基于銹蝕模型的鋼閘門動力性能研究

張曉臣

（中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450001）

1 引言

水工鋼閘門在整個水利樞紐中扮演重要的角色,它是開啟和關閉泄水通道的重要部位,它攔截水流、控制水位、調節流量,必要時還要進行排放泥沙。鋼閘門的損壞引發事故的案例目前已經有很多,對于水工鋼閘門來說,因其材料都為鋼材,銹蝕是對鋼結構性能影響的重要因素,由于鋼閘門幾乎都處在潮濕、干濕交替、被水流沖刷、水生物腐蝕的環境中,極易發生化學腐蝕,導致閘門的剛度、強度以及動力學性能發生變化,使其不具備良好的性能,因此對鋼閘門銹蝕后性能的研究是非常有必要的,不僅如此對于現役鋼閘門進行定期檢測和維護也是十分有必要的。

閘門銹蝕后,銹蝕部件的截面尺寸都會減小,這將會引起閘門強度、剛度和穩定性發生變化,使其變形增大,力學性能減退,導致閘門的使用壽命降低,從安全的狀態轉變為不安全的狀態,因此銹蝕是水工鋼閘門運行中必不可少的一個需要考慮的要素[1-2]。

另外,銹蝕對閘門的自振頻率也有一定的影響。水體的自振頻率較多為低階頻率,當閘門發生銹蝕以后,自振頻率會發生改變,可能會與水體相近,這個時候就會引起共振,導致閘門的振動幅值增加,當幅值大到一定程度的時候,就將引起閘門的振動破壞。為了更加貼進實際情況,應考慮在流固耦合的情況下來研究銹蝕對閘門自振頻率的影響。

2 流固耦合理論

流固耦合是同時研究流體和固體之間相互作用的一門交叉學科,在動水作用下,流體與閘門會有耦合作用,流體對閘門具有一定的影響,即可能會導致閘門的振動特性發生一定的變化。因此,要充分考慮流體的作用,此時的運動方程為：

式中：[Ms]為閘門的質量矩陣；[Cs]為閘門的阻尼矩陣；[Ks]為閘門的剛度矩陣；[Mf]為水流作用的附加質量矩陣{u}為節點加速度列向量；{u}為節點速度列向量；{u}為節點位移列向量；{Ff}為水流引起的荷載向量；{Fs}為閘門結構上的其他荷載向量。

最終得到考慮水流影響閘門系統的特征方程為：

3 鋼結構銹蝕計算模型

徐善華教授[1]提出銹蝕后鋼材彈性模量與屈服強度的計算模型,在銹蝕彈性性能的測試中引入了細觀力學概念,建立了相關計算模型,并進行相關實驗,最后得到含有表面銹蝕坑損傷的材料等效體積模量：

式中：v 取0.25；K0為120 GPa；G0為72 GPa；f 為銹蝕損失率,即為銹蝕材料質量與未銹蝕前質量之比。

將以上各參數帶入（3）可以得到：

通過該彈性模量計算公式,得出銹蝕后的等效彈性模量,即可對閘門銹蝕后的動力性能進行研究。

4 實例分析

本文采用ANSYS 對平面鋼閘門銹蝕后的動力性能進行研究。以某水利工程的平面鋼閘門為例,閘門形式為直升式,進水口檢修閘門為平板定輪鋼閘門,閘門總體高度為4.68 m；閘門結構類型為板梁結構,布置方式為登高等高布置,主橫梁則為截面組合梁,每節門均有2根主橫梁,整扇閘門共4根；縱梁為焊接T 形截面組合梁,共3根；小橫梁為∠100×65的角鋼,共4根；頂、底梁均為20 號槽鋼。

閘門使用40年后的銹蝕情況經過檢測由表1給出。

表1 閘門主要構件銹蝕量和銹蝕速率的平均值 單位：mm

采用ANSYS APDL 來建立有限元分析模型,其中：x 軸垂直水流方向,指向右方表示正向；y 軸順水流方向,指向下游則表示正向；z 軸鉛直向上,零點位于閘門左側角點處。約束條件取為：底面采用豎向鏈桿約束,支鉸較軸采用軸向鏈桿約束,閘門側向鏈桿約束。

