于永軍, 洪 羽, 王 帥, 丁正忠

(1.黃河水利水電開發(fā)集團有限公司, 河南 鄭州 450099; 2.中國化學(xué)工程第四建設(shè)有限公司,湖南 岳陽 414022; 3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 河南 鄭州 450003)

1 研究背景

我國河流數(shù)量眾多、分布廣泛,豐富的水能資源為經(jīng)濟社會發(fā)展提供了大量綠色電力能源,同時河中泥沙對水工閘門的磨蝕損壞也成為工程運行安全的重大隱患,嚴(yán)重影響著水庫防洪安全、人民群眾生命財產(chǎn)安全和流域生態(tài)安全。2018—2020年《黃河泥沙公報》顯示,黃河小浪底水文站年均含沙量分別為10.80、11.87、6.93 kg/m3,汛期最大含沙量達(dá)452 kg/m3,黃河含沙量之高,年輸沙量之多,在世界多泥沙河流中居于前列[1-3]。

弧形閘門因其具有結(jié)構(gòu)輕盈、受力合理以及啟閉力小等優(yōu)點普遍應(yīng)用于泄洪排沙孔洞的工作閘門[4],擔(dān)負(fù)著防洪、抗旱、引水、發(fā)電等重任,在水利水電工程中占據(jù)重要地位,若發(fā)生故障或失效,將造成極大損失[5]。尤其是高含沙河流上具有局部開啟運用要求的泄洪排沙孔洞弧形工作閘門,其底緣在磨損與空蝕作用下極易發(fā)生磨蝕破壞,導(dǎo)致閘門無法擋水,泄洪排沙孔洞被迫退出運用。

Levy等[6]研究發(fā)現(xiàn),銳利的、有棱角的泥沙顆粒對鋼材產(chǎn)生的磨損比球形顆粒大4倍,泥沙顆粒形狀對磨損結(jié)果的影響超過一個數(shù)量級。由泥沙顆粒沖擊角度導(dǎo)致的磨損與材料的屬性有關(guān),對于塑性材料,泥沙顆粒在較小的沖擊角下會產(chǎn)生較大的磨損;對于脆性材料,泥沙顆粒在較大的沖擊角下會產(chǎn)生較大的磨損,法向沖擊角附近的磨損率最大。磨損率與泥沙顆粒的沖擊速度呈指數(shù)型正相關(guān)。

羅凱凱[7]按照McLaury水中沙粒磨損公式計算磨損率如下:

(1)

(2)

f(r)=5.4r-10.11r2+10.93r3-6.33r4+

1.42r5

(3)

式中:E為磨損率,kg/(m2·s);A為顆粒形狀硬度函數(shù);Vp為顆粒入射速度,m/s;n為指數(shù)常數(shù),取值為2.0～3.0;f(r)為顆粒入射角函數(shù);F為顆粒形狀系數(shù),棱角顆粒取值為1,半球形顆粒取值為0.53,球形顆粒取值為0.2;Bh為材料的布氏硬度,N/mm2;k為經(jīng)驗常數(shù),取值為2.41;r為顆粒入射角,rad。通過試驗發(fā)現(xiàn),相比于泥沙含量,泥沙顆粒粒徑對磨損的影響占主導(dǎo)地位,對于混合粒徑泥沙,與材料表面碰撞最多的為粒徑0.033 mm的泥沙。

