大型弧形鋼閘門支鉸軸承異響原因分析及對策措施

黃雪嬌， 陳 鋒

(1.江蘇省太湖地區(qū)水利工程管理處， 江蘇 蘇州 215000； 2.常州市城市防洪工程管理處， 江蘇 常州 213000)

鋼閘門按門葉形狀可以分為平面鋼閘門、弧形鋼閘門、人字形鋼閘門，其中弧形鋼閘門是指擋水面板為弧形的一類鋼閘門，其支臂的支承鉸位于圓心，啟閉時閘門繞支承鉸轉(zhuǎn)動。支承鉸由連接支臂的鉸鏈、固定軸和固定鉸座組成。鉸座牢固地與建筑物上的埋設(shè)構(gòu)件連接，并傳力于基礎(chǔ)上[1]。

支承鉸的形式有圓柱鉸和圓錐鉸等。圓柱鉸構(gòu)造比較簡單，制造、安裝也較方便，應(yīng)用普遍；圓錐鉸多用于大跨度(寬)露頂式弧形閘門上。弧形閘門不設(shè)門槽，啟閉力較小，水力條件好，廣泛用于各種類型的水道上作為工作閘門運行[2]。

本文對鐘樓防洪控制工程的大型弧形鋼閘門在運行過程中出現(xiàn)支鉸軸承異響的現(xiàn)象分析原因并研究對策。

1 技術(shù)參數(shù)及運行原理

1.1 技術(shù)參數(shù)

鐘樓防洪控制工程位于京杭運河常州段[3]，主體工程為單孔凈寬90 m的超大平面弧形雙開型鋼閘門，弧形閘門高7 m，厚3.5 m，弧面半徑60.0 m，單側(cè)閘門面板弧長58.357 m，閘門總重800 t，鉸鏈和鉸座重量30 t。閘門支臂為鋼管結(jié)構(gòu)空間三角形桁架，閘門支鉸為球形鉸，支鉸基礎(chǔ)為分別設(shè)置于南北兩岸的16×20 m鋼筋混凝土沉井。支鉸軸承為自潤滑關(guān)節(jié)軸承GEW600HFZ5-2RS。在國內(nèi)該閘門尚屬于第一個大型平面雙開有軌弧鋼閘門。

1.2 運行原理

平時閘門全開，門體置于兩岸門庫內(nèi)。當汛期水位較高閘門需要關(guān)閉時，臨水側(cè)擋水閘門翻倒，支臂與門體形成整體，繞支鉸軸做58.35°內(nèi)往復(fù)圓周運動。在閘門艙內(nèi)水位組合下，支臂和鋼閘門的重量作用在FZB自潤滑關(guān)節(jié)軸承球面上，軸和軸承內(nèi)圈、鉸鏈與軸承外圈間過盈配合。閘門啟閉過程中，門體與鉸鏈及鑲嵌在鉸鏈內(nèi)孔的軸承外圈三者形成整體，圍繞軸與軸承內(nèi)圈形成的整體做圓周運動。

2 支鉸軸承異響原因分析

2.1 異響情況

該工程位于京杭運河常州段，除在汛期受降雨、水位影響需要關(guān)閉閘門，實現(xiàn)擋水泄洪功能外，閘門長期處于全開狀態(tài)。工程管理人員每月在不影響航道安全的情況下，對閘門進行小范圍啟閉試運行，因此支鉸活動范圍較小，運行頻次較低。

2018年5月29日，鐘樓防洪控制工程在閘門啟閉過程中，北側(cè)閘門的支鉸部位發(fā)出“咯咯咯”連續(xù)不間斷異響，而后在每月經(jīng)常性檢查中發(fā)現(xiàn)南側(cè)閘門在運行時支鉸也發(fā)出類似異響。

2.2 原因分析

該有軌弧形閘門正常運行已超過10年，通過觀察與檢測等分析，引起支鉸軸承異響主要是以下因素。

2.2.1 自然磨損

2015—2017年汛期該工程分別持續(xù)運行7 d、12 d、4 d，支鉸長時間浸泡在水中，水中污垢順著老化的密封圈內(nèi)圈慢慢滲進關(guān)節(jié)軸承內(nèi)部，加之關(guān)節(jié)軸承內(nèi)部長期缺油(潤滑不足和使用頻率低)，拆開關(guān)節(jié)軸承發(fā)現(xiàn)上部承載部分有明顯的磨損且沒有潤滑油。

