銹蝕后深孔弧形鋼閘門安全評估及壽命預測

韓林山，劉國龍，上官宗光，李 冰，李金興

(1.華北水利水電大學 機械學院，河南 鄭州 450045；2.河南省信陽水文水資源勘測局，河南 信陽 464000)

1 概述

深孔弧形鋼閘門具有啟閉省力、埋件少、泄流條件好、適應性強等優點，因而被廣泛應用于泄水建筑物中的工作閘門，其運行穩定性對整個水利設施有著十分重要的意義[1- 2]。在實際運行中深孔弧形鋼閘門受水流長時間沖刷、反復浸泡以及惡劣環境等諸多因素的影響，經多年運行后面板處出現了嚴重銹蝕現象，對水庫大壩的安全運行帶來了重大隱患[3- 4]。

一些學者對閘門銹蝕后力學性能進行了諸多研究，楊光明[5]等收集分析了我國200多個單位的鋼閘門銹蝕速率相關數據,提出我國水利水電工程鋼閘門銹蝕速率主要分布在0.016～0.055mm/a之間。張漢云[6]等采用數值仿真方法對某水電站工作閘門銹蝕后安全性能進行了評估分析，結果表明有限元模擬方法可以準確地反應弧形薄壁空間結構的變形特點和應力分布。余向明[7]等通過有限元法對銹蝕前后某弧形閘門強度和剛度進行了分析，結果表明銹蝕對弧形鋼閘門內力分布及靜力穩定的影響不可忽視。王嬌[8]、王超[9]等研究了銹蝕對弧形鋼閘門靜力學性能的影響，結果表明銹蝕對鋼閘門承載能力的影響較大，對剛度的影響較小，當銹蝕坑位于面板銹蝕敏感部位時，對面板應力的影響較大。黃勇[10]、董現[11]等分別對弧形和平面鋼閘門銹蝕后動力性能進行了研究，發現銹蝕現象對鋼閘門自振頻率具有明顯影響，在水流頻率低時可能產生共振現象。

目前，針對深孔弧形鋼閘門銹蝕現場檢測數據還較少，在其安全評估及壽命預測等方面有待進一步研究。本文以運行20年的三峽大壩某深孔弧形鋼閘門為例，對其銹蝕狀況進行了現場檢測，采用有限元仿真對其銹蝕后安全性能進行了評估分析，提出了銹蝕后深孔弧形鋼閘門壽命預測方法，為銹蝕后深孔弧形鋼閘門力學性能的研究及工程應用提供支撐。

2 弧形鋼閘門面板銹蝕檢測

深孔弧形鋼閘門的面板長期運行在浸沒、干濕交替、復雜水質沖刷的環境之中，受到水流沖蝕及環境水化學作用，銹蝕情況最為嚴重。運行20年的三峽大壩某深孔弧形鋼閘門面板銹蝕現場檢測示意圖如圖1(a)所示，現場檢測中同一銹蝕區域內的銹蝕深度并不均勻，取區域內的銹蝕深度平均值表征其銹蝕程度，銹蝕程度可分為3個等級，對應的銹蝕深度分別為5mm，3.5mm和1.5mm。不同銹蝕深度的現場檢測結果分別如圖1(b)、圖1(c)和圖1(d)所示。圖1(b)是一處區域銹蝕，其集中區域部分有較深的蝕坑，深度在5mm左右，表面涂層大面積脫落；圖1(c)是一處局部銹蝕，有明顯的蝕坑，深度在3.5mm左右，損傷截面較小，涂層局部脫落；圖1(d)是一處區域銹蝕，由大片蝕斑形成的密集區域組成，銹蝕深度在1.5mm左右，部分區域涂層損傷。現場檢測深孔弧形鋼閘門銹蝕速率為0.075～0.25mm/a，遠超文獻[10]中的銹蝕速率范圍，可見由于深孔弧形鋼閘門設計水頭高、工作環境惡劣，面板的銹蝕速率遠高于普通鋼閘門。

3 弧形鋼閘門安全性能評估

3.1 工程案例

三峽大壩某深孔弧形鋼閘門主要由面板、主梁、次梁和支臂等結構組成，閘門孔口尺寸7.0m×9.0m(寬×高)，弧門半徑15m，面板厚度30mm，設計水頭85m，閘門自重245.1t。閘門材料為Q345B，彈性模量E=206000MPa，密度ρ=7850kg/m3，泊松比μ=0.30。

3.2 有限元模型

以運行20年的三峽大壩某深孔弧形鋼閘門為研究對象，根據圖1所示的面板銹蝕狀態現場檢測數據，對弧形鋼閘門面板銹蝕位置厚度按實測數據進行削減，采用三維實體單元(Solid187和Solid185)對閘門整體結構進行模擬，建立銹蝕后閘門有限元模型如圖2所示，并給出位置20處的局部網格劃分情況細節圖，閘門有限元模型整個結構共劃分為257690個單元，626889個節點[12- 13]。

3.3 邊界條件

閘門有限元模型的直角坐標系方向設定為：以順水流方向為x軸(向下游為正)，重力方向為y軸(向上為正)，垂直水流方向為z軸(向右為正)。在閘門支腿端部施加固定約束，來模擬閘門固定支鉸起到的固定支承作用；在閘門底部施加Uy=0，模擬閘門底檻結構的支撐作用；在閘門兩側施加Uz=0，來模擬側輪對閘門支撐作用。計算時考慮水載荷和閘門自重，進行靜水分析時，按照由下到上遞增的方式添加Pressure壓力梯度載荷，重力加速度設置為9.8m/s2。

