楊 梓 郝 鄴 王曉東

(1.北京市京密引水管理處，北京 101400；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，北京 100038；3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水利部水工程建設(shè)與安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100038)

安河泄洪閘位于京密引水渠下段，為2孔閘，閘門(mén)結(jié)構(gòu)型式為平板鋼閘門(mén)。啟閉機(jī)為手、電兩用固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。閘門(mén)設(shè)計(jì)流量30m3/s，校核流量為60m3/s，設(shè)計(jì)水位為49.50m。閘室范圍地基為砂礫石，安河泄洪閘地震基本烈度為Ⅷ度。安河泄洪閘工程，建成于1966年，已投入運(yùn)行54年，至今未進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的檢測(cè)與安全評(píng)估。為確保安河泄洪閘安全運(yùn)行，了解安河泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)存在的問(wèn)題與缺陷，為后續(xù)金屬結(jié)構(gòu)的修繕或更換提供科學(xué)依據(jù)，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范[1]，開(kāi)展了金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)。

1 檢測(cè)內(nèi)容及方法選擇

1.1 閘門(mén)外觀檢測(cè)

主要對(duì)閘門(mén)門(mén)體、支承行走裝置、止水裝置、埋件、閘門(mén)平壓設(shè)備、閘門(mén)鎖定裝置、閘門(mén)吊耳和吊桿等進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 閘門(mén)腐蝕量檢測(cè)

對(duì)金屬構(gòu)件蝕余厚度檢測(cè)主要采用VT-6型數(shù)字式超聲波測(cè)厚儀或者卡尺類專用工具，其操作簡(jiǎn)便且精度較高[2]，對(duì)銹蝕嚴(yán)重部位采用拍照或攝像的方法進(jìn)行記錄和描述。

1.3 閘門(mén)材料檢測(cè)

采用綜合分析方法對(duì)閘門(mén)進(jìn)行材料檢測(cè)，在設(shè)備的非受力部位鉆取屑樣或小塊試樣進(jìn)行分析，確定材料的化學(xué)成分，同時(shí)測(cè)定材料硬度，并據(jù)此換算得到材料的抗拉強(qiáng)度，通過(guò)綜合分析兩項(xiàng)檢測(cè)成果，即可確定材料的牌號(hào)。

1.4 閘門(mén)焊縫無(wú)損探傷

利用UTX-Q7型超聲探傷儀進(jìn)行無(wú)損探傷，對(duì)損傷部位進(jìn)行準(zhǔn)確定位，分析損傷的類型，定量判斷損傷的規(guī)模、大小及深度[3]。

1.5 啟閉力檢測(cè)

采用CRAS啟閉力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行閘門(mén)啟閉力檢測(cè)。通過(guò)布置在傳動(dòng)軸上的電阻應(yīng)變片獲取信號(hào)，測(cè)得傳動(dòng)軸的剪切應(yīng)變，經(jīng)推算可得到閘門(mén)在實(shí)測(cè)水位下的啟閉力。

1.6 啟閉機(jī)安全檢測(cè)

主要進(jìn)行機(jī)架檢測(cè)、制動(dòng)器檢測(cè)、減速器檢測(cè)、卷筒及開(kāi)式齒輪副檢測(cè)、傳動(dòng)軸及聯(lián)軸器檢測(cè)、滑輪組檢測(cè)、鋼絲繩檢測(cè)。

2 檢測(cè)結(jié)果分析

2.1 閘門(mén)外觀檢測(cè)

閘門(mén)外觀檢測(cè)主要對(duì)閘門(mén)門(mén)體以及閘門(mén)各個(gè)構(gòu)件等進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，安河泄洪閘兩扇工作閘門(mén)總體狀況相似，閘門(mén)整體狀況完好；閘門(mén)構(gòu)件涂層完整，閘門(mén)主要構(gòu)件未見(jiàn)損傷變形；閘門(mén)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(mén)門(mén)槽埋件和底檻埋件完好。工作閘門(mén)整體情況見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 閘門(mén)整體狀況

圖2 主要構(gòu)件腐蝕狀況

2.2 閘門(mén)腐蝕量檢測(cè)

水工鋼閘門(mén)極易發(fā)生腐蝕，進(jìn)而給水閘的安全運(yùn)行帶來(lái)巨大隱患[4-5]，因此，鋼閘門(mén)腐蝕檢測(cè)至關(guān)重要，其中蝕余厚度是主要檢測(cè)目標(biāo)[6-7]。本次檢測(cè)選取左孔工作閘門(mén)主要構(gòu)件進(jìn)行腐蝕量檢測(cè)，共獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)67個(gè)(見(jiàn)表1和表2)。