常近時[8]、黎慧青[9]通過試驗表明,泥沙表面縫隙中寄存有數(shù)量眾多、尺寸不等的微小氣核,因此含沙水流中氣核數(shù)量遠(yuǎn)多于清水,當(dāng)壓力降低時氣核膨脹形成氣泡,進(jìn)而脫離沙粒表面發(fā)生空化。在海拔高度、泥沙質(zhì)量濃度一定的情況下,泥沙越細(xì)則初生空化壓力與臨界空化壓力越高。含沙水流發(fā)生空化后,空泡潰滅引發(fā)的挾沙射流強度大于清水射流,空蝕破壞較清水更強烈。董志勇等[10]認(rèn)為含沙水流改變了清水的物理化學(xué)及流動特性,使水流的汽化壓力降低,更易發(fā)生空化。Lian等[11]通過振動空化試驗表明,對于ASTM1045碳鋼,在泥沙粒徑為0.026～0.531 mm時,空蝕破壞隨泥沙粒徑的增大而加劇。王磊等[12]研究了黃河上游青銅峽、八盤峽水電站泥沙粒徑為0.045～0.063 mm的過機含沙水流對空化壓力特性的影響,研究結(jié)果表明初生空化和臨界空化壓力值與含沙量之間均成擬線性關(guān)系,含沙量越大則空化壓力值越大,且均遠(yuǎn)高于清水時的值。

唐勇等[13]通過數(shù)值模擬和試驗表明,磨蝕較純磨損或純空蝕有更大的破壞力,且磨損主要發(fā)生在汽相體積比和壓力梯度較大區(qū)域,并隨著空化孔徑的增大而加劇。磨蝕破壞的弧形閘門底緣一般采取補焊并打磨整形的方式修復(fù),該種修復(fù)方法所需時間長、費用高、人力物力投入大,修復(fù)后的弧形閘門底緣表面平整度遠(yuǎn)低于機加工件,再次投入使用后其表面的凹口、溝槽、瑕疵更易誘發(fā)空蝕破壞。本文針對提高弧形閘門底緣磨蝕修復(fù)效率、保證修復(fù)質(zhì)量、增強其抗磨蝕性能方面進(jìn)行了研究,提出了裝配式弧形閘門底緣抗磨蝕結(jié)構(gòu)設(shè)計方案,該研究對于黃河等多泥沙河流上的水利水電工程防洪安全具有十分重要的現(xiàn)實意義。

2 抗磨蝕材料選擇

根據(jù)磨蝕破壞機理,抗磨蝕材料應(yīng)既有良好的抗磨損性能,又有良好的抗空蝕性能。符合上述要求的非金屬材料主要有陶瓷、鑄石、玻璃、碳化硅、氮化硅、橡膠、聚四氟乙烯等,金屬材料主要有奧氏體錳鋼、非錳系耐磨合金鋼、高鉻鑄鐵、馬氏體不銹鋼等。應(yīng)用于弧形閘門底緣的抗磨蝕材料還應(yīng)具有較高的強度、韌性和尺寸穩(wěn)定性以及較好的可加工性、經(jīng)濟性和易得性,而非金屬材料在強度、韌性、尺寸穩(wěn)定性和可加工性上很難兼具,不予考慮,所以主要對金屬材料和鋼鐵基復(fù)合材料進(jìn)行比選。

2.1 奧氏體錳鋼

奧氏體錳鋼作為耐磨部件廣泛應(yīng)用于破碎機、球磨機的襯板、顎板、錘頭、破碎壁和挖掘機的斗齒等[14]。鑄造完畢經(jīng)水韌處理后的奧氏體錳鋼具有較高的強度、韌性和塑性[15],極易加工硬化,在強沖擊磨損工況下,因其內(nèi)部出現(xiàn)ε馬氏體和形變孿晶,在保持結(jié)構(gòu)件原有韌性的同時,鋼材表面硬度和耐磨性大幅增強,沖擊載荷越大,則表面硬化層越深、硬度越高、抗磨損能力越強。生產(chǎn)中根據(jù)不同的工況條件,通過在常規(guī)奧氏體錳鋼中添加適量的Cr、Mo、Ni、W等元素獲得彌散分布的碳化物,或者通過調(diào)整C、Mn含量,改進(jìn)其力學(xué)性能和耐磨性。經(jīng)過變質(zhì)處理的ZG120Mn13Cr2和ZG120Mn17Cr2奧氏體錳鋼具有較高的強度和耐磨性,廣泛應(yīng)用于礦山破碎機等設(shè)備[16]。