2.2.2 電化學(xué)腐蝕

鋼鐵在潮濕的空氣中所發(fā)生的腐蝕以電化學(xué)腐蝕最為突出。鐵在干燥的空氣里不易腐蝕，但在潮濕的空氣中卻很快就會腐蝕。在潮濕的空氣里，鐵的表面吸附了一層薄薄的水膜，這層水膜里含有少量的氫離子與氫氧根離子，還溶解了氧氣等氣體，結(jié)果在鐵表面形成了電解質(zhì)溶液，電化學(xué)腐蝕是造成鐵腐蝕的主要原因。

3 對策研究

3.1 原理分析

自然磨損在正常使用中是不可避免的，但如果確保外界的水汽和灰塵沒有進入關(guān)節(jié)軸承內(nèi)部，且有充足潤滑油脂就可以減緩磨損。不銹鋼中Cr是最有效提高電化學(xué)腐蝕性能的合金元素，與Mo、Ni、N等合金元素配合，效果最好。降低鋼中的P、S、C等雜質(zhì)含量可降低電化學(xué)腐蝕敏感性，奧氏體不銹鋼經(jīng)過固溶處理后耐電化學(xué)腐蝕。

預(yù)防電化學(xué)腐蝕的措施：(1)加入抗電化學(xué)腐蝕的合金元素，含Cr、Mo或少量N、C的不銹鋼電化學(xué)腐蝕效果最好，如雙相不銹鋼及超純鐵素體不銹鋼；(2)電化學(xué)保護；(3)使用緩蝕劑；(4)增設(shè)潤滑油脂。

3.2 改進措施

更換已磨損腐蝕的軸承，將支鉸軸承從閘門上拆除，回廠將鉸鏈外圍清理干凈，將鉸鏈進行噴砂、噴漆整體防腐處理，對支鉸軸進行脫鉻、車加工C61140、鍍鉻加工處理。

根據(jù)磨損情況，在關(guān)節(jié)軸承旋轉(zhuǎn)部位增加內(nèi)部油路，支鉸增加進出油口，現(xiàn)場增加潤滑泵系統(tǒng)。采用GEW600HFZB53-2RS自潤滑關(guān)節(jié)軸承。該軸承結(jié)構(gòu)形式外圈為高強度銅合金，雙半外圈型式，球面鑲嵌固體潤滑劑；內(nèi)圈為雙相不銹鋼。軸承外圈自帶密封，采用“O”形密封圈。GEW600H FZB53-2RS軸承內(nèi)圈材料為S31803(SAF2205)，外圈基體材料為高強銅合金[4-5]。

3.3 方案研究

本方案所采用的雙相不銹鋼為軸承內(nèi)圈(Duplex Stainless Steel，簡稱DSS)，指鐵素體與奧氏體各約占50%的新型不銹鋼，其各項機械強度等性能均能滿足工程需要且有極好的耐腐蝕性能，將徹底解決處于水下工作或長期潮濕大氣環(huán)境條件下軸承套圈的銹蝕問題。雙相不銹鋼00Cr22Ni5Mo3N(簡稱2205不銹鋼)在正常固溶處理(1 020～1 100℃加熱并水冷)后，鋼中含有大約50%～60%奧氏體和50%～40%鐵素體組織。其耐蝕性能與奧氏體不銹鋼AISI 316L相當。該軸承套圈方案應(yīng)用于多個水利工程，如廣西邕寧樞紐工程、廣東高陂水利工程等。

本方案采用的自潤滑軸承加裝外部脂潤滑的復(fù)合潤滑方式，其目的是進一步提高軸承的潤滑性能，在軸承本身具備自潤滑性能的條件下提供一道保險。同時去除由于密封失效等原因造成的軸承內(nèi)部的污染，使運行更加可靠。

4 結(jié) 語

鐘樓防洪控制工程采用上述方案，優(yōu)化了支鉸軸承潤滑功能，消除了異響，去除由于密封失效等原因造成的軸承內(nèi)部的污染，使運行更加可靠。本文僅初步研究了支鉸軸承潤滑系統(tǒng)的優(yōu)化，對改造過程中的實際施工難題如大型閘門頂升、支鉸吊裝、地基影響、潤滑系統(tǒng)操作及后續(xù)維護等問題有待進一步研究。