刘海群
斗龙港闸位于江苏省盐城市大丰区三龙镇,1966年6月建成运行,是江苏省里下河地区洪水排涝入海的重要控制工程。该工程为大(2)型排涝挡潮闸,设计日均流量200m3/s,设计最大流量1260m3/s,控制流域面积4428km2。截至2017年底,斗龙港闸累计开关闸15909潮次、排水696.59亿m3,为保障流域地区经济社会发展和人民安居乐业作出了重大贡献。
斗龙港闸共8孔,单孔净宽10m,其中左岸1号孔兼作通航孔,系平板钢闸门,在满足排水功能的同时,兼顾上下游船只通航。通航孔采用上下扉直升平面钢闸门,其余7孔为排水孔,系弧形钢闸门,为轻型桁架结构,9台QHB2×100kN卷扬式启闭机。闸孔中墩厚1.1m,边墩厚0.9m,闸身总宽93.575m。闸底板共计4块,两边孔各1块,中间6孔分2块,闸底板顺水流向长17m,高程-3.0m,底板厚1.6m。排水孔弧形钢闸门为主横梁式直支臂框架结构,主横梁及支臂均为桁架结构,位于内河侧。门叶吊耳布置在下主梁与支臂交接处,位于外海测。
2017年8月,工程例行检查发现6号排水孔弧形闸门下桁架与面板梁格在两支臂处联接螺栓断裂,近支臂第二、第三梁格螺栓松动,其联接处松动间隙15~30mm。经对其他7孔进行全面检查,除通航孔外,发现其他6孔弧形闸门支臂联接处均有不同程度的松动间隙,存在一定的安全隐患,钢闸门已经不能满足工程安全运行,需要迅速维修加固。
(1)经现场检查、检测,螺栓无明显塑性变形,为脆性断裂,且表现为低应力脆断,此处应力最大,间隙最大位置和螺栓断裂处位于闸门吊耳背面。闸门由闭合到开启,瞬时(<4s)拉力最大,螺栓在接近或超过其屈服强度的循环应力作用下,在低于1×104~1×105次塑性应变循环失效,属于疲劳破坏,这是螺栓断裂的主要原因。
(2)闸门桁架为轻型结构,装配精度不高,螺栓不能均匀受力,加之螺栓为普通钢材Q235,强度储备不够。
(3)从结构设计方面分析,在闸门最大应力处未增设斜撑,导致几何形状突然变化形成应力集中,致使螺栓断裂。
(4)支铰轴承长期缺少润滑,增加运行阻力,加大螺栓应力。
(5)螺栓联接部位是闸门的防腐死角,螺栓在海水长年腐蚀下,最大锈蚀率达到30%以上。夏季、冬季启闭闸门时,环境温度变化对螺栓联接部位疲劳强度影响更加显著,热应力变化易引起螺栓锈蚀,从而大大降低螺栓强度。
(6)斗龙港闸钢闸门为双吊点,运行过程中因钢丝绳不平衡、两吊点水平误差产生闸门整体应力分布不均,造成局部应力过于集中,从而导致螺栓断裂。
(7)斗龙港闸钢闸门经过2000年、2015年两次大修,闸门支撑杆件多次切割、更换,2003年又意外遭遇砂石运货船撞击,造成应力集中,引发安全隐患。
(1)就位检修门,将闸门提升至正常水位以上固定,清洗闸门。
(2)用5T新型增力手拉葫芦与闭口滑车变力20T,相对于桁架处校正,同时扭紧螺栓,使间隙最小、相序而进。
(3)每孔钢闸门更换8-M22×658.8级螺栓,配平垫和弹垫,扭力符合规范要求。
(4)为使闸门平衡受力,重新紧固两支臂中间格梁与主杆联接螺栓,对锈死无法紧固的螺栓进行割除,更换新螺栓。
(5)实施钢板加固。为防止闸门应力集中、遭受疲劳破坏,要在下支臂与面板位置增设拉杆。因斜拉杆为细长杆,中间需加撑杆。由于焊接点多,防腐施工不便,维修保养费用较高。因此,在下桁架两支臂与面板格梁联接节点处向下加装钢板,圆弧过渡,居中焊接(见图1),避免应力集中。焊接拼缝,穿透间隙小于0.5mm,以减少变形。焊接位经机械打磨确保无其他附着物。焊接选取不锈钢焊条A102。该焊条可全位置焊接,焊接性能、熔敷金属力学性能和抗晶间腐蚀性能良好。
图1 排水孔支臂加固示意图
(6)防腐施工。
①加固钢板。在现场实际取样,工厂制作,喷砂后涂环氧富锌车间底漆(702)2遍,现场焊接后除杂复涂1遍。
②焊缝烧损位防腐。焊缝虽为不锈钢焊接,但烧损位仍需防腐。手工打磨 St3、清洁度 Sa2、粗糙度 20~40μm,涂低表面环氧封闭漆,复涂低表面环氧防锈漆,再涂842环氧云铁、环氧面漆。涂装间隔按照规范要求实施。
(7)疲劳安全系数
原结构允许抗剪承载力:N=4×3.799×1350=20515kg
更新后结构承载力N
螺栓加载力:N1=0.7×4×1.5×15000=63000kg
焊接钢板:N2=35×0.1×2350/2=82250kg
N=N1+N2=145250kg
疲劳安全系数:
np=145250/20515=7.08
在原结构基础上,提高7.08疲劳安全系数。
支铰的主要作用是将闸门全部水压力和部分门重传给闸墩,并保证闸门能绕水平轴转动,它是闸门中很重要一部份。转动铰轴在长期失润、动载剧增情况下,磨损剧烈增大而形成剧烈磨损期。随着加速磨损期延长,铰轴磨擦系数0.03~0.07升高为0.25~0.6。当轴与套粘着时,磨擦系数>0.8,轴运行阻力增加12倍以上,故应安装铰轴外置润滑装置。
(1)关闭闸门,用专用模具在铰链上钻孔,深度到轴,置中。利用强磁去钻孔铁屑、油污清洁剂清洗,拆除轴端挡板,用松锈除锈剂清洗,频繁启闭闸门后松锈除锈剂压力加入,打通轴与轴套油路。
(2)外置油箱于支臂处,随支臂升降连接管路。当闸门开启时,随支臂角度变化打开阀门自动加油,闸门闭合时自动关闭,使支铰长期处于润滑状态。
(3)每月按期检查铰轴外置润滑装置,及时发现问题,及时采取措施,防止非正常状态运行导致疲劳破坏和磨损失效,从而有效提高装置使用年限。
斗龙港闸钢闸门改造工程效果显著,具有以下特点:
(1)工序简单,仅对原有钢闸门进行适度改造。
(2)更新螺栓便于施工安装。
(3)施工成本低廉,材料市场易购,易于焊接和机械加工。
(4)日常维修保养工作方便。
斗龙港闸钢闸门改造工程消除了工程运行隐患,满足了工程安全运行和运行期限。该闸工程施工和防腐措施对我国沿海挡潮闸具有一定示范意义,可供类似钢闸门结构工程维修改造参考■