水工閘門密封性能及疲勞失效概率修正

孫曉輝，張連棟

(山東省德州市水利局，山東 德州 253000)

0 引 言

1949年以來(lái)，我國(guó)已建成水工鋼結(jié)構(gòu)4 000×104t，其中水工鋼閘門500×104t。構(gòu)筑物的安全運(yùn)行對(duì)中國(guó)的水利水電工程起著重要作用，在某些情況下，甚至起著決定性的作用[1-2]。然而，大量水工鋼閘門的工作條件不容樂(lè)觀。在基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)現(xiàn)許多缺陷，包括腐蝕、過(guò)度應(yīng)力斷裂、結(jié)構(gòu)剛度降低和嚴(yán)重的運(yùn)行振動(dòng)。在進(jìn)一步出現(xiàn)問(wèn)題之前，應(yīng)采取有效措施檢測(cè)結(jié)構(gòu)缺陷及其潛在威脅。

為了維持高水頭水電站的發(fā)展，水頭和閘門尺寸應(yīng)為相對(duì)尺寸。在這種情況下，水封裝置的操作和功能非常重要。如果閘門水封漏水，很可能導(dǎo)致閘門振動(dòng)和閘門槽侵蝕。這可能會(huì)惡化閘門和水工建筑物的運(yùn)行條件，從而破壞它們，并給日常維護(hù)帶來(lái)困難[3-4]。因此，本文的第一個(gè)目標(biāo)是測(cè)試改進(jìn)型水封結(jié)構(gòu)的性能，包括頂部、側(cè)面和底部水封以及旋轉(zhuǎn)鉸鏈水封。通過(guò)試驗(yàn)，將推薦合理的預(yù)設(shè)壓縮變形，并建議可供其他項(xiàng)目參考的位置。第二個(gè)目標(biāo)是基于貝葉斯定理更新水工鋼閘門的疲勞可靠性評(píng)估。

1 模型材料與實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 模型水封材料

本文以德州市丁東水庫(kù)東側(cè)水閘為例進(jìn)行研究。在實(shí)驗(yàn)中，水閘頂部、側(cè)面和底部水封由T444橡膠制成，旋轉(zhuǎn)鉸鏈水封由LD-19橡膠制成，側(cè)面和旋轉(zhuǎn)鉸鏈水封表面粘貼聚四氟乙烯。T444水封型號(hào)的每個(gè)部件都牢固黏合。黏結(jié)顯示，兩側(cè)的厚度不一致，相差約1～2 mm。底部水封的厚度和寬度也不一致，中間部分較厚且較寬(5～7 mm)，兩側(cè)為2 mm。側(cè)水封比所需長(zhǎng)度長(zhǎng)約20 mm。側(cè)水封上的聚四氟乙烯由三部分黏合，接頭中有5～9 m的間隙。

1.2 水封改造

密封機(jī)構(gòu)的原始設(shè)計(jì)方案存在缺陷，主要問(wèn)題是漏水，涉及旋轉(zhuǎn)鉸鏈水封、頂部和側(cè)面水封。此外，旋轉(zhuǎn)鉸鏈?zhǔn)剿獾哪湍バ阅茌^差，分析其原因是水封在水壓作用下被壓碎。因此，沿壓縮力方向的有效壓縮變形相應(yīng)減小，沿水封方向的接觸應(yīng)力不足。為此，應(yīng)采取必要措施限制沿非壓縮力方向的變形。根據(jù)前面提到的問(wèn)題，對(duì)水封模型進(jìn)行了如下修改。頂部水封背面鍍有鋼板，以限制變形，防止密封在壓力下破碎；頂部密封的壓盤加寬至80 mm；頂部密封的橡膠墊板在右側(cè)和左側(cè)分別延伸3 mm，使預(yù)設(shè)壓縮變形增加，以限制漏水；側(cè)密封的壓盤加寬至80 mm，以限制變形。