然而,奧氏體錳鋼屈服強度相對較低,在低沖擊磨損工況下,因奧氏體基體表面無明顯加工硬化效果,其耐磨性低于一般鑄鐵。在較高沖擊載荷下因其表面發(fā)生相變而易產(chǎn)生局部變形,甚至?xí)l(fā)緊固螺栓剪斷。

2.2 非錳系耐磨合金鋼

非錳系耐磨合金鋼是具有較高強度、硬度、韌性和耐磨性的特殊性能鋼,一般含有一定量的Cr、Mo、Mn、Ni、Si等元素,熱處理后組織可分為回火馬氏體或珠光體及碳化物。胡益川等[17]、寧嘉沛等[18]研究表明,高碳中鉻耐磨合金鋼經(jīng)900 ℃淬火+200 ℃回火熱處理后耐磨性最好;經(jīng)950 ℃淬火+200 ℃回火熱處理后硬度最高,達(dá)到60.5 HRC(洛氏硬度);經(jīng)1 000 ℃淬火+200 ℃回火熱處理后沖擊韌度最大,達(dá)到20 J/cm2,熱處理后顯微組織呈現(xiàn)為片狀馬氏體內(nèi)均勻分布密集的M7C3型碳化物小顆粒。龍駿等[19]研究發(fā)現(xiàn),Si 在鋼中易固溶于α-Fe 與γ-Fe 中,并使碳化物變得細(xì)小和彌散,中碳高合金鋼中Si含量為0.6%～2.4%時,熱處理后的金相組織以板條馬氏體為主,Si含量為2.3%時,材料的硬度達(dá)到最高值54.5 HRC(洛氏硬度);Si含量為1.57% 時,材料的沖擊韌度達(dá)到最大值80 J/cm2。低合金珠光體耐磨鋼硬度為300～400 HBW(布氏硬度)時,具有良好的抗沖擊性、耐磨損性和尺寸穩(wěn)定性,中信重工機械股份有限公司使用該種材料作為Φ5.0～12.2 m 系列半自磨機襯板,取得了良好效果[20]。

非錳系耐磨合金鋼強度和硬度高于奧氏體錳鋼,塑性和韌性高于高鉻鑄鐵,但抗磨蝕性能研究成果較少,缺乏在磨蝕工況下的成功工程實例。

2.3 高鉻鑄鐵

高鉻鑄鐵是含鉻量在11%～30%之間的抗磨白口鑄鐵,高含量的鉻使白口鑄鐵中M3C型碳化物變成硬度更高且呈桿狀孤立分布的M7C3型碳化物[21]。高硬度的M7C3型碳化物主要起保護(hù)基體阻止磨粒切削的作用,基體則主要起支撐碳化物的作用。該種金相組織使高鉻鑄鐵具有良好的耐磨性,且韌性明顯改善。在低應(yīng)力沖擊載荷下,高鉻鑄鐵抗磨性能優(yōu)于非錳系耐磨合金鋼。張凱等[22]研究表明,Cr26型過共晶高鉻鑄鐵淬火溫度為980 ℃和1 050 ℃ 時,最佳耐磨回火溫度為250 ℃;淬火溫度為1 100 ℃時,最佳耐磨回火溫度為350 ℃。瞿鐵[23]通過實驗表明,在大型自磨機中,高鉻鑄鐵襯板的磨損速率比耐磨合金鋼低28.3%。石家莊泵業(yè)集團有限責(zé)任公司研制的高碳超高鉻白口鑄鐵熱處理后硬度達(dá)63～68 HRC(洛氏硬度),沖擊韌性為16～22 J/cm2,應(yīng)用在渣漿泵前蓋板上,其使用壽命為KmTBCr26的4倍以上[24]。