表1 閘門(mén)腐蝕量檢測(cè)結(jié)果(左孔閘門(mén))

表2 閘門(mén)主要構(gòu)件腐蝕量和腐蝕速率平均值(左孔閘門(mén))

檢測(cè)結(jié)果表明：閘門(mén)腐蝕量主要為0.3～0.6mm，頻數(shù)之和為83.6%(腐蝕量的頻數(shù)=該腐蝕量測(cè)點(diǎn)數(shù)/測(cè)點(diǎn)總數(shù))；閘門(mén)面板、主橫梁、縱(邊)梁、小橫梁平均腐蝕量為0.40～0.45mm，平均腐蝕速率(2001—2020年)為0.020～0.023mm/a；閘門(mén)總體平均腐蝕量為0.43mm，平均腐蝕速率為0.022mm/a。工作閘門(mén)腐蝕程度可評(píng)定為B級(jí)(一般腐蝕)。

2.3 閘門(mén)材料檢測(cè)

由于歷史原因，有些工程金屬結(jié)構(gòu)沒(méi)有材料出廠證明書(shū)和工程驗(yàn)收等資料，結(jié)構(gòu)所用材料牌號(hào)不清，性能不明。本項(xiàng)檢測(cè)選取閘門(mén)面板和邊梁后翼緣典型位置進(jìn)行取樣。清除試樣表面污垢、涂層、腐蝕等雜物后取樣進(jìn)行化驗(yàn)測(cè)試化學(xué)成分(檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3)；確定閘門(mén)材料牌號(hào)，還需以化學(xué)分析為基礎(chǔ)，進(jìn)行閘門(mén)主要構(gòu)件的硬度檢測(cè)和抗拉強(qiáng)度換算。本項(xiàng)檢測(cè)采用里氏硬度計(jì)對(duì)主要構(gòu)件的硬度進(jìn)行測(cè)試，求出10點(diǎn)硬度平均值，進(jìn)而根據(jù)金屬硬度及強(qiáng)度換算標(biāo)準(zhǔn)[8]，換算出閘門(mén)主要構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度(換算結(jié)果見(jiàn)表4)。

表3 試樣化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

表4 閘門(mén)主要構(gòu)件硬度測(cè)定及抗拉強(qiáng)度換算結(jié)果

通過(guò)與鋼材料標(biāo)準(zhǔn)中[9]的鋼材化學(xué)成分及抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比可以得出，閘門(mén)主要構(gòu)件的化學(xué)成分與碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235基本符合，主要構(gòu)件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。

2.4 閘門(mén)焊縫無(wú)損探傷

閘門(mén)焊縫質(zhì)量是整體閘門(mén)質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一個(gè)決定因素，也最終影響閘門(mén)的運(yùn)行和使用壽命，因此，對(duì)焊縫進(jìn)行探傷十分重要[3]。

本次檢測(cè)采用UTX-Q7型超聲波探傷儀，按規(guī)程規(guī)定的比例要求進(jìn)行抽檢。對(duì)于抽檢的檢測(cè)單元，根據(jù)閘門(mén)受力狀況和焊縫類別，選定閘門(mén)主橫梁、邊梁、面板為探傷構(gòu)件。接受超聲波探傷的焊縫為：主橫梁腹板與翼緣板組合焊縫、主橫梁腹板與邊梁腹板組合焊縫、主橫梁翼緣板與邊梁翼緣板對(duì)接焊縫、邊梁腹板與后翼緣板組合焊縫、邊梁腹板與面板組合焊縫、面板對(duì)接焊縫等。焊縫探傷比例為：一類焊縫約90%，二類焊縫約75%。典型的焊縫探傷結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 泄洪閘工作閘門(mén)焊縫超聲波探傷結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果表明，閘門(mén)所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷或裂紋缺陷存在。

2.5 啟閉力檢測(cè)

閘門(mén)啟閉過(guò)程中，閘門(mén)啟閉力是不斷變化的，根據(jù)閘門(mén)啟閉力的這一特性，本次采用動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行閘門(mén)啟閉力檢測(cè)。動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)由信號(hào)傳感器(電阻應(yīng)變片)、動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)及采集終端組成。