2 疲勞裂紋的概率特征

無(wú)損檢測(cè)(NDT)的目的是避免可能因疲勞裂紋而降低結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和完整性和/或其部件的檢測(cè)程序。在無(wú)損檢測(cè)中，對(duì)原始疲勞損傷模型進(jìn)行測(cè)試，以收集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從而更新時(shí)變疲勞可靠性并指導(dǎo)維護(hù)策略，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的安全性。一些學(xué)者使用超聲波檢測(cè)方法進(jìn)行可靠性分析。由于測(cè)試環(huán)境、測(cè)試儀器結(jié)構(gòu)、材料分散性以及導(dǎo)致無(wú)損檢測(cè)的敏感人工操作因素，無(wú)損檢測(cè)本身仍包含許多不確定因素，所以測(cè)量結(jié)果可能不理想。為了評(píng)估無(wú)損檢測(cè)模型的效果，考慮了其在確定裂紋檢測(cè)精度時(shí)具有高檢測(cè)概率(POD)和誤檢率(FDR)的能力參數(shù)。POD表示檢測(cè)到特定裂紋的概率，這對(duì)于無(wú)損檢測(cè)非常重要，POD值隨裂紋的擴(kuò)展而增大。3種典型的POD曲線見(jiàn)圖1。

圖1 POD曲線模型

POD分布指數(shù)表示為：

POD(a)=(1-p)[1-exp(-ca)]

(1)

式中：c為由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的參數(shù)；p為關(guān)于a裂紋尺寸的置信參數(shù)，通常取0.01～0.05。

裂紋檢測(cè)精度反映了實(shí)際裂紋，其中裂紋檢測(cè)之間的差異大小由NDT參數(shù)的水平來(lái)表征。裂紋檢測(cè)誤差影響系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。許多學(xué)者討論了裂紋及其與檢測(cè)之間的關(guān)系，相應(yīng)的線性回歸方程如下：

A=b0+b1Am+ε′

(2)

式中：A為實(shí)際裂紋尺寸；Am為試驗(yàn)裂紋尺寸；b0和b1為線性回歸系數(shù)；ε′為剩余隨機(jī)誤差，其平均值為0。

如果確定了實(shí)際裂紋尺寸，則將通過(guò)線性回歸方法計(jì)算試驗(yàn)裂紋：

Am=β0+β1A+ε

(3)

式中：β0和β1為回歸系數(shù)；ε為平均值為0的隨機(jī)變量的正態(tài)分布。

標(biāo)準(zhǔn)偏差用σε表示，其值將隨裂紋尺寸的變化而變化，它表明了無(wú)損檢測(cè)的準(zhǔn)確性。如果σε值較小，則無(wú)損檢測(cè)的精度較高。當(dāng)β0、β1和σε分別等于0、1和0時(shí)，測(cè)試裂紋尺寸Am等于實(shí)際裂紋尺寸A。

誤檢率(FDR)定義為疲勞裂紋損傷評(píng)估的完整部件占部件的百分比。錯(cuò)誤的裂縫檢測(cè)將造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失，并可能遺漏真實(shí)裂縫，從而降低結(jié)構(gòu)的安全性。FDR與試驗(yàn)方法有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，高性能裂紋檢測(cè)技術(shù)往往伴隨著較高的FDR。FDR可以通過(guò)在無(wú)裂紋的基礎(chǔ)設(shè)施上進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)獲得，計(jì)算模型如下：

POD(a)={1+exp[-(a+βa)]}-1

(4)

式中：a和β為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的參數(shù)。

錯(cuò)誤檢查率(FDR)可表示為公式：

FOD=POD(0)=[1+exp(-a)]-1

(5)

通常，疲勞裂紋尺寸為a的檢測(cè)概率可表示為公式：

POD(a)=P(Am>0|A=a)

(6)

當(dāng)考慮實(shí)際裂紋與檢測(cè)裂紋的關(guān)系時(shí)，將其替換為式(3)，則：

POD(a)=P(β0+β1a+ε>0)=P(ε<β0+β1a)

(7)

同樣，F(xiàn)DR可以表示為式：

FOD=P(Am>0|A=0)=P(β0+ε>0)=P(ε<β0)=POD(0)

(8)

如果隨機(jī)誤差ε屬于正態(tài)分布N(0，σs)，式(7)和式(8)可以寫為式(9)和式(10)：

(9)

(10)