高鉻鑄鐵硬度高、耐磨性好,適用于沖擊能量小以磨損為主的工況,但其韌性較差,切削加工困難,使用過程中易開裂,生產(chǎn)成本較高,性價比較低。

2.4 馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼是以馬氏體組織為基體的不銹鋼,通過調(diào)質(zhì)處理可獲得較高的強度和良好的綜合性能,已成為先進(jìn)機械制造、核能等領(lǐng)域關(guān)鍵設(shè)備的重要材料。胥大坤[25]研究發(fā)現(xiàn),回火溫度可顯著影響馬氏體不銹鋼的顯微組織和硬度,回火溫度越高,馬氏體板條細(xì)化越明顯且硬度越高,延長回火時間可提升馬氏體不銹鋼的韌性,不同回火溫度可獲得不同的強度和韌性組合。劉振寶等[26]研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)1 050 ℃固溶+低溫處理+535 ℃時效處理后,由于馬氏體不銹鋼中相共格析出達(dá)到最佳狀態(tài),其硬度和強度均達(dá)到最大值。劉功梅等[27]研究發(fā)現(xiàn),在不改變其他合金元素含量的情況下,ZG04Cr13Ni4Mo經(jīng)1 050 ℃正火+620 ℃回火熱處理后,隨著Cr含量的升高,其抗拉強度基本不變,屈服強度有所下降,抗點蝕能力有所增強。在含CO2的腐蝕介質(zhì)中,馬氏體不銹鋼表面可形成穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物膜,能有效阻止腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展[28]。

馬氏體不銹鋼具有優(yōu)良的力學(xué)性能和良好的加工制造性能,廣泛應(yīng)用于大中型水電站水輪機上,如三峽、小浪底、白鶴灘、二灘、巖灘、李家峽水電站水輪機中均采用了ZG04Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼[29];萬家寨水電站1～4號水輪機采用了ZG04Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼,5～6號水輪機采用了ZG06Cr16Ni5Mo馬氏體不銹鋼;魏家堡水電站水輪機由于運行后出現(xiàn)嚴(yán)重磨蝕,基材由ZG20SiMn更換為ZG25,最終更換為ZG06Cr16Ni5Mo馬氏體不銹鋼[30]。

2.5 鋼鐵基復(fù)合材料

鋼鐵基復(fù)合材料兼具陶瓷材料和金屬材料的優(yōu)點,具有很好的耐磨蝕性能[31]。相較纖維增強鋼鐵基復(fù)合材料,Al2O3、TiC、WC 等陶瓷顆粒增強鋼鐵基復(fù)合材料具有成本較低、制備工藝成熟、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點。

Al2O3為白色固體,難溶于水,能溶于無機酸和堿性溶液,其熔點為2 054 ℃,硬度為1 800～2 000 HV(維氏硬度),該材料耐高溫磨損,但與鋼鐵的潤濕性較差(接觸角為130°),結(jié)合力較弱,斷裂韌性較低,通過包覆TiN、Ni及ZrO2增韌氧化鋁(zirconia toughened alumina, ZTA)可提高與鋼鐵基體的潤濕性和斷裂韌性[32]。TiC為灰色固體,不溶于水,能溶于硝酸和王水,其熔點為3 140 ℃,硬度為3 000 HV(維氏硬度),耐磨性好,有較好的斷裂韌性,與鋼鐵的潤濕性較好(接觸角為70°)。TiC會與鋼鐵基體反應(yīng)生成有害物質(zhì),易使復(fù)合材料產(chǎn)生裂紋而降低復(fù)合材料性能[33]。WC為黑色六方晶體,為電和熱的良好導(dǎo)體,不溶于水、鹽酸和硫酸,易溶于硝酸-氫氟酸混合酸中,其熔點為2 870 ℃,硬度為2 100～3 700 HV,性能穩(wěn)定,斷裂韌性好,與鋼鐵液完全濕潤(接觸角為0°),抗磨能力為馬氏體不銹鋼的70～80倍[34]。

通常硬度高、強度高、韌性好的材料具有良好的抗磨蝕性能,但高硬度和高強度材料的韌性會降低,所以對于弧形閘門抗磨蝕底緣材料的選擇,不能單一追求材料某一方面的特性,而應(yīng)具有較好的綜合性能。通過上述分析,選定以ZG04Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼為基材表面噴涂WC的復(fù)合材料作為弧形閘門底緣,WC涂層厚度為300～400 μm,與母材結(jié)合強度不小于50 MPa。ZG04Cr13Ni4Mo化學(xué)組分見表1,機械性能參數(shù)見表2[35]。

