锈蚀后深孔弧形钢闸门安全评估及寿命预测

2023-02-09韩林山刘国龙上官宗光李金兴

水利规划与设计 2023年1期

韩林山，刘国龙，上官宗光，李冰，李金兴

(1.华北水利水电大学机械学院，河南郑州 450045；2.河南省信阳水文水资源勘测局，河南信阳 464000)

1 概述

深孔弧形钢闸门具有启闭省力、埋件少、泄流条件好、适应性强等优点，因而被广泛应用于泄水建筑物中的工作闸门，其运行稳定性对整个水利设施有着十分重要的意义[1- 2]。在实际运行中深孔弧形钢闸门受水流长时间冲刷、反复浸泡以及恶劣环境等诸多因素的影响，经多年运行后面板处出现了严重锈蚀现象，对水库大坝的安全运行带来了重大隐患[3- 4]。

一些学者对闸门锈蚀后力学性能进行了诸多研究，杨光明[5]等收集分析了我国200多个单位的钢闸门锈蚀速率相关数据,提出我国水利水电工程钢闸门锈蚀速率主要分布在0.016～0.055mm/a之间。张汉云[6]等采用数值仿真方法对某水电站工作闸门锈蚀后安全性能进行了评估分析，结果表明有限元模拟方法可以准确地反应弧形薄壁空间结构的变形特点和应力分布。余向明[7]等通过有限元法对锈蚀前后某弧形闸门强度和刚度进行了分析，结果表明锈蚀对弧形钢闸门内力分布及静力稳定的影响不可忽视。王娇[8]、王超[9]等研究了锈蚀对弧形钢闸门静力学性能的影响，结果表明锈蚀对钢闸门承载能力的影响较大，对刚度的影响较小，当锈蚀坑位于面板锈蚀敏感部位时，对面板应力的影响较大。黄勇[10]、董现[11]等分别对弧形和平面钢闸门锈蚀后动力性能进行了研究，发现锈蚀现象对钢闸门自振频率具有明显影响，在水流频率低时可能产生共振现象。

目前，针对深孔弧形钢闸门锈蚀现场检测数据还较少，在其安全评估及寿命预测等方面有待进一步研究。本文以运行20年的三峡大坝某深孔弧形钢闸门为例，对其锈蚀状况进行了现场检测，采用有限元仿真对其锈蚀后安全性能进行了评估分析，提出了锈蚀后深孔弧形钢闸门寿命预测方法，为锈蚀后深孔弧形钢闸门力学性能的研究及工程应用提供支撑。

2 弧形钢闸门面板锈蚀检测

深孔弧形钢闸门的面板长期运行在浸没、干湿交替、复杂水质冲刷的环境之中，受到水流冲蚀及环境水化学作用，锈蚀情况最为严重。运行20年的三峡大坝某深孔弧形钢闸门面板锈蚀现场检测示意图如图1(a)所示，现场检测中同一锈蚀区域内的锈蚀深度并不均匀，取区域内的锈蚀深度平均值表征其锈蚀程度，锈蚀程度可分为3个等级，对应的锈蚀深度分别为5mm，3.5mm和1.5mm。不同锈蚀深度的现场检测结果分别如图1(b)、图1(c)和图1(d)所示。图1(b)是一处区域锈蚀，其集中区域部分有较深的蚀坑，深度在5mm左右，表面涂层大面积脱落；图1(c)是一处局部锈蚀，有明显的蚀坑，深度在3.5mm左右，损伤截面较小，涂层局部脱落；图1(d)是一处区域锈蚀，由大片蚀斑形成的密集区域组成，锈蚀深度在1.5mm左右，部分区域涂层损伤。现场检测深孔弧形钢闸门锈蚀速率为0.075～0.25mm/a，远超文献[10]中的锈蚀速率范围，可见由于深孔弧形钢闸门设计水头高、工作环境恶劣，面板的锈蚀速率远高于普通钢闸门。

3 弧形钢闸门安全性能评估

3.1 工程案例

三峡大坝某深孔弧形钢闸门主要由面板、主梁、次梁和支臂等结构组成，闸门孔口尺寸7.0m×9.0m(宽×高)，弧门半径15m，面板厚度30mm，设计水头85m，闸门自重245.1t。闸门材料为Q345B，弹性模量E=206000MPa，密度ρ=7850kg/m3，泊松比μ=0.30。

3.2 有限元模型

以运行20年的三峡大坝某深孔弧形钢闸门为研究对象，根据图1所示的面板锈蚀状态现场检测数据，对弧形钢闸门面板锈蚀位置厚度按实测数据进行削减，采用三维实体单元(Solid187和Solid185)对闸门整体结构进行模拟，建立锈蚀后闸门有限元模型如图2所示，并给出位置20处的局部网格划分情况细节图，闸门有限元模型整个结构共划分为257690个单元，626889个节点[12- 13]。

