三洋港擋潮閘工程金屬結構設計特點

胡 嵩 王長江 楊 中

三洋港擋潮閘工程金屬結構設計特點

胡 嵩 王長江 楊 中

一、概述

三洋港擋潮閘位于江蘇省連云港市新沭河末端入海口，是沂沭泗河洪水東調南下工程的重要組成部分。三洋港擋潮閘設計流量6400m3/s，為Ⅰ等大（1）型水閘。擋潮閘金屬結構部分包括工作閘門、閘上檢修閘門、閘下檢修閘門及其相應的埋件和啟閉設備。

二、擋潮閘金屬結構設計

擋潮閘工作閘門共33孔，孔口凈寬15.0m，主要用于擋潮及蓄水。設計擋潮水位：閘下3.90m，閘上0.5m；校核擋潮水位：閘下4.08m，閘上1.25m；設計蓄水位：閘上2.0m，閘下無水。

工作閘門底檻高程-2.0m，設計最大擋潮高度5.9m，考慮一定風浪高度后閘門高度選為6.4m。閘門雙向擋水，門型選為平面定輪鋼閘門，面板布置于迎海水側。平時工作閘門關閉蓄水擋潮，汛期閘上水位2.0m，閘下潮位-3.35m時開閘泄洪，啟閉機選用QP-2×630kN固定卷揚式啟閉機，閉式傳動。

擋潮閘工作閘門上、下游各設一道檢修閘門，用于檢修維護之用。上、下游檢修閘門均為疊梁門，上游檢修門由3塊疊合而成，每塊尺寸為15.0m×1.6m，下游檢修門由4塊疊合而成，每塊尺寸為15.0m×1.6m。上、下游檢修閘門分別設4套檢修閘門，分別配1套SGMD-2×100kN電動葫蘆及機械式自動抓脫梁。

1.工作閘門設計

工作閘門孔口凈寬15.0m，閘門高6.4m，設計為平面露頂式定輪鋼閘門，主梁為實腹式變截面雙主梁，主梁跨中最大梁高1700mm，主梁端部梁高1055mm。邊梁為箱型梁，梁高1055mm。閘門正向支承為簡支輪，支承于面板側，反向支承為滑塊。主輪材料為ZG270-500，直徑1000mm。軸材料為40Cr，直徑240mm，軸承采用GEW240×FZB056-RS關節軸承。為方便制作、防腐和安裝，在邊梁箱型前后翼板處開工藝孔。

考慮工作閘門的擋潮及蓄水功能，側止水設計為雙向止水，布置于面板側，正向側止水采用“P”型橡皮，反向側止橡皮采用“L”型橡皮水，底止水采用“I”型切角橡皮，材料均采用SF6574，側止水型式如圖1所示。

2.啟閉機設計

三洋港擋潮閘計算啟門力763kN。由于該工程位于海邊，泥沙淤積情況較為嚴重，啟閉機額定啟門力的確定考慮一定的富裕量。經過比較與計算，啟閉機額定啟門力定為2×630kN，型式為固定卷揚式啟閉機。該啟閉機設計采用閉式傳動結構。

3.防腐設計

擋潮閘工作閘門采用噴鋅加涂封閉漆防腐，采用表面噴砂除銹使清潔度達Sa2.5，粗糙度達Ry60～100μm，噴鋅200μm，然后噴涂一道環氧底漆，中間漆噴涂一道改性耐磨環氧漆，面漆噴涂兩道聚氨脂面漆。

工作閘門埋件為耐海水腐蝕的合金鑄鐵STNiCr，檢修閘門埋件外露表面材料為復合不銹鋼板，復合不銹鋼基層材料為Q235，復層材料為00Cr17Ni14Mo2。工作閘門埋件斷面型式如圖2所示。

三、設計特點

1.閘門門葉防腐

在鋼結構防腐蝕涂裝體系中,防銹底漆的作用至關重要，它對鋼材要有良好的附著力，并能起到優異的防銹作用。三洋港擋潮閘距離黃海3km左右，閘門正常擋海水，考慮到工程處于海洋環境，設備防腐蝕問題比較突出，用噴鋅加普通油漆防腐不能很好地解決防腐問題。通過調研、分析國內海邊已建工程，發現采用普通油漆作為保護層往往或多或少存在一些問題。因為鋼結構噴鋅后表面比較稀疏，表面多細孔，水分子容易滲透腐蝕鋼材。所以需要特殊的底漆材料，要求固化時間不能太快，以使底漆（或稱連接漆）能很好地滲透到噴鋅層內部和表面，起著封閉作用，又能和噴鋅表面有很好的附著力。經篩選，最終確定本工程門葉防腐采用噴鋅加新型海洋輪船等設備用的防腐油漆。其底漆為環氧底漆Penguard Primer Sea，中間漆為改性耐磨環氧漆Jotamastic87，面漆為聚氨脂面漆Hardtop As。

