龔莊子進水閘金屬結構安全檢測及評估

劉明杰 苗圃 劉伯宇 王偉臣 楊若雪

摘??要：水閘的金屬結構安全會影響水閘的運行安全。京密引水渠龔莊子進水閘已投入運行六十余年，其金屬結構必然會產生一定程度的銹蝕和變形等病害。為了確保龔莊子進水閘的安全運行，需要掌握其金屬結構存在的不足從而做出應對措施。該研究使用了多種技術方法對龔莊子進水閘的金屬結構進行檢測，然后綜合檢測結果，評估了金屬結構的安全狀況，為水閘的安全運行及管理提供技術依據。

關鍵詞：龔莊子進水閘??金屬結構??安全檢測??安全評估

中圖分類號：??TV7????????????文獻標識碼：?A

Safety?Testing?and?Evaluation?of?Metal?Structure?of?the?Gongzhuangzi?Intake?Sluice

LIU?Mingjie??MIAO?Pu??LIU?Boyu??WANG?Weichen??YANG?Ruoxue

（Beijing?Jingmi?Water?Diversion?Management?Office，?Beijing，101400?China）

Abstract：?The?safety?of?metal?structure?of?the?sluice?will?affect?the?safe?operation?of?the?sluice.?The?Gongzhuangzi?intake?sluice?of?Jingmi?Aqueduct?has?been?running?for?more?than?60?years，?and?its?metal?structure?inevitably?exists?a?certain?degree?of?corrosion，?deformation?and?other?diseases.?In?order?to?ensure?the?safe?operation?of?the?Gongzhuangzi?intake?sluice，?it?is?necessary?to?grasp?the?shortcomings?of?its?metal structure?and?take?corresponding?measures.?This?study?uses?a?variety?of?technical?methods?to?detect?metal?structure?of?the?Gongzhuangzi?intake?sluice，?an?then?synthesizes?detection?results?to?evaluate?the?safety?status?of?metal?structure，?so?as?to?provide?technical?basis?for?the?safe?operation?and?management?of?the?sluice.

Key?Words：?Gongzhuangzi?intake?sluice;?Metal?structure;?Safety?testing;?Safety?evaluation

龔莊子進水閘位于京密引水渠首，1961年建成。龔莊子進水閘共2孔，每孔設有寬2.5?m，高4?m的平板鋼閘門，設計流量為70?m3/s。閘室基礎為巖石基礎，閘室底板高程86.00?m。機架橋上設有單層啟閉機機房，機房內布置有2臺螺桿式啟閉機，無遠程控制系統，啟閉機具備手搖操作啟閉功能。龔莊子進水閘工程主要擔任龔莊子水庫與京密引水渠之間調節水位、控制流量的任務，自投入運行至今，已發揮出了重要作用。由于運行時間較長，其金屬結構難免會產生問題與缺陷。為確保龔莊子進水閘持續安全運行，依據現行規范[1]，開展了金屬結構安全檢測。

1??檢測內容和方法

（1）閘門外觀檢測：主要對象包括閘門主體以及閘門各構件。

（2）閘門腐蝕量檢測：采用超聲波測厚儀進行測量，操作效率高，結果精準[2][3]。利用相機等工具對銹蝕程度嚴重的部位做好記錄。

（3）閘門材料檢測：采用綜合分析法[4]。在不影響設備正常安全運行的情況下，取少量試樣進行試驗，分析材料的化學成分，同時通過檢測材料硬度來確定材料的抗拉強度，結合兩項檢測結果進行分析，從而判定材料的牌號。

（4）焊縫無損探傷：使用LG600型探傷儀對設備的主要受力焊縫內部質量進行超聲波檢測，分析檢測結果，鑒定焊縫內部是否存在超標缺陷。

（5）閘門結構復核計算：按第4強度理論對工作閘門進行強度、剛度校核，使用三維CAD軟件完成分析目標的幾何模型構建，利用有限元法進行復核計算。

（6）啟閉機啟閉力檢測：采用動態信號測試系統進行閘門啟閉力檢測，判斷是否滿足啟閉機額定荷載的要求。

（7）啟閉機運行狀況檢測：檢測啟閉機結構是否完整，以及主要零部件有無缺陷。

2??檢測結果

2.1??閘門外觀檢測

閘門外觀檢測主要檢查閘門門體及其構件是否產生妨礙閘門安全運行的問題。現場檢測結果顯示：目前龔莊子進水閘閘門結構完整，門體及主要構件未見變形、損傷等異常狀況，門槽及附近混凝土未見明顯空蝕、淘空等現象；閘門啟閉過程中運行平穩未見異常；閘門防腐涂層基本完整有效。目前閘門主要構件存在整體輕微腐蝕現象，其中閘門主梁腹板腐蝕較重，有密集成片的蝕坑。