3.3 边界条件

闸门有限元模型的直角坐标系方向设定为：以顺水流方向为x轴(向下游为正)，重力方向为y轴(向上为正)，垂直水流方向为z轴(向右为正)。在闸门支腿端部施加固定约束，来模拟闸门固定支铰起到的固定支承作用；在闸门底部施加Uy=0，模拟闸门底槛结构的支撑作用；在闸门两侧施加Uz=0，来模拟侧轮对闸门支撑作用。计算时考虑水载荷和闸门自重，进行静水分析时，按照由下到上递增的方式添加Pressure压力梯度载荷，重力加速度设置为9.8m/s2。

3.4 安全评估标准

根据SL 74—2019《水利水电工程钢闸门设计规范》规定，闸门材料容许局部承压应力值为327.75MPa，闸门主要结构容许变形值如表1所示，其中主梁、次梁、隔板许用值分别为L/600、L/250、L/750，L为其对应计算跨度。

3.5 结果分析

运行20年的三峡大坝某深孔弧形钢闸门应力和变形云图分别如图3—4所示。

图1 面板锈蚀状态现场检测结果

图2 锈蚀后弧形钢闸门有限元模型

表1 闸门主要结构容许变形值

图3 闸门应力云图

图4 闸门变形云图

由图3可知，闸门应力幅值为241.59MPa，出现在支臂的撑杆翼板连接位置，小于其容许局部承压应力值；由图4可知，闸门变形幅值为8.48mm，出现在面板顶部位置，主梁、次梁和隔板变形幅值均小于其容许变形值。因此，运行20年的三峡大坝某深孔弧形钢闸门强度及刚度仍满足设计规范要求。

锈蚀前后弧形钢闸门整体及主要结构应力幅值如表2所示。由表2可知，闸门整体及主要结构应力幅值基本保持不变，但面板应力幅值从132.37MPa增加到了150.60MPa，增加了13.77%。

表2 锈蚀前后闸门整体及主要结构应力幅值

锈蚀前后面板应力云图分别如图5—6所示。由图5和图6可知，锈蚀后面板应力幅值由主梁与主横梁连接处向上偏移，该位置与图1(b)中的深度锈蚀区域重合，可见锈蚀情况会影响闸门面板的应力分布。

图5 未锈蚀面板应力云图

图6 锈蚀后面板应力云图

锈蚀前后弧形钢闸门整体及主要结构变形幅值如表3所示。由表3可知，锈蚀前后弧形钢闸门整体及主要结构变形幅值基本保持不变，结果表明运行20年的闸门锈蚀状况对其刚度影响很小。

表3 锈蚀前后闸门整体及主要结构变形幅值

4 深孔弧形钢闸门寿命预测

假定深孔弧形钢闸门的面板锈蚀速率保持不变，依照现有检测数据对面板锈蚀区域面积及深度按等比例放大，计算得到不同运行年限闸门主要结构的应力及变形幅值，并预测其安全使用寿命。三峡大坝某深孔弧形钢闸门主要结构应力及变形幅值随运行时间变化曲线分别如图7—8所示。

图7 应力幅值对比图

图8 变形幅值对比图

由图7可知，随着运行年限的增加，闸门面板处的应力幅值呈明显上升趋势，运行60年时，面板应力幅值从132.37MPa增加到了374.59MPa，增加了182.99%，而主梁与次梁应力幅值仅分别增加2.56%和5.09%，其余部位应力幅值变化较小。随运行年限及锈蚀情况加重，弧形钢闸门整体应力幅值逐渐由支臂转移到面板位置，运行56.5年时面板应力幅值达到了材料容许局部承压最大应力值，此时面板将被破坏，因此深孔弧形钢闸门预测安全使用寿命为56年；由图8可知，面板变形从8.44mm增加到了10.56mm，增加了25.12%，其余部位变形几乎保持不变。

闸门锈蚀60年面板应力云图如图9所示。由图9可知，闸门面板工作60年时应力值超过了材料的局部承压最大应力值，该位置处于面板与主梁的连接位置，同时位于图1(b)所示区域锈蚀位置。

图9 锈蚀60年面板应力图

图10 不同锈蚀位置应力幅值变化图

图1(a)中位置8、20和23锈蚀区域应力幅值随闸门运行时间变化情况如图10所示。由图10可知，随着闸门运行时间的增加，8号、20号和23号位置的应力幅值分别从147.58MPa、50.44MPa和148.32MPa增加到了374.59MPa、123.53MPa和181.90MPa，分别增加了153.82%、144.90%和22.64%，可见锈蚀的发生显著增加了所在位置的应力值，且锈蚀深度越深、面积越大，应力幅值增加越明显。