表1 ZG04Cr13Ni4Mo材料的化學(xué)組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

表2 ZG04Cr13Ni4Mo材料的機械性能參數(shù)

3 弧形閘門底緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

抗磨蝕弧形閘門底緣在結(jié)構(gòu)上除具有良好的耐磨蝕性能外,還應(yīng)滿足以下3點要求:

(1)安全可靠。抗磨蝕底緣不降低弧形閘門的整體強度和剛度。

(2)維修方便。維修用時少,簡單便捷,具有較高的修后質(zhì)量。

(3)適用性好。符合閘門設(shè)計規(guī)范,既適用于新建的弧形閘門也適用于在役弧形閘門的改造。

通過研究討論,提出裝配式弧形閘門底緣結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計思路,將弧形閘門底緣從其門葉上單獨分離出來,拆分成抗磨板和承載構(gòu)件兩部分?？鼓グ宀馁|(zhì)為ZG04Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼,中間開沉頭螺栓孔,尾部開直角卡槽,底邊導(dǎo)圓弧角,表面噴涂WC(見圖1)。承載構(gòu)件為支撐板和加強筋板組成的焊接結(jié)構(gòu)件(見圖2),材質(zhì)與閘門門葉相同。支撐板與抗磨板的對應(yīng)位置配鉆螺栓孔,底部設(shè)置凸臺用以承載抗磨板沿面板方向的力,支撐板后設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的加強筋板,并在裝配時與門葉和支撐板焊接成一體以增加承載構(gòu)件的整體強度和剛度?？鼓グ逋ㄟ^沉頭螺栓連接到承載構(gòu)件上,承載構(gòu)件焊接在門葉上。在抗磨板與支撐板結(jié)合面處涂抹密封膠,以防止產(chǎn)生縫隙射流。在螺栓沉頭表面涂環(huán)氧砂漿將螺栓孔填平,以增強該部位的抗磨蝕性。

圖1 弧形閘門底緣抗磨板結(jié)構(gòu)圖

圖2 弧形閘門底緣承載構(gòu)件結(jié)構(gòu)圖

該裝配式弧形閘門底緣結(jié)構(gòu)以抗磨板作為抗磨蝕易損件,承載構(gòu)件作為受力構(gòu)件受到抗磨板的保護(hù)而不被磨蝕。當(dāng)弧形閘門底緣出現(xiàn)磨蝕時,僅需整體更換一塊抗磨板即可?？鼓グ迮c承載構(gòu)件通過螺栓連接的結(jié)構(gòu)方式使更換工作簡單、快捷,維修后的質(zhì)量也能得到保證。該結(jié)構(gòu)既可在設(shè)計新的弧形閘門時采用,也可用于已服役弧形閘門底緣的改造,具有很好的適用性。由于弧形閘門的非標(biāo)準(zhǔn)件特性,應(yīng)用于不同弧形閘門的抗磨板及承載構(gòu)件的尺寸需根據(jù)具體弧形閘門結(jié)構(gòu)、尺寸、受力情況進(jìn)行設(shè)計。

4 工程實際運用情況

2018年汛期小浪底水利樞紐工程(下文簡稱小浪底工程)2號排沙洞弧形工作閘門泄洪排沙運用后底緣出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷,閘門關(guān)閉時水流從底部漏出,2號排沙洞被迫退出運行。閘門底緣損傷整體上呈不規(guī)則形狀,邊緣形成坑唇且較為鋒利,材料表面較為光滑,未見海綿狀形貌,外觀形態(tài)上既有磨損破壞特征又有空蝕破壞特征,呈典型磨蝕形態(tài)。磨蝕主要發(fā)生在面板底緣10 cm范圍內(nèi),總體上越靠近底緣磨蝕越嚴(yán)重,蝕坑越深。為保證小浪底工程防洪安全,2019年汛前將2號排沙洞弧形工作閘門底緣改造為裝配式抗磨蝕底緣。

