淺淡大型弧形閘門支鉸地腳螺栓材質的選用

【摘 要】 水電站大型弧形閘門運行期間，受力工況較復雜，支鉸為弧形閘門傳力關鍵部位，弧形閘門承受的水壓力通過門葉傳到支臂再傳到支鉸，最后通過支鉸將力傳到牛腿，支鉸與牛腿通過支鉸地腳螺栓連接固定。所以支鉸地腳螺栓材料的選用甚為重要，既要考慮到螺栓的受力要求，還要兼顧材料本身的特性。本文闡述了支鉸地腳螺栓材質選用的實例，并進一步分析了兩種常用材料的選用原則。

【關鍵詞】 大型弧形閘門 支鉸地腳螺栓 材質 選用原則

一、引言

水電站大型弧形閘門運行期間，閘門有局部開啟要求，有些水電站還存在前后有水和淹沒出流工況，受力工況較復雜。支鉸為弧形閘門傳力關鍵部位，弧形閘門承受的水壓力通過門葉傳到支臂再傳到支鉸，最后通過支鉸將力傳到牛腿，支鉸與牛腿通過支鉸地腳螺栓連接固定。

支鉸地腳螺栓材料的選用既要考慮到螺栓的受力要求，還要兼顧材料本身的特性。

二、支鉸地腳螺栓材質的選擇

弧形閘門在擋水及啟閉等工況下（如圖1），支鉸地腳螺栓主要承受以下荷載：

1） 框架支鉸的側推力產生的剪應力及彎矩產生的拉應力。

2） 由支鉸反力平等于底板的分力產生的剪應力及彎矩產生的拉應力。

3） 由支鉸摩阻力矩產生的剪力及彎矩產生的拉應力。

上述受力荷載為低速重載，支鉸地腳螺栓要滿足拉剪應力共同作用的強度。材料的選用上，從材料的化學成分、機械力學性能、焊接性能等幾個方面綜合考慮。（如圖1）

根據所接觸的弧形閘門工程實例，一般選擇的材質為16Mn（Q345B＼C），如堵河小漩水電站工程泄水閘弧形工作閘門（閘門尺寸15m*15m，單重177t）支鉸地腳螺栓，只標明了材質為16Mn；有的設計圖紙只標明了地腳螺栓的強度要求，如潘口水電樞紐工程溢洪道弧形閘門（閘門尺寸20m*20m，單重260T）地腳螺栓要求8.8級，此強度一般使用40Cr合金鋼調質處理，有的設計既標明了材質也標明了強度，如龍背灣水電站工程表孔弧形閘門（閘門尺寸12m*15m，單重160T）地腳螺栓要求強度6.8級以上，材質Q345C。一般支鉸地腳螺栓材質的選用主要為16Mn和40Cr。

三、16Mn和40Cr材料性能比較

3.1化學成分和性質

3.1.1 16Mn化學成分

16Mn為低合金結構鋼（現在的Q345鋼），屬于低合金高強度結構鋼。它具有良好的綜合力學性能、焊接性能及低溫沖擊韌性，冷沖壓及可切削性均好，但其缺口敏感性較碳鋼大，且易產生裂紋，故在加工時應引起注意。

其化學成分如下表1：

3.1.2 40Cr化學成分

40Cr材料為合金鋼，屬于低淬透性調質鋼，具有很高的強度，力學性能較優，材料硬度高、脆性大，具有良好的綜合機械性能。

其化學成分如下表2：

鋼材的化學成分主要是鐵、碳、錳、硅等元素以及硫、磷等有害元素。隨著含碳量的增加，鋼的強度和硬度隨之提高，而塑性和韌性卻不斷下降。錳和硅在鋼中是有益元素，它們可以提高鋼的強度，而使塑性降低不多，同時可以消除硫、氧引起的“熱脆”現象。

3.2機械力學性能

16Mn和40Cr材料機械及物理性能比較表見表3

上述表格對比可知，調質后的40Cr的抗拉、屈服強度等均高于16Mn，但伸長率偏低，故用40Cr材質做的地腳螺栓，有可能在處于復雜應力狀態等諸多不利因數情況下，產生低應力脆性斷裂。

3.3焊接性能

鋼材焊接性能的好壞主要取決于含碳量的多少，鋼中含碳量增加，淬硬傾向就增大，塑性則下降，容易產生焊接裂紋。通常，把金屬材料在焊接時產生裂紋的敏感性及焊接接頭區力學性能的變化作為評價材料可焊性的主要指標。所以含碳量越高，可焊性越差。含碳量小于0.25%的低碳鋼和低合金鋼（如16Mn），塑性和沖擊韌性優良，焊后的焊接接頭塑性和沖擊韌性也很好。焊接時不需要預熱和焊后熱處理，焊接過程普通簡便，因此具有良好的焊接性。隨著含碳量增加，大大增加焊接的裂紋傾向。16Mn含碳量比40Cr低，16Mn比40Cr焊接性能好，40Cr材料一般需在退火狀態下進行焊接，還要采取保溫措施控制冷卻速度，焊后還應進行熱處理。

四、兩種材料做地腳螺栓

16Mn材料在“毛胚—車絲—表面處理（消除表面缺陷）”的工藝路線下，只能夠達到5.8級。在經熱處理后最高達6.8級。

40Cr材料調質后的螺栓強度最高可以達到9.8級。對高強度螺栓來說，滾壓螺紋是最好選擇。滾壓螺紋是一種無屑加工工藝，螺紋是靠毛坯表面塑性變形而成，這種加工工藝生產率高，精度可達到4h，表面粗糙度可達Ra0.2um，滾壓螺紋時，工件材料纖維不但未被切斷，反而得到進一步強化，滾壓螺紋由于加工硬化及表面粗糙度底，還可提高疲勞強度，由于螺紋是擠壓成形的，滾壓螺紋的坯料直徑較切削螺紋的坯料直徑小，從而可節省16～25%。

40Cr材料調質前后力學性能對比見表4

高強度螺栓和普通螺栓最大差別在于其抗拉強度大，表面硬度高，機械性能好，關鍵在于材料的選擇和熱處理的不同。高強度螺栓熱處理一般指調質處理，即淬火+高溫回火。

五、結論

如設計要求支鉸地腳螺栓強度在6.8級以下，可選用16Mn材質。如強度要求在8.8級以上，要選用40Cr材質，但必須經過調質處理，且注意支鉸地腳螺栓與一期鋼筋焊接工藝，要采取保溫措施控制冷卻速度，焊后還應進行熱處理。但一般螺栓安裝現場無法做熱處理工作，即可在生產螺栓廠家完成普通鋼筋與40Cr地腳螺栓的等強焊接（搭接）及熱處理工作，在安裝現場只需將普通鋼筋與一期鋼筋按設計要求搭接焊接即可。