環氧底漆 Penguard Primer Sea在23℃時硬干時間為6.5h，覆涂間隔是6.5h，而且最主要的是該底漆在噴涂后能快速滲透到噴鋅層內部，并且具有很好的附著力。

中間漆的作用是增加涂層的厚度以提高整個涂層系統的屏蔽性能。同時，中間漆對于底漆和面漆要有很好的附著力。改性耐磨環氧漆Jotamastic87是一種雙組分、高固含量、高表面容忍度的乳香樹脂改性環氧漆，它提供對基材的良好附著力，賦予涂層良好的抗撕裂強度、抗沖擊強度，極大地降低了漆膜內部的體積收縮率和內應力。同時，交聯形成堅硬、致密、不滲透的且具有韌性的涂層，能吸收和阻隔漆膜內殘留應力的傳遞，避免由應力引起的脫落等問題，可以在低表面處理的表面上涂裝，并具有優異、長效的防腐保護效果。

面漆的主要作用是遮蔽太陽紫外線以及污染大氣對涂層的破壞作用，抵擋風雪雨水，并且要有很好的美觀裝飾性。高耐候性的防腐蝕面漆主要有可覆涂聚氨酯面漆、雙組分脂肪族聚氨酯面漆，和最新的改性聚硅氧烷涂料等。聚氨脂面漆Hardtop AS目前在鋼結構防腐蝕體系中應用最為廣泛，使用歷史最悠久，效果最穩定。

2.埋件防腐設計

本工程處于海洋環境，防腐措施尤為重要。鑄鐵腐蝕過程的特點是皮下氧化和石墨腐蝕。皮下氧化是指在某些介質如大氣、污水中，鑄鐵很快形成棕黃色的過氧化物。進一步腐蝕過程中，由于鑄鐵含硅量較高就會在過氧化物皮下形成一層致密的、粘滯的氧化硅酸鐵黑色銹皮，抑制腐蝕的進一步進行，在這些介質中鑄鐵不經防腐處理也可以使用幾十年。而碳鋼就不行，它也能很快形成氧化膜，但它的氧化物的形成伴隨著體積的極大膨脹，由此產生裂紋，介質進入裂紋進一步腐蝕，如此不斷循環從而加速腐蝕。

鑄鐵是由鐵、碳和硅等組成的合金，鑄鐵中石墨呈游離狀，在大多介質中，石墨呈現惰性，鑄鐵的腐蝕主要是金屬基體的腐蝕。在腐蝕過程中，鐵原子離子化溶解進入溶液，而石墨在表層逐漸沉積下來，如果沒有受到強烈的沖刷，便在鑄件表面形成網絡狀石墨層，其中也混合著其他腐蝕產物，粘附在金屬基體上形成一層保護膜，而且保持良好，阻止腐蝕進一步進行。

碳鋼和低合金鋼在全浸條件下的腐蝕形式主要表現為不均勻局部腐蝕，隨著時間的延長，鋼鐵表面產生腐蝕麻點、蝕斑、蝕坑，甚至出現單個較大、較深的腐蝕潰瘍坑。

為了進一步提高鑄鐵的力學性能或耐蝕性能，還可以加入少量合金元素，如 Ni、Cr、Mn、Si、Cu、Sb 等合金元素，在鑄件表面形成牢固的、致密而又完整的保護膜，阻止腐蝕繼續進行，并提高鑄鐵基體的電極電位，提高鑄鐵的耐蝕性。

硅（Si）是提供鑄鐵件耐蝕性的重要元素，硅的大量加入，使鑄鐵件表面形成較致密與完整的SiO2保護膜，這種膜具有很高的電阻率和較高的化學穩定性，使鑄鐵在酸性環境中處于鈍化態。同時，長期浸泡在液體環境中，Si與Fe形成硅酸鐵對鑄鐵基體也有很好的鈍化作用。再者，Si能強烈地促進石墨化，Si的增加，減少了鑄鐵件白口化傾向，而灰鐵基體鑄件的耐蝕性能要優越與白口鑄鐵。但Si的含量超過3.0%時，鑄鐵的脆性增加，所以，綜合考慮，Si的含量控制在2.2%～2.9%之間比較合適。