3 既有水工鋼閘門疲勞可靠性更新評(píng)估

本文對(duì)德州市丁東水庫(kù)東側(cè)水閘主梁進(jìn)行研究，該閘門于2004年制造。該閘門的主桁架梁見(jiàn)圖2。

圖2 鋼閘門主桁梁

斷裂力學(xué)分析結(jié)果表明，構(gòu)件JP的剩余壽命較短。該組件是閘門最脆弱的部分。因此，選擇該構(gòu)件(JP)進(jìn)行水工鋼閘門的更新疲勞評(píng)估研究。選擇構(gòu)件JP通過(guò)程序計(jì)算更新的可靠性指標(biāo)β。構(gòu)件的初始裂縫是兩年前發(fā)現(xiàn)的。現(xiàn)在通過(guò)檢測(cè)，現(xiàn)有裂紋長(zhǎng)度Am為20.3 mm。β-T(時(shí)間)曲線見(jiàn)圖3。

圖3 裂紋長(zhǎng)度的疲勞修正

圖3表明，疲勞可靠性試驗(yàn)顯示出顯著變化。2、3和5年的疲勞可靠性指數(shù)分別從2.53增加到3.59、2.215增加到2.487、1.287增加到1.513。隨著時(shí)間的增加，檢查前更新的疲勞可靠性曲線接近可靠性曲線，曲線之間的差異趨于減小。可以看到，更新后的β-T曲線和目標(biāo)可靠性，并相應(yīng)地調(diào)整維護(hù)間隔組件。

從圖3可以看出，疲勞可靠性試驗(yàn)呈現(xiàn)出顯著變化。兩年的疲勞可靠性指數(shù)從2.53增加到3.59。圖4為POD曲線模型，根據(jù)圖4計(jì)算，可將大裂紋視為泄漏的影響。另一種方法是通過(guò)計(jì)算考慮FDR效應(yīng)。為了分析無(wú)損檢測(cè)精度對(duì)疲勞可靠性的影響，雙曲線POD模型在計(jì)算中考慮了多個(gè)參數(shù)。相應(yīng)的曲線見(jiàn)圖5。

圖4 含未檢測(cè)裂紋的POD曲線

圖5 通過(guò)圖4中的POD曲線對(duì)未檢測(cè)到的裂紋進(jìn)行疲勞更新

圖5表明，更新的可靠性指標(biāo)增加了檢測(cè)到的裂紋數(shù)量，而更新的可靠性指標(biāo)隨著參數(shù)c、p、a和β的變化而變化。表1為5種不同POD曲線的疲勞可靠性試驗(yàn)。

表1 構(gòu)件JP未檢測(cè)裂紋的更新疲勞

如果在第二年發(fā)現(xiàn)構(gòu)件JP的裂紋，但這些裂紋的詳細(xì)尺寸未知，則此后每年的更新疲勞概率可以計(jì)算檢測(cè)后更新的可靠性指數(shù)β，相應(yīng)的β-T曲線見(jiàn)圖6。

圖6 通過(guò)圖4中的POD曲線，利用檢測(cè)到的無(wú)尺寸裂紋進(jìn)行疲勞更新

4 結(jié) 論

如果通過(guò)修改適當(dāng)控制裝置的幾何尺寸，當(dāng)頂部、底部和側(cè)面水封的壓縮變形分別為4、10和3～5 mm時(shí)，在85 m水頭以下，密封可以有效。水封的形狀、整體連接接頭和結(jié)構(gòu)表明，經(jīng)過(guò)本實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行的修改后，水封的密封性能有所改善。必須嚴(yán)格控制水封的材料特性及其幾何尺寸，以獲得令人滿意的結(jié)果。在本實(shí)驗(yàn)中，漏水量出現(xiàn)偏差，從而影響裂縫檢測(cè)精度。建議在安裝閘門和閘門槽后，側(cè)水封的預(yù)設(shè)壓縮變形應(yīng)為3～5 mm，以便密封性能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。必須以均勻的力擰緊螺栓，因?yàn)轫敳克獾牡装迨呛穸葹? mm的橡膠板，這種技術(shù)可以避免在安裝頂部水封后形成粗糙表面。頂部水封底板左右兩側(cè)的長(zhǎng)度應(yīng)延長(zhǎng)3 mm，以保持頂部水封底板接頭與側(cè)密封角之間的一定預(yù)設(shè)壓縮變形，可有效地限制該部件的漏水。研究表明，基于貝葉斯概率定理，可以將無(wú)損檢測(cè)結(jié)果有效地引入斷裂力學(xué)評(píng)價(jià)模型，可以更新裂紋擴(kuò)展模型和參數(shù)。此外，本研究推薦的分析方法可改進(jìn)疲勞耐久性和安全評(píng)估系統(tǒng)。