4.1 小浪底工程排沙洞布置及弧形工作閘門結(jié)構(gòu)

小浪底工程共設(shè)有3條排沙洞,擔(dān)負(fù)排泄高含沙水流、調(diào)節(jié)下泄流量、減少過機含沙量以及使進(jìn)口形成和保持泥沙淤積漏斗的作用,是小浪底泄洪排沙運用時間最長、頻次最高的孔洞。排沙洞按壓力洞設(shè)計,最大泄流能力為675 m3/s,當(dāng)小浪底庫水位超過220 m 需用排沙洞泄洪排沙時,弧形工作閘門局部開啟運用,控制單洞泄量不超過500 m3/s,使壓力洞段流速不大于15 m/s,以減輕高速含沙水流對流道襯砌混凝土的磨蝕。

排沙洞工作門為偏心鉸弧形閘門,布置在排沙洞出口,孔口尺寸為4.4 m×4.5 m,弧面半徑為8 m,設(shè)計水頭為122 m,閘門承受的總水壓力為42 MN。門體采用實腹式主橫梁結(jié)構(gòu),雙主梁布置。左、右支臂通過橫向聯(lián)結(jié)系組成一個整體,支臂與主橫梁采用高強螺栓連接。閘門面板材質(zhì)為16Mn,厚度為30 mm。

4.2 改造范圍的確定及強度校核計算

抗磨板越寬,防護(hù)范圍越大,則改造涉及的范圍越大,導(dǎo)致改造施工工程量和難度加大、改造費用增加。所以對已服役弧形閘門底緣改造除應(yīng)滿足前文第3節(jié)所述的要求外,還應(yīng)根據(jù)改造閘門的結(jié)構(gòu)和磨蝕狀況確定合適的改造范圍,盡可能減小改造工作量和降低施工難度,并非改造范圍越大越好。

小浪底工程2號排沙洞弧形工作閘門最下側(cè)水平次梁距底邊200 mm,腹板厚度20 mm。改造范圍如果大于190 mm,改造施工將涉及到水平次梁的拆裝,工程量大幅增加,焊接變形及尺寸精度控制更加困難。結(jié)合該閘門磨蝕主要發(fā)生在面板底緣10 cm范圍內(nèi)的實際狀況,綜合考慮抗磨蝕功效、改造施工質(zhì)量及費用和工期、運行期維修的便利性和經(jīng)濟性,確定支撐板的寬度為190 mm,抗磨板的寬度為125 mm,厚度與原面板一致,為30 mm。連接螺栓選用A2-70材質(zhì)、長度為100 mm的M2O沉頭螺栓。這樣的改造范圍既能完全覆蓋住易產(chǎn)生磨蝕的區(qū)域,又能保證門葉最下側(cè)的水平次梁在改造時可以完整保留,改造工作量和施工難度最小,綜合效應(yīng)最優(yōu)。小浪底工程2號排沙洞弧形工作閘門裝配式抗磨蝕底緣結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 小浪底工程2號排沙洞弧形工作閘門裝配式抗磨蝕底緣結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)

按照偏安全設(shè)計思路,支撐板選用與門葉相同的16Mn材質(zhì),厚度較面板增加10～20 mm。將承載構(gòu)件與門葉焊接成一體,閘門縱梁和加強筋板作為支撐板的支承。根據(jù)《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》(SL 74—2013)[36]和《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50017—2017)[37]按照公式(4)～(6)對承載構(gòu)件的抗彎強度和撓度、連接螺栓抗剪力進(jìn)行校核計算。

(4)

(5)

(6)

經(jīng)計算,支撐板的最大彎應(yīng)力為132 N/mm2,小于容許應(yīng)力220 N/mm2×0.8=176 N/mm2;最大撓度為0.04 mm,小于容許撓度l/250;螺栓的抗剪承載力為1.91×106N,大于設(shè)計值1.26×106N。因而裝配式底緣的強度、剛度和螺栓抗剪能力均滿足要求,整體結(jié)構(gòu)安全。