閘門(mén)啟閉力電阻應(yīng)變片布置在啟閉機(jī)減速器左、右側(cè)輸出軸上，分別布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。完整的測(cè)試流程為：全關(guān)→開(kāi)啟到約0.2m開(kāi)度→停止一段時(shí)間→全關(guān)。每個(gè)檢測(cè)過(guò)程重復(fù)進(jìn)行2次。根據(jù)實(shí)測(cè)最大(最小)應(yīng)變值，可以得到實(shí)測(cè)最大啟門(mén)力和最小閉門(mén)力的計(jì)算結(jié)果(見(jiàn)表6)和實(shí)測(cè)應(yīng)變過(guò)程曲線(見(jiàn)圖3)。

圖3 檢測(cè)工況下傳動(dòng)軸實(shí)測(cè)應(yīng)變典型過(guò)程曲線

表6 左閘門(mén)實(shí)測(cè)最大(最小)應(yīng)變值和對(duì)應(yīng)啟閉力

檢測(cè)結(jié)果表明：在運(yùn)行水位(49.07m)下，閘門(mén)實(shí)測(cè)最大啟門(mén)力為45.1kN，小于啟閉機(jī)的額定容量(2×50kN)；閘門(mén)實(shí)測(cè)最小閉門(mén)力為-18.3kN，閘門(mén)能依靠自重關(guān)閉；閘門(mén)兩側(cè)吊點(diǎn)起吊力存在不平衡現(xiàn)象。啟門(mén)時(shí)，兩側(cè)吊點(diǎn)起吊力相差5.5kN；閉門(mén)時(shí)，兩側(cè)吊點(diǎn)起吊力相差2.1kN。

2.6 啟閉機(jī)安全檢測(cè)

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，啟閉機(jī)設(shè)備及運(yùn)行維護(hù)管理總體狀況良好。經(jīng)檢查存在以下問(wèn)題：?jiǎn)㈤]機(jī)無(wú)備用電源，影響水閘不間斷的運(yùn)行；啟閉機(jī)部分構(gòu)件存在銹蝕、破損等情況(典型狀況見(jiàn)圖4、圖5)；啟閉機(jī)行程控制裝置功能存在隱患，閘門(mén)落至底檻時(shí)，行程控制系統(tǒng)不能及時(shí)切斷啟閉機(jī)電源，導(dǎo)致鋼絲繩出現(xiàn)彎折；啟閉機(jī)基礎(chǔ)局部存在混凝土銹脹開(kāi)裂、邊角混凝土破損現(xiàn)象。

圖4 啟閉機(jī)制動(dòng)器制動(dòng)輪銹蝕狀況

圖5 定惰輪銹蝕、輪槽破損狀況

3 評(píng)價(jià)與建議

3.1 評(píng)價(jià)

采用多種檢測(cè)手段對(duì)安河泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行了綜合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)閘門(mén)的腐蝕量、閘門(mén)材料、閘門(mén)焊縫、閘門(mén)的啟閉力及啟閉機(jī)運(yùn)行狀況等內(nèi)容進(jìn)行了檢測(cè)分析。檢測(cè)結(jié)果表明：工作閘門(mén)腐蝕程度一般；閘門(mén)主要構(gòu)件所使用的材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235；閘門(mén)所有受檢焊縫均未發(fā)現(xiàn)有缺陷存在；啟閉機(jī)容量滿足閘門(mén)啟閉力的要求；啟閉機(jī)設(shè)備及運(yùn)行維護(hù)管理總體狀況良好；啟閉機(jī)構(gòu)件存在銹蝕、破損等情況。

根據(jù)閘門(mén)和啟閉機(jī)安全檢測(cè)成果，依據(jù)相關(guān)規(guī)程、規(guī)范[10-12]，分析認(rèn)為安河泄洪閘工作閘門(mén)及啟閉機(jī)性能狀態(tài)處于安全范圍，可以繼續(xù)運(yùn)行使用。

3.2 建議

對(duì)于檢出的閘門(mén)、啟閉機(jī)銹蝕部位，建議進(jìn)行除銹、防腐處理；建議配備啟閉機(jī)備用電源，以滿足應(yīng)急管理需要；建議對(duì)啟閉機(jī)行程控制裝置進(jìn)行整定或予更換，并更換左孔啟閉機(jī)右側(cè)破損的定滑輪。

4 結(jié) 論

安河泄洪閘金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)結(jié)果基本滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，存在的部分質(zhì)量缺陷尚不影響整座水閘安全運(yùn)行。本項(xiàng)檢測(cè)成果可為確保消除工程安全隱患、確保泄洪閘安全運(yùn)行提供科學(xué)支撐。