(上饒市科信水利水電勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司，江西 上饒 334000)

1 弧式鋼閘門(mén)銹蝕影響研究述要

弧式鋼閘門(mén)，最大的應(yīng)力一般均產(chǎn)生于面板單元。對(duì)于弧式鋼閘門(mén)的安全狀態(tài)來(lái)說(shuō)，面板銹蝕更具有安全威脅性，因此，對(duì)于面板銹蝕影響的研究，確定閘門(mén)銹蝕敏感部位分布規(guī)律，學(xué)術(shù)界和工程部門(mén)一直高度重視并開(kāi)展技術(shù)研究，以為工作閘門(mén)的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、檢測(cè)和維護(hù)提供技術(shù)依據(jù)。

金屬接觸水和氧，導(dǎo)致了銹蝕的發(fā)生和發(fā)展，其化學(xué)方程式負(fù)極描述為Fe-2e=Fe2+，正極描述為2H2O+O2+4e=4OH-。正常水位的上下部分，是閘門(mén)金屬經(jīng)常與氧和水頻繁接觸的部位，這是金屬閘門(mén)主要的易銹蝕部位。在這個(gè)范圍間，閘門(mén)銹蝕度遠(yuǎn)較閘門(mén)其他部位要高。顯然，對(duì)閘門(mén)的銹蝕情況采用平均銹蝕方法開(kāi)展模擬是不夠合理的。

對(duì)弧式鋼閘門(mén)的局部銹蝕影響，有學(xué)者近來(lái)作了系列細(xì)觀研究，得出的結(jié)論是不能忽略閘門(mén)銹蝕對(duì)閘門(mén)內(nèi)力分布狀態(tài)的影響。有學(xué)者嘗試改變單元厚度以模擬閘門(mén)銹蝕的深度，使閘門(mén)銹蝕模擬合理了許多，但該研究在支臂、縱梁和主橫梁各取一組單元，分別對(duì)應(yīng)研究各單元對(duì)所在系統(tǒng)應(yīng)力的影響，相對(duì)而言忽略了面板銹蝕的影響。本文專題開(kāi)展弧式鋼閘門(mén)銹蝕影響有限元模擬及分析研究，通過(guò)銹蝕敏感部位云圖計(jì)算及分布、銹蝕影響下的面板最大應(yīng)力單元所在列的應(yīng)力曲線分布以及基于銹蝕深度變化的閘門(mén)面板應(yīng)力演化規(guī)律，探究水工弧式鋼閘門(mén)銹蝕影響規(guī)律。

學(xué)術(shù)上，銹蝕被劃分為5類程度(見(jiàn)下表)。

銹蝕劃分一覽表

本文取2mm銹蝕深度對(duì)閘門(mén)銹蝕區(qū)域開(kāi)展模擬計(jì)算和分析。

2 弧式鋼閘門(mén)面板銹蝕建模

本文對(duì)馬尾水庫(kù)泄洪洞弧式鋼閘門(mén)，借助ANSYS系統(tǒng)，開(kāi)展銹蝕有限元分析研究。該水庫(kù)死水位120.00m，主壩底高程為100.40m。其底檻高程為98.90m，高4.50m。在維修期和非泄洪期，上游面面板長(zhǎng)期泡在水中。經(jīng)多年運(yùn)行，此閘門(mén)的密封性能已大為降低，上角和底部面板已經(jīng)輕微漏水。

該閘系潛孔型弧式結(jié)構(gòu)，高4.50m，寬4.00m，面板厚度為16mm，面板外弧面半徑為9.00m。為加強(qiáng)整體剛度，采用了實(shí)腹式降低和等高連接梁。Q235鋼材結(jié)構(gòu)，彈性模量2.06MPa，泊松比0.3。以有無(wú)肋加勁的兩個(gè)型類分別求解計(jì)算，考慮了材料以及幾何的非線性因素。

由上至下均勻地把面板劃分為三塊，以區(qū)域面模擬銹蝕面積，所處的位置便是模擬銹蝕的部位。面板網(wǎng)格共24行9列單元，區(qū)域1系1～8行所有單元，區(qū)域2系9～16行所有單元，區(qū)域3系17～24行所有單元(見(jiàn)圖1)。

圖1 面板銹蝕分析網(wǎng)格模型

3 閘門(mén)面板銹蝕敏感部位分布計(jì)算及分析

3.1 銹蝕敏感部位云圖計(jì)算及分布

以2mm為本研究選取的銹蝕深度，分別對(duì)三個(gè)銹蝕模擬區(qū)進(jìn)行計(jì)算，得到銹蝕閘門(mén)整體應(yīng)力模擬云圖(見(jiàn)圖2～圖4)。

圖2 閘門(mén)1區(qū)域銹蝕整體應(yīng)力云圖

圖3 閘門(mén)2區(qū)域銹蝕整體應(yīng)力云圖

圖4 閘門(mén)3區(qū)域銹蝕整體應(yīng)力云圖

比較圖2～圖4可以看到，閘門(mén)最大等效應(yīng)力的發(fā)生部位并沒(méi)有因?yàn)殇P蝕區(qū)域的不同而發(fā)生改變，銹蝕區(qū)域僅影響和改變著閘門(mén)應(yīng)力的大小。

3.2 最大應(yīng)力單元列的應(yīng)力分布

針對(duì)最大應(yīng)力單元列，繪制對(duì)應(yīng)的應(yīng)力曲線?；阡P蝕影響的最大應(yīng)力單元列對(duì)應(yīng)的應(yīng)力曲線見(jiàn)圖5。