4.3 運行情況

2019年6月21日小浪底工程2號排沙洞開始泄洪排沙運行,至當(dāng)年9月11日退運檢查。期間2號排沙洞工作閘門總計過流歷時759.43 h,含沙且局部開啟狀態(tài)下過流歷時301.49 h,過閘水流平均含沙量為38.22 kg/m3,局部開啟狀態(tài)下過閘水流平均含沙量為96.26 kg/m3,過閘水流最大含沙量為464.40 kg/m3。

經(jīng)檢查,弧形閘門底緣結(jié)構(gòu)完好,抗磨板表面的WC涂層清晰可見,連接螺栓無松動、無損壞。抗磨板與閘門面板間縫隙內(nèi)的環(huán)氧沙漿由于磨蝕有少量減少。個別螺栓孔內(nèi)的環(huán)氧沙漿脫落,從脫落情況分析為粘接力不足而造成的整體脫落,環(huán)氧沙漿脫落的螺栓孔下邊緣及螺栓頭磨蝕明顯,其余螺栓孔內(nèi)的環(huán)氧沙漿由于磨蝕有少量減少?？鼓グ迤渌课粺o磨蝕無破損。

2019年9月12日對環(huán)氧沙漿脫落的抗磨板連接螺栓孔重新涂抹環(huán)氧沙漿保護(hù)后,小浪底工程2號排沙洞弧形工作閘門繼續(xù)投入運用。2021年汛前,該裝配式抗磨蝕弧形閘門底緣推廣應(yīng)用至小浪底工程1號和3號排沙洞弧形工作閘門。經(jīng)過2019—2022年泄洪排沙運用,抗磨板表面的WC涂層清晰可見,閘門底緣結(jié)構(gòu)完好。通過實際運用檢驗證明,該裝配式抗磨蝕弧形閘門底緣結(jié)構(gòu)合理,抗磨板的抗磨蝕性能優(yōu)異,應(yīng)用于高含沙、長歷時泄洪排沙運行工況下的弧形閘門底緣可大幅降低底緣磨蝕損壞檢修頻次,有效提高水利水電工程防洪安全保障能力。

5 討 論

目前對閘門底緣結(jié)構(gòu)的研究主要集中在不同型式底緣對閘下水流壓力、流態(tài)、啟閉力、空化特性以及閘前與閘后水位差的影響等方面,對閘門檢修的研究主要集中在檢修計劃優(yōu)化、故障診斷方法等方面。如Wu等[38]通過數(shù)值模擬研究分析了平底底緣、前傾60°角、后傾45°角、前傾60°角后傾45°角4種型式底緣對平面事故閘門閘下水流壓力、流態(tài)和啟閉力的影響。劉昉等[39]采用RNG k-ε模型和VOF(volume of fluid)方法,結(jié)合動網(wǎng)格劃分技術(shù)研究分析了平底底緣、前傾45°角、后傾30°角、后傾45°角、前傾45°角后傾30°角5種型式底緣對高水頭平面事故閘門空化特性、水流脈動特性和啟閉力的影響。王蓓[40]通過模型試驗對比研究分析了前傾45°角、后傾45°角、前傾45°角后傾30°角3種型式底緣在不同來水流量和不同閘門開度情況下對弧形閘門應(yīng)力和閘前與閘后水位差的影響。Dang等[41]結(jié)合閘門不同部位焊接接頭失效概率和檢修成本,運用風(fēng)險分析方法開展了閘門檢修計劃優(yōu)化研究。Zhao等[42]通過分析閘門震動信號的方法,開展了故障診斷研究。本研究從提高水利水電工程防洪安全保障能力角度出發(fā),著重在多泥沙河流上受磨蝕破壞的弧形閘門底緣高質(zhì)量快速修復(fù)方面開展研究,解決了弧形閘門底緣因修復(fù)時間長、修復(fù)質(zhì)量難以保證而影響工程防洪安全運用的難題。