鎳（Ni）的重要作用是使腐蝕電位正向移動。鎳同時也是容易鈍化的金屬，加入鑄鐵中能促進鑄鐵的鈍化。鑄鐵中加入少量鎳在促進鑄鐵珠光體細化的同時，還能促進鑄鐵表面形成粘附牢固致密的保護膜，提高鑄鐵的耐蝕性。經過比較長時期的實驗表明Ni的含量在2.5%左右時，就耐蝕性能來講，是性價比最好的。

鉻（Cr）是容易鈍化的金屬，少量鉻加入鑄鐵，能使鑄鐵表面的銹層更致密，更具有保護性，因而耐蝕性有所增加。同時，Cr具有強烈的反石墨作用，如硅的石墨化作用為+1，則鉻的反石墨化作用為-1，Cr在共析轉變時穩定珠光體。當Cr含量超過2%時，鑄鐵中珠光體含量明顯增加，產生白口傾向，導致耐蝕性能下降，布氏硬度HB也會超過300，加工難度大大增加。所以，Cr的含量控制在0.6%～1.2%是比較適宜的，既能發揮其鈍化作用，又不會產生白口傾向。

銅（Cu）的電極電位極高，少量的銅在鑄鐵的腐蝕過程中起活性陰極的作用，在一定的條件下可促使鑄鐵的基體鈍化，降低腐蝕速率。有實例證實，銅會富集于靠近金屬基體的銹層中，改善銹層的保護性。質量分數0.5%～1%的銅可改善鑄鐵在海水中的耐蝕性。

銻（Sb）和 Cu、Cr、Ni及 Al等元素配合，能夠改善鑄鐵抗海水和泥沙鹽水的沖蝕性能以及農藥樂果和鹽酸的腐蝕能力，但是Sb也是非常強烈促進形成珠光體的元素，Sb含量增加，會導致材料脆性增加，鑄鐵熱裂傾向增加。經過實證，鑄鐵基體中加入0.1%左右甚至更少的Sb都會在鑄件的熱節變化部位產生明顯的熱裂傾向。所以，如同S和P，Sb在鑄鐵基體中應該作為殘余來控制。

由此可見在鑄鐵中加入少量合金元素，既可以提高鑄鐵的耐蝕性能，又能改善鑄鐵力學性能和機械加工性能。所以在三洋港擋潮閘工作閘門鑄鐵埋件設計中考慮添加了適當比例的合金元素（如 Ni、Cr、Mn、Cu、Sb 等）。目前三洋港閘門工作埋件安裝使用一年多的時間，該STNiCr耐蝕合金鑄鐵埋件基本沒有銹蝕。

3.閉式傳動啟閉機

啟閉機設計為新型閉式傳動結構，無開式齒輪。啟門力為2×630kN。啟門速度1.4m/min，卷筒直徑650mm，啟閉揚程10m，單層纏繞，滑輪組倍率為6，吊點間距10.4m，電機為YZR200L-8,減速器選用大速比減速器，型號為 TE790-180（V），制動器YWZ5-315/50,電源為380V，50Hz。

新型閉式卷揚啟閉機是一種利用大速比減速器替代傳統開式齒輪及普通低速比減速器的新型卷揚式啟閉機，其主要特點是承載能力大、抗過載能力強、荷重比大（荷重比是指減速器的承載能力與自重的比值）、結構緊湊、重量輕、傳動效率高、使用壽命長、維修方便、安全可靠、外形美觀等。

電動機采用YZR系列冶金、起重用三相異步電動機，具有過載能力和機械性能高的特點。由于本工程啟閉機有33臺，數量多，啟閉機到配電房之間距離較遠，為降低啟動電流，在電動機接線中串聯變頻變阻器，顯著降低了電動機的啟動電流。

三洋港擋潮閘工程臨近大海，鹽霧腐蝕尤為嚴重，因此鹽霧防腐是設備選型設計中一個需要考慮的問題。選用閉式傳動，省去了大、小開式齒輪，避免了大、小開式齒輪因暴露在空氣中而受到的鹽霧腐蝕。

四、結語

三洋港擋潮閘是新沭河入海口擋潮和蓄水工程，臨近黃海，工程自2009年開工至今，主體工程基本完成，閘門及埋件2010年6月安裝完畢，至今閘門及埋件基本沒有銹蝕，防腐設計起到應有的效果

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