2.2??閘門腐蝕量檢測

腐蝕量檢測對象為1#工作閘門主要構件。檢測發現：主梁腹板嚴重銹蝕，最大蝕坑深度2.0～3.0?mm，蝕坑密集成片已無法計數；邊梁腹板嚴重銹蝕，最大蝕坑深度1.0?mm，?300?mm×300?mm范圍內的蝕坑數量小于30；主梁構件已有一定程度的削弱。檢測結果列于表1。

2.3??閘門材料檢測

由于歷史的原因，無法從竣工資料中獲取龔莊子進水閘工作閘門的材料牌號，因此需要通過材料檢測來分析材料的化學成分，鑒別材料牌號。選取1#工作閘門左側縱梁腹板進行取樣。取得試樣后，先清理試樣表面，去除污垢、附著物、銹蝕等影響化驗結果的雜物，然后進行化驗，化學成分測試結果列于表2。

根據表2所列數據可知：閘門左側縱梁腹板的化學成分與碳素結構鋼Q235B完全符合。可以確定，閘門主要構件所使用的材料為碳素結構鋼Q235B。

2.4??閘門焊縫無損探傷

超聲波探傷為抽檢項目，不同類型焊縫的抽檢比例應不得少于規程規定的抽檢比例。以龔莊子進水閘1#工作閘門為檢測對象。檢測部位：主梁腹板與邊梁腹板組合焊縫，面板對接焊縫。焊縫超聲波探傷結果表明：閘門所有受檢焊縫均未發現有超標缺陷及裂紋缺陷存在。典型工作閘門焊縫超聲波探傷結果圖3所示。

2.5??閘門安全復核計算

閘門復核計算按第4強度理論對工作閘門進行強度、剛度校核，采用有限元法，使用三維CAD軟件完成分析目標的幾何模型構建。以1#工作閘門為復核對象，閘門形式為潛孔式平面定輪閘門，孔口尺寸（寬×高）為2.5?m×4.0?m，設計水頭7?m，閘門自重4?000?kg，閘門結構材料為A3鋼。龔莊子進水閘1#工作閘門復核計算結果見表3，等效應力云圖及水流下游方向位移云圖分別如圖4、圖5所示。

龔莊子進水閘工作閘門核計算結果表明：主要構件結構強度、結構剛度的安全裕度較大，閘門結構是安全的。因主梁腹板存在多處較深蝕坑，構件強度降低，其應力富裕度小于50%，建議對其加強觀測。進水閘工作閘門計算的啟門力小于閘門起升設備的額定容量，能夠依靠閘門自重閉門，因閘門啟閉機為螺桿式啟閉機，不存在無法閉門的情況，龔莊子進水閘工作閘門運行是安全的[5-6]。

2.6??啟閉力檢測

啟閉力檢測對象為1#工作閘門。檢測工況如下：閘門前實時水位6.7?m，閘門后無水，閘門在全閉狀態下布置應變片并連接動態信號測試系統發送端，測試時閘門由全閉提升250?mm后回落至閉門，整個過程中由動態信號測試系統記錄應變（應力）的變化值。

檢測結果如圖6所示：測點在啟門狀態下，測試數據最大值11.73?MPa，經計算得螺桿啟閉機最大啟門力為74.6?kN。因此，在實測水位（6.7?m）下，閘門實測最大啟門力（74.6?kN），小于啟閉機的額定容量（100?kN），滿足啟門要求，且閘門能依靠自重關閉。

2.7??啟閉機安全檢測

現場檢測結果表明，啟閉機結構完整，主要零部件未見損傷、變形等影響啟閉機安全運行的缺陷，閘門啟閉過程中，啟閉機運行平穩未見異常。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：如圖7所示，1#及2#螺桿啟閉機機箱無潤滑油液面觀察窗，建議增設；如圖8所示，1#及2#螺桿啟閉機控制面板上無急停按鈕，建議增設；1#螺桿啟閉機下限位設置不正確，閘門閉門至下限位停機時，閘門仍未完全關閉，需要人工操作才可完全閉門，建議對下限位重新設置[7-10]。

3??結語

采用多種技術方法對龔莊子進水閘金屬結構進行了綜合檢測以及相關的復核計算，結果顯示：閘門結構完整，腐蝕情況較為嚴重；閘門主要構件成分為碳素結構鋼Q235B；閘門主要焊縫內部質量超聲波無損探傷抽檢合格；啟閉機容量可以保證閘門正常啟閉；啟閉機結構完整，運行平穩。依據相關的規范，結合對閘門金屬結構安全檢測成果的分析，認為龔莊子進水閘工作閘門及啟閉機可以繼續安全使用。

龔莊子進水閘金屬結構安全檢測結果基本滿足標準要求，雖然具有一定的質量缺陷，但是整座水閘依然能夠正常安全地運行。此次檢測成果可為確保進水閘安全運行提供科學依據。

參考文獻

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[5]?中國水利水電研究院.水利水電工程鋼閘門設計規范：SL74-2019.[S].北京：中國水利水電出版社，2019．

[6]?中國水利水電研究院.水利水電工程啟閉機設計規范：SL41-2018.[S].北京：中國水利水電出版社，2018．

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