建立閘門模型,所有構件均采用shell181 單元,水體單元采用fluid30 單元。考慮水體作用,為了能夠更加貼近實際情況,選取水體的長度為4 倍閘門的寬度來模擬。整個有限元模型共有483213 個單元,504210 個節點。考慮銹蝕影響一般采用生死單元來進行模擬,而本文引入了基于銹蝕后彈性模量計算模型,通過采用彈性模量的等效來模擬銹蝕的情況。比較在設計水頭下,閘門非銹蝕情況和銹蝕情況下的動力性能,以及在銹蝕狀態下,不同的水位情況下,閘門的動力變化。模型見圖1。

圖1 水工鋼閘門有限元分析模型

通過考慮流固耦合作用對閘門動力性能進行分析,提取前6 階振型。通過給出的監測數據,可以計算出銹蝕損失率。然后將銹蝕損失率帶入到（4）中,即可求出閘門使用40年后的等效彈性模量E=1.47×105Pa,將未銹蝕狀態下的彈性模量用該彈性模量替代后計算即可得到閘門銹蝕后的動力特征。具體見圖2。

圖2 閘門銹蝕后在設計水位下的自振頻率

在設計水位時,閘門銹蝕狀態和未銹蝕狀態的自振頻率見表2。

表2 閘門設計水位時兩種狀態下自振頻率

圖3 設計水位兩種狀態閘門自振頻率比較

對比在設計水位時銹蝕閘門和非銹蝕閘門的振型,可知當閘門銹蝕之后,自振頻率降低。無論是閘門在銹蝕還是非銹蝕狀態下,閘門在門前有水且全關的狀態下,由于底部受到約束的影響,門體總體的振動幅度不大,主要振型特征為被水面空間聯接系的擺動。在低階次下,背水面空間聯接系振型比較明顯。

表2和圖2表示在銹蝕以及非銹蝕狀態下閘門結構的振動頻率,根據表2可以看出,閘門在銹蝕狀態下的振動頻率出現了明顯下降,并且前六階自振頻率降幅都在15%左右。結果顯示閘門在銹蝕后,振動情況會有顯著的變化。閘門長期在水中關閉和開啟,由于電化學反應的存在,導致閘門發生了銹蝕,進而引起銹蝕部分材料的退化,導致強度變低,所以閘門的自振頻率相應降低。因此閘門的銹蝕問題值得進一步重視。

由上述可知,當閘門使用40年銹蝕后自振頻率幾乎穩定的以15%左右的降幅下降,但閘前水位是動態變化的,因此為了研究不同水位對銹蝕閘門的影響,取依次降低的水位進行模擬,來研究不同水位對銹蝕閘門的影響。計算結果見圖4。

圖4 水位為4.14m 時銹蝕閘門自振頻率

當銹蝕狀態下的閘門在不同水位下,自振頻率見表3。

表3 水位為4.14 m 兩種狀態的閘門自振頻率

通過表3可以得出,當水位在逐漸降低的過程中,銹蝕后的閘門每一階振型所對應的自振頻率在逐漸增大并且在不同水位的作用下,閘門以面板和橫隔板的振動為主,其中從圖5中可以看出不管處于什么水位,對邊梁的自振頻率影響非常小,幾乎都在同一個值附近稍微波動。閘門未銹蝕的情況下,隨著水位的升高而自振頻率減少,當閘門攔蓄水流時的水位高時,在此高水位狀態下,自振頻率將降低得更快并且如果閘門出現了銹蝕,那么共振的機會將會大大增加,導致閘門運行不穩定。因此對于高水位的閘門,應該重點關注銹蝕作用對閘門的影響。

圖5 不同水位下閘門自振頻率

5 結論

（1）采用等效替代的彈性模量來模擬計算銹蝕的閘門動力特性,規律性較好。等效替代的彈性模量從細觀力學的角度出發,建立銹蝕損傷模型,通過進行嚴格的推導,得出了等效彈性模量的計算公式,該方法簡化了對銹蝕的計算,通過引入銹蝕損失率來進行求解。

（2）水工鋼閘門在水流的影響下,振動主要以低頻的振動為主,當閘門出現銹蝕之后,材料性能減弱,截面尺寸削弱,導致閘門整體剛度變小,從而自振頻率降低。

（3）通過選取不同的水位進行模擬,隨著水位的逐漸升高,閘門的自振頻率在逐漸的減小,若閘門銹蝕后,則自振頻率將會降低更快,但邊梁的振動受水位的影響不大,因此主要對銹蝕后閘門的面板和梁結構進行加固。