圖5 最大應(yīng)力單元列的應(yīng)力曲線

分析圖5可以看到，模型的1區(qū)域，達(dá)到185.90MPa最大應(yīng)力值，對(duì)比沒(méi)有銹蝕的狀態(tài)，有了24%的應(yīng)力值提高，此已然超出了該弧式閘門(mén)的設(shè)計(jì)容許應(yīng)力范圍，此狀態(tài)下如果銹蝕得不到控制而繼續(xù)加大，閘門(mén)毀損隨時(shí)有可能發(fā)生，而模型2、3區(qū)域，對(duì)應(yīng)應(yīng)力值均仍低于設(shè)計(jì)容許應(yīng)力，可見(jiàn)銹蝕對(duì)最大應(yīng)力基本不發(fā)生影響；在3區(qū)域，4～16行存在應(yīng)力銹蝕改變，在2區(qū)域17～21行、4～8行發(fā)生了單元應(yīng)力銹蝕改變，在1區(qū)域9～22行，出現(xiàn)小幅單元應(yīng)力銹蝕波動(dòng)，這意味銹蝕區(qū)對(duì)非銹蝕區(qū)存在有一定量的應(yīng)力影響；單元應(yīng)力也可能對(duì)應(yīng)減小，不是所有對(duì)應(yīng)單元都一定應(yīng)力增大，如在3區(qū)域，對(duì)應(yīng)降低在第24行發(fā)生了，如1區(qū)域，對(duì)應(yīng)降低在第8行和第6行發(fā)生了，意味銹蝕可以在局部集中應(yīng)力，引起應(yīng)力重分布。

三個(gè)區(qū)域弧式鋼閘門(mén)在銹蝕以后的應(yīng)力對(duì)比結(jié)果表明：模型1區(qū)域?qū)儆谠摶∈戒撻l門(mén)較為敏感的銹蝕發(fā)生區(qū)域，如果在沒(méi)有銹蝕狀態(tài)下，該模型閘門(mén)之最大應(yīng)力單元，位于模型1區(qū)域范圍中，其等效應(yīng)力單元之應(yīng)力儲(chǔ)備是很小的，不過(guò)此時(shí)尚滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度規(guī)范要求，但在2mm銹蝕發(fā)生以后，就變得不能滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度規(guī)范要求了，而模型2區(qū)域和模型3區(qū)域在沒(méi)有發(fā)生銹蝕時(shí)，該閘門(mén)的單元應(yīng)力都較小，單元本身的應(yīng)力儲(chǔ)備依然很大，哪怕銹蝕深度繼續(xù)有所加大，其應(yīng)力值范圍仍可以滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。因此，在銹蝕未發(fā)生時(shí)，這些等效應(yīng)力較大的部位便是銹蝕敏感的部位。

3.3 基于銹蝕深度變化的弧式鋼閘門(mén)面板應(yīng)力演化規(guī)律

因?yàn)樵撻l門(mén)的最大應(yīng)力單元位于1區(qū)域中，故在不同銹蝕程度下，對(duì)1區(qū)域的銹蝕狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，繪制基于銹蝕深度演化的最大應(yīng)力變化曲線(見(jiàn)圖6)。

圖6 基于銹蝕深度演化的最大應(yīng)力變化曲線

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，1區(qū)域在銹蝕未達(dá)4mm時(shí)，隨著銹蝕深度加大，閘門(mén)最大應(yīng)力呈線性增長(zhǎng)狀態(tài)，1區(qū)域銹蝕達(dá)4mm時(shí)，最大閘門(mén)應(yīng)力接近了鋼材的屈服強(qiáng)度，當(dāng)1區(qū)域銹蝕達(dá)5mm時(shí)，最大閘門(mén)應(yīng)力值達(dá)235MPa，這是此弧式鋼閘門(mén)面板的最大應(yīng)力區(qū)域范圍，已處于屈服狀態(tài)。

4 結(jié) 論

本文借助ANSYS系統(tǒng)，針對(duì)馬尾水庫(kù)泄洪洞弧式鋼閘門(mén)，圍繞銹蝕敏感部位云圖計(jì)算及分布、銹蝕影響下的面板最大應(yīng)力單元所在列的應(yīng)力曲線分布以及基于銹蝕深度變化的閘門(mén)面板應(yīng)力演化規(guī)律，開(kāi)展弧式鋼閘門(mén)銹蝕影響有限元模擬及分析研究。

主要結(jié)論：在弧式鋼閘門(mén)還沒(méi)發(fā)生有銹蝕的情況下，銹蝕的敏感部位往往是等效應(yīng)力較大的部位，因此在定期檢測(cè)弧式鋼閘門(mén)時(shí)，應(yīng)先檢測(cè)等效應(yīng)力較大的部位；閘門(mén)發(fā)生銹蝕后，隨著銹蝕深度加大，其最大應(yīng)力值基本呈線性增加趨勢(shì)，當(dāng)達(dá)到一定程度的銹蝕深度時(shí)，應(yīng)力較大的面板區(qū)域極有可能進(jìn)入塑性狀態(tài)；銹蝕影響閘門(mén)的應(yīng)力狀態(tài)是客觀存在的，發(fā)現(xiàn)銹蝕后，必須及時(shí)維護(hù)和處理，控制銹蝕繼續(xù)發(fā)展，防止閘門(mén)發(fā)生超強(qiáng)度破壞。