=b0+b1Am+ε′

(2)

式中：A為實際裂紋尺寸；Am為試驗裂紋尺寸；b0和b1為線性回歸系數；ε′為剩余隨機誤差，其平均值為0。

如果確定了實際裂紋尺寸，則將通過線性回歸方法計算試驗裂紋：

Am=β0+β1A+ε

(3)

式中：β0和β1為回歸系數；ε為平均值為0的隨機變量的正態分布。

標準偏差用σε表示，其值將隨裂紋尺寸的變化而變化，它表明了無損檢測的準確性。如果σε值較小，則無損檢測的精度較高。當β0、β1和σε分別等于0、1和0時，測試裂紋尺寸Am等于實際裂紋尺寸A。

誤檢率(FDR)定義為疲勞裂紋損傷評估的完整部件占部件的百分比。錯誤的裂縫檢測將造成不必要的經濟損失，并可能遺漏真實裂縫，從而降低結構的安全性。FDR與試驗方法有關，一般來說，高性能裂紋檢測技術往往伴隨著較高的FDR。FDR可以通過在無裂紋的基礎設施上進行測試實驗獲得，計算模型如下：

POD(a)={1+exp[-(a+βa)]}-1

(4)

式中：a和β為實驗數據得到的參數。

錯誤檢查率(FDR)可表示為公式：

FOD=POD(0)=[1+exp(-a)]-1

(5)

通常，疲勞裂紋尺寸為a的檢測概率可表示為公式：

POD(a)=P(Am>0|A=a)

(6)

當考慮實際裂紋與檢測裂紋的關系時，將其替換為式(3)，則：

POD(a)=P(β0+β1a+ε>0)=P(ε<β0+β1a)

(7)

同樣，FDR可以表示為式：

FOD=P(Am>0|A=0)=P(β0+ε>0)=P(ε<β0)=POD(0)

(8)

如果隨機誤差ε屬于正態分布N(0，σs)，式(7)和式(8)可以寫為式(9)和式(10)：

(9)

(10)

3 既有水工鋼閘門疲勞可靠性更新評估

本文對德州市丁東水庫東側水閘主梁進行研究，該閘門于2004年制造。該閘門的主桁架梁見圖2。

圖2 鋼閘門主桁梁

斷裂力學分析結果表明，構件JP的剩余壽命較短。該組件是閘門最脆弱的部分。因此，選擇該構件(JP)進行水工鋼閘門的更新疲勞評估研究。選擇構件JP通過程序計算更新的可靠性指標β。構件的初始裂縫是兩年前發現的。現在通過檢測，現有裂紋長度Am為20.3 mm。β-T(時間)曲線見圖3。

圖3 裂紋長度的疲勞修正

圖3表明，疲勞可靠性試驗顯示出顯著變化。2、3和5年的疲勞可靠性指數分別從2.53增加到3.59、2.215增加到2.487、1.287增加到1.513。隨著時間的增加，檢查前更新的疲勞可靠性曲線接近可靠性曲線，曲線之間的差異趨于減小。可以看到，更新后的β-T曲線和目標可靠性，并相應地調整維護間隔組件。

從圖3可以看出，疲勞可靠性試驗呈現出顯著變化。兩年的疲勞可靠性指數從2.53增加到3.59。圖4為POD曲線模型，根據圖4計算，可將大裂紋視為泄漏的影響。另一種方法是通過計算考慮FDR效應。為了分析無損檢測精度對疲勞可靠性的影響，雙曲線POD模型在計算中考慮了多個參數。相應的曲線見圖5。

圖4 含未檢測裂紋的POD曲線

圖5 通過圖4中的POD曲線對未檢測到的裂紋進行疲勞更新

圖5表明，更新的可靠性指標增加了檢測到的裂紋數量，而更新的可靠性指標隨著參數c、p、a和β的變化而變化。表1為5種不同POD曲線的疲勞可靠性試驗。

表1 構件JP未檢測裂紋的更新疲勞

如果在第二年發現構件JP的裂紋，但這些裂紋的詳細尺寸未知，則此后每年的更新疲勞概率可以計算檢測后更新的可靠性指數β，相應的β-T曲線見圖6。

圖6 通過圖4中的POD曲線，利用檢測到的無尺寸裂紋進行疲勞更新

4 結 論

如果通過修改適當控制裝置的幾何尺寸，當頂部、底部和側面水封的壓縮變形分別為4、10和3～5 mm時，在85 m水頭以下，密封可以有效。水封的形狀、整體連接接頭和結構表明，經過本實驗中進行的修改后，水封的密封性能有所改善。必須嚴格控制水封的材料特性及其幾何尺寸，以獲得令人滿意的結果。在本實驗中，漏水量出現偏差，從而影響裂縫檢測精度。建議在安裝閘門和閘門槽后，側水封的預設壓縮變形應為3～5 mm，以便密封性能滿足設計指標。必須以均勻的力擰緊螺栓，因為頂部水封的底板是厚度為2 mm的橡膠板，這種技術可以避免在安裝頂部水封后形成粗糙表面。頂部水封底板左右兩側的長度應延長3 mm，以保持頂部水封底板接頭與側密封角之間的一定預設壓縮變形，可有效地限制該部件的漏水。研究表明，基于貝葉斯概率定理，可以將無損檢測結果有效地引入斷裂力學評價模型，可以更新裂紋擴展模型和參數。此外，本研究推薦的分析方法可改進疲勞耐久性和安全評估系統。