三洋港挡潮闸工程金属结构设计特点

胡 嵩 王长江 杨 中

三洋港挡潮闸工程金属结构设计特点

胡 嵩 王长江 杨 中

一、概述

三洋港挡潮闸位于江苏省连云港市新沭河末端入海口，是沂沭泗河洪水东调南下工程的重要组成部分。三洋港挡潮闸设计流量6400m3/s，为Ⅰ等大（1）型水闸。挡潮闸金属结构部分包括工作闸门、闸上检修闸门、闸下检修闸门及其相应的埋件和启闭设备。

二、挡潮闸金属结构设计

挡潮闸工作闸门共33孔，孔口净宽15.0m，主要用于挡潮及蓄水。设计挡潮水位：闸下3.90m，闸上0.5m；校核挡潮水位：闸下4.08m，闸上1.25m；设计蓄水位：闸上2.0m，闸下无水。

工作闸门底槛高程-2.0m，设计最大挡潮高度5.9m，考虑一定风浪高度后闸门高度选为6.4m。闸门双向挡水，门型选为平面定轮钢闸门，面板布置于迎海水侧。平时工作闸门关闭蓄水挡潮，汛期闸上水位2.0m，闸下潮位-3.35m时开闸泄洪，启闭机选用QP-2×630kN固定卷扬式启闭机，闭式传动。

挡潮闸工作闸门上、下游各设一道检修闸门，用于检修维护之用。上、下游检修闸门均为叠梁门，上游检修门由3块叠合而成，每块尺寸为15.0m×1.6m，下游检修门由4块叠合而成，每块尺寸为15.0m×1.6m。上、下游检修闸门分别设4套检修闸门，分别配1套SGMD-2×100kN电动葫芦及机械式自动抓脱梁。

1.工作闸门设计

工作闸门孔口净宽15.0m，闸门高6.4m，设计为平面露顶式定轮钢闸门，主梁为实腹式变截面双主梁，主梁跨中最大梁高1700mm，主梁端部梁高1055mm。边梁为箱型梁，梁高1055mm。闸门正向支承为简支轮，支承于面板侧，反向支承为滑块。主轮材料为ZG270-500，直径1000mm。轴材料为40Cr，直径240mm，轴承采用GEW240×FZB056-RS关节轴承。为方便制作、防腐和安装，在边梁箱型前后翼板处开工艺孔。

考虑工作闸门的挡潮及蓄水功能，侧止水设计为双向止水，布置于面板侧，正向侧止水采用“P”型橡皮，反向侧止橡皮采用“L”型橡皮水，底止水采用“I”型切角橡皮，材料均采用SF6574，侧止水型式如图1所示。

2.启闭机设计

三洋港挡潮闸计算启门力763kN。由于该工程位于海边，泥沙淤积情况较为严重，启闭机额定启门力的确定考虑一定的富裕量。经过比较与计算，启闭机额定启门力定为2×630kN，型式为固定卷扬式启闭机。该启闭机设计采用闭式传动结构。

3.防腐设计

挡潮闸工作闸门采用喷锌加涂封闭漆防腐，采用表面喷砂除锈使清洁度达Sa2.5，粗糙度达Ry60～100μm，喷锌200μm，然后喷涂一道环氧底漆，中间漆喷涂一道改性耐磨环氧漆，面漆喷涂两道聚氨脂面漆。

工作闸门埋件为耐海水腐蚀的合金铸铁STNiCr，检修闸门埋件外露表面材料为复合不锈钢板，复合不锈钢基层材料为Q235，复层材料为00Cr17Ni14Mo2。工作闸门埋件断面型式如图2所示。

三、设计特点

1.闸门门叶防腐

在钢结构防腐蚀涂装体系中,防锈底漆的作用至关重要，它对钢材要有良好的附着力，并能起到优异的防锈作用。三洋港挡潮闸距离黄海3km左右，闸门正常挡海水，考虑到工程处于海洋环境，设备防腐蚀问题比较突出，用喷锌加普通油漆防腐不能很好地解决防腐问题。通过调研、分析国内海边已建工程，发现采用普通油漆作为保护层往往或多或少存在一些问题。因为钢结构喷锌后表面比较稀疏，表面多细孔，水分子容易渗透腐蚀钢材。所以需要特殊的底漆材料，要求固化时间不能太快，以使底漆（或称连接漆）能很好地渗透到喷锌层内部和表面，起着封闭作用，又能和喷锌表面有很好的附着力。经筛选，最终确定本工程门叶防腐采用喷锌加新型海洋轮船等设备用的防腐油漆。其底漆为环氧底漆Penguard Primer Sea，中间漆为改性耐磨环氧漆Jotamastic87，面漆为聚氨脂面漆Hardtop As。