3.4 安全評估標準

根據SL 74—2019《水利水電工程鋼閘門設計規范》規定，閘門材料容許局部承壓應力值為327.75MPa，閘門主要結構容許變形值如表1所示，其中主梁、次梁、隔板許用值分別為L/600、L/250、L/750，L為其對應計算跨度。

3.5 結果分析

運行20年的三峽大壩某深孔弧形鋼閘門應力和變形云圖分別如圖3—4所示。

圖1 面板銹蝕狀態現場檢測結果

圖2 銹蝕后弧形鋼閘門有限元模型

表1 閘門主要結構容許變形值

圖3 閘門應力云圖

圖4 閘門變形云圖

由圖3可知，閘門應力幅值為241.59MPa，出現在支臂的撐桿翼板連接位置，小于其容許局部承壓應力值；由圖4可知，閘門變形幅值為8.48mm，出現在面板頂部位置，主梁、次梁和隔板變形幅值均小于其容許變形值。因此，運行20年的三峽大壩某深孔弧形鋼閘門強度及剛度仍滿足設計規范要求。

銹蝕前后弧形鋼閘門整體及主要結構應力幅值如表2所示。由表2可知，閘門整體及主要結構應力幅值基本保持不變，但面板應力幅值從132.37MPa增加到了150.60MPa，增加了13.77%。

表2 銹蝕前后閘門整體及主要結構應力幅值

銹蝕前后面板應力云圖分別如圖5—6所示。由圖5和圖6可知，銹蝕后面板應力幅值由主梁與主橫梁連接處向上偏移，該位置與圖1(b)中的深度銹蝕區域重合，可見銹蝕情況會影響閘門面板的應力分布。

圖5 未銹蝕面板應力云圖

圖6 銹蝕后面板應力云圖

銹蝕前后弧形鋼閘門整體及主要結構變形幅值如表3所示。由表3可知，銹蝕前后弧形鋼閘門整體及主要結構變形幅值基本保持不變，結果表明運行20年的閘門銹蝕狀況對其剛度影響很小。

表3 銹蝕前后閘門整體及主要結構變形幅值

4 深孔弧形鋼閘門壽命預測

假定深孔弧形鋼閘門的面板銹蝕速率保持不變，依照現有檢測數據對面板銹蝕區域面積及深度按等比例放大，計算得到不同運行年限閘門主要結構的應力及變形幅值，并預測其安全使用壽命。三峽大壩某深孔弧形鋼閘門主要結構應力及變形幅值隨運行時間變化曲線分別如圖7—8所示。

圖7 應力幅值對比圖

圖8 變形幅值對比圖

由圖7可知，隨著運行年限的增加，閘門面板處的應力幅值呈明顯上升趨勢，運行60年時，面板應力幅值從132.37MPa增加到了374.59MPa，增加了182.99%，而主梁與次梁應力幅值僅分別增加2.56%和5.09%，其余部位應力幅值變化較小。隨運行年限及銹蝕情況加重，弧形鋼閘門整體應力幅值逐漸由支臂轉移到面板位置，運行56.5年時面板應力幅值達到了材料容許局部承壓最大應力值，此時面板將被破壞，因此深孔弧形鋼閘門預測安全使用壽命為56年；由圖8可知，面板變形從8.44mm增加到了10.56mm，增加了25.12%，其余部位變形幾乎保持不變。

閘門銹蝕60年面板應力云圖如圖9所示。由圖9可知，閘門面板工作60年時應力值超過了材料的局部承壓最大應力值，該位置處于面板與主梁的連接位置，同時位于圖1(b)所示區域銹蝕位置。

圖9 銹蝕60年面板應力圖

圖10 不同銹蝕位置應力幅值變化圖

圖1(a)中位置8、20和23銹蝕區域應力幅值隨閘門運行時間變化情況如圖10所示。由圖10可知，隨著閘門運行時間的增加，8號、20號和23號位置的應力幅值分別從147.58MPa、50.44MPa和148.32MPa增加到了374.59MPa、123.53MPa和181.90MPa，分別增加了153.82%、144.90%和22.64%，可見銹蝕的發生顯著增加了所在位置的應力值，且銹蝕深度越深、面積越大，應力幅值增加越明顯。

5 結語

本文通過對三峽大壩某深孔弧形鋼閘門銹蝕情況現場檢測，對其現役安全性能進行了評估分析，并預測了其安全使用壽命，得到以下幾點結論：

(1)三峽大壩某深孔弧形鋼閘門運行20年時，面板應力幅值從132.37MPa增加到了150.60MPa，增加了13.77%，但整體及其它主要結構應力幅值基本保持不變；

(2)三峽大壩某深孔弧形鋼閘門運行20年時，面板銹蝕問題對閘門整體及主要結構剛度影響很小；

(3)三峽大壩某深孔弧形鋼閘門預測安全使用壽命為56年，超過安全使用壽命后，面板銹蝕嚴重位置最先發生破壞；

(4)面板銹蝕處應力幅值隨著銹蝕區域面積和深度的增加而顯著增大。