本研究提出的以抗磨板和承載構(gòu)件兩部分組合而成的裝配式結(jié)構(gòu)弧形閘門底緣經(jīng)小浪底工程實際運用檢驗,完全適用于多泥沙河流在役偏心鉸弧形閘門底緣的改造。由于該結(jié)構(gòu)型式具有普遍適用性,所以也適用于新建弧形閘門和平面閘門。對于帶有底止水的弧形閘門和平面閘門,可以在裝配式閘門底緣結(jié)構(gòu)上增加封水結(jié)構(gòu),也可以將抗磨板兼做水封壓板。該結(jié)構(gòu)此前在國內(nèi)外尚無設(shè)計和應(yīng)用先例,本研究拓展了閘門結(jié)構(gòu)型式,為易受磨蝕、空蝕、磨損破壞閘門的設(shè)計和維修開辟了新思路和新途徑。雖然ZG04Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼和WC在水電站水輪機上得到廣泛應(yīng)用[43-44],但在閘門上的應(yīng)用尚未見報道,本研究拓寬了ZG04Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼和WC的實踐應(yīng)用范圍,開闊了閘門用材的設(shè)計思路。

綜合考慮施工安裝、接縫處理等因素,在抗磨板與弧形閘門面板間留有10 mm間隙,該間隙產(chǎn)生的接縫以及抗磨板上的螺栓孔為抗磨蝕薄弱區(qū),易發(fā)生磨蝕破壞。本研究采用填充環(huán)氧沙漿并抹平的方式對以上區(qū)域進(jìn)行防護(hù),實際使用效果較好,同時存在因粘接力不足而造成個別螺栓孔內(nèi)環(huán)氧沙漿整體脫落,從而導(dǎo)致該部位的螺栓孔下邊緣及螺栓頭部發(fā)生磨蝕破壞的情況,其余螺栓孔內(nèi)的環(huán)氧沙漿及抗磨板與弧形閘門面板間隙內(nèi)的環(huán)氧沙漿由于磨蝕而少量減少,建議進(jìn)一步研究螺栓孔及抗磨板與弧形閘門面板接縫的防護(hù)方式,該防護(hù)方式應(yīng)既便于施工安裝,又能提升防護(hù)效果。

6 結(jié) 論

本文針對高含沙河流上具有局部開啟運用要求的泄洪排沙孔洞弧形工作閘門底緣磨蝕破壞后修復(fù)時間長、修復(fù)質(zhì)量較低而影響工程防洪安全運用的問題,開創(chuàng)性地提出裝配式弧形閘門底緣結(jié)構(gòu)解決方案,通過小浪底工程排沙洞弧形工作閘門實際運用檢驗,取得了良好效果。主要結(jié)論如下:

(1)以ZG04Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鋼為基材、表面噴涂WC的鋼鐵基復(fù)合材料抗磨板具有優(yōu)異的抗磨蝕性能,能夠顯著增強弧形閘門底緣的抗磨蝕性,大幅降低弧形閘門底緣磨蝕損壞檢修頻次。

(2)以抗磨板作為抗磨蝕易損件,以受到抗磨板保護(hù)的承載構(gòu)件作為受力構(gòu)件,二者組合而成的裝配式弧形閘門底緣結(jié)構(gòu)合理,且不降低弧形閘門整體結(jié)構(gòu)的強度和剛度。

(3)當(dāng)弧形閘門底緣出現(xiàn)磨蝕時,通過整體更換抗磨板即可達(dá)到對弧形閘門底緣磨蝕修復(fù)的目的?？鼓グ迮c承載構(gòu)件通過螺栓連接的結(jié)構(gòu)方式使更換工作簡單、快捷,修復(fù)效率明顯提升,修復(fù)質(zhì)量可得到充分保障,有效提高了水利水電工程防洪安全保障能力。

(4)裝配式抗磨蝕弧形閘門底緣具有很好的適用性,既可以在設(shè)計新的弧形閘門和平面閘門時采用,也可以應(yīng)用于已服役弧形閘門和平面閘門底緣的改造。