环氧底漆 Penguard Primer Sea在23℃时硬干时间为6.5h，覆涂间隔是6.5h，而且最主要的是该底漆在喷涂后能快速渗透到喷锌层内部，并且具有很好的附着力。

中间漆的作用是增加涂层的厚度以提高整个涂层系统的屏蔽性能。同时，中间漆对于底漆和面漆要有很好的附着力。改性耐磨环氧漆Jotamastic87是一种双组分、高固含量、高表面容忍度的乳香树脂改性环氧漆，它提供对基材的良好附着力，赋予涂层良好的抗撕裂强度、抗冲击强度，极大地降低了漆膜内部的体积收缩率和内应力。同时，交联形成坚硬、致密、不渗透的且具有韧性的涂层，能吸收和阻隔漆膜内残留应力的传递，避免由应力引起的脱落等问题，可以在低表面处理的表面上涂装，并具有优异、长效的防腐保护效果。

面漆的主要作用是遮蔽太阳紫外线以及污染大气对涂层的破坏作用，抵挡风雪雨水，并且要有很好的美观装饰性。高耐候性的防腐蚀面漆主要有可覆涂聚氨酯面漆、双组分脂肪族聚氨酯面漆，和最新的改性聚硅氧烷涂料等。聚氨脂面漆Hardtop AS目前在钢结构防腐蚀体系中应用最为广泛，使用历史最悠久，效果最稳定。

2.埋件防腐设计

本工程处于海洋环境，防腐措施尤为重要。铸铁腐蚀过程的特点是皮下氧化和石墨腐蚀。皮下氧化是指在某些介质如大气、污水中，铸铁很快形成棕黄色的过氧化物。进一步腐蚀过程中，由于铸铁含硅量较高就会在过氧化物皮下形成一层致密的、粘滞的氧化硅酸铁黑色锈皮，抑制腐蚀的进一步进行，在这些介质中铸铁不经防腐处理也可以使用几十年。而碳钢就不行，它也能很快形成氧化膜，但它的氧化物的形成伴随着体积的极大膨胀，由此产生裂纹，介质进入裂纹进一步腐蚀，如此不断循环从而加速腐蚀。

铸铁是由铁、碳和硅等组成的合金，铸铁中石墨呈游离状，在大多介质中，石墨呈现惰性，铸铁的腐蚀主要是金属基体的腐蚀。在腐蚀过程中，铁原子离子化溶解进入溶液，而石墨在表层逐渐沉积下来，如果没有受到强烈的冲刷，便在铸件表面形成网络状石墨层，其中也混合着其他腐蚀产物，粘附在金属基体上形成一层保护膜，而且保持良好，阻止腐蚀进一步进行。

碳钢和低合金钢在全浸条件下的腐蚀形式主要表现为不均匀局部腐蚀，随着时间的延长，钢铁表面产生腐蚀麻点、蚀斑、蚀坑，甚至出现单个较大、较深的腐蚀溃疡坑。

为了进一步提高铸铁的力学性能或耐蚀性能，还可以加入少量合金元素，如 Ni、Cr、Mn、Si、Cu、Sb 等合金元素，在铸件表面形成牢固的、致密而又完整的保护膜，阻止腐蚀继续进行，并提高铸铁基体的电极电位，提高铸铁的耐蚀性。

硅（Si）是提供铸铁件耐蚀性的重要元素，硅的大量加入，使铸铁件表面形成较致密与完整的SiO2保护膜，这种膜具有很高的电阻率和较高的化学稳定性，使铸铁在酸性环境中处于钝化态。同时，长期浸泡在液体环境中，Si与Fe形成硅酸铁对铸铁基体也有很好的钝化作用。再者，Si能强烈地促进石墨化，Si的增加，减少了铸铁件白口化倾向，而灰铁基体铸件的耐蚀性能要优越与白口铸铁。但Si的含量超过3.0%时，铸铁的脆性增加，所以，综合考虑，Si的含量控制在2.2%～2.9%之间比较合适。

镍（Ni）的重要作用是使腐蚀电位正向移动。镍同时也是容易钝化的金属，加入铸铁中能促进铸铁的钝化。铸铁中加入少量镍在促进铸铁珠光体细化的同时，还能促进铸铁表面形成粘附牢固致密的保护膜，提高铸铁的耐蚀性。经过比较长时期的实验表明Ni的含量在2.5%左右时，就耐蚀性能来讲，是性价比最好的。

铬（Cr）是容易钝化的金属，少量铬加入铸铁，能使铸铁表面的锈层更致密，更具有保护性，因而耐蚀性有所增加。同时，Cr具有强烈的反石墨作用，如硅的石墨化作用为+1，则铬的反石墨化作用为-1，Cr在共析转变时稳定珠光体。当Cr含量超过2%时，铸铁中珠光体含量明显增加，产生白口倾向，导致耐蚀性能下降，布氏硬度HB也会超过300，加工难度大大增加。所以，Cr的含量控制在0.6%～1.2%是比较适宜的，既能发挥其钝化作用，又不会产生白口倾向。

铜（Cu）的电极电位极高，少量的铜在铸铁的腐蚀过程中起活性阴极的作用，在一定的条件下可促使铸铁的基体钝化，降低腐蚀速率。有实例证实，铜会富集于靠近金属基体的锈层中，改善锈层的保护性。质量分数0.5%～1%的铜可改善铸铁在海水中的耐蚀性。

锑（Sb）和 Cu、Cr、Ni及 Al等元素配合，能够改善铸铁抗海水和泥沙盐水的冲蚀性能以及农药乐果和盐酸的腐蚀能力，但是Sb也是非常强烈促进形成珠光体的元素，Sb含量增加，会导致材料脆性增加，铸铁热裂倾向增加。经过实证，铸铁基体中加入0.1%左右甚至更少的Sb都会在铸件的热节变化部位产生明显的热裂倾向。所以，如同S和P，Sb在铸铁基体中应该作为残余来控制。

由此可见在铸铁中加入少量合金元素，既可以提高铸铁的耐蚀性能，又能改善铸铁力学性能和机械加工性能。所以在三洋港挡潮闸工作闸门铸铁埋件设计中考虑添加了适当比例的合金元素（如 Ni、Cr、Mn、Cu、Sb 等）。目前三洋港闸门工作埋件安装使用一年多的时间，该STNiCr耐蚀合金铸铁埋件基本没有锈蚀。

3.闭式传动启闭机

启闭机设计为新型闭式传动结构，无开式齿轮。启门力为2×630kN。启门速度1.4m/min，卷筒直径650mm，启闭扬程10m，单层缠绕，滑轮组倍率为6，吊点间距10.4m，电机为YZR200L-8,减速器选用大速比减速器，型号为 TE790-180（V），制动器YWZ5-315/50,电源为380V，50Hz。

新型闭式卷扬启闭机是一种利用大速比减速器替代传统开式齿轮及普通低速比减速器的新型卷扬式启闭机，其主要特点是承载能力大、抗过载能力强、荷重比大（荷重比是指减速器的承载能力与自重的比值）、结构紧凑、重量轻、传动效率高、使用寿命长、维修方便、安全可靠、外形美观等。

电动机采用YZR系列冶金、起重用三相异步电动机，具有过载能力和机械性能高的特点。由于本工程启闭机有33台，数量多，启闭机到配电房之间距离较远，为降低启动电流，在电动机接线中串联变频变阻器，显著降低了电动机的启动电流。

三洋港挡潮闸工程临近大海，盐雾腐蚀尤为严重，因此盐雾防腐是设备选型设计中一个需要考虑的问题。选用闭式传动，省去了大、小开式齿轮，避免了大、小开式齿轮因暴露在空气中而受到的盐雾腐蚀。

四、结语

三洋港挡潮闸是新沭河入海口挡潮和蓄水工程，临近黄海，工程自2009年开工至今，主体工程基本完成，闸门及埋件2010年6月安装完毕，至今闸门及埋件基本没有锈蚀，防腐设计起到应有的效果

中水淮河规划设计研究有限公司 233001）