弧式水工钢闸门锈蚀影响有限元模拟及分析

(上饶市科信水利水电勘察设计咨询有限公司，江西 上饶 334000)

1 弧式钢闸门锈蚀影响研究述要

弧式钢闸门，最大的应力一般均产生于面板单元。对于弧式钢闸门的安全状态来说，面板锈蚀更具有安全威胁性，因此，对于面板锈蚀影响的研究，确定闸门锈蚀敏感部位分布规律，学术界和工程部门一直高度重视并开展技术研究，以为工作闸门的建设、运营、检测和维护提供技术依据。

金属接触水和氧，导致了锈蚀的发生和发展，其化学方程式负极描述为Fe-2e=Fe2+，正极描述为2H2O+O2+4e=4OH-。正常水位的上下部分，是闸门金属经常与氧和水频繁接触的部位，这是金属闸门主要的易锈蚀部位。在这个范围间，闸门锈蚀度远较闸门其他部位要高。显然，对闸门的锈蚀情况采用平均锈蚀方法开展模拟是不够合理的。

对弧式钢闸门的局部锈蚀影响，有学者近来作了系列细观研究，得出的结论是不能忽略闸门锈蚀对闸门内力分布状态的影响。有学者尝试改变单元厚度以模拟闸门锈蚀的深度，使闸门锈蚀模拟合理了许多，但该研究在支臂、纵梁和主横梁各取一组单元，分别对应研究各单元对所在系统应力的影响，相对而言忽略了面板锈蚀的影响。本文专题开展弧式钢闸门锈蚀影响有限元模拟及分析研究，通过锈蚀敏感部位云图计算及分布、锈蚀影响下的面板最大应力单元所在列的应力曲线分布以及基于锈蚀深度变化的闸门面板应力演化规律，探究水工弧式钢闸门锈蚀影响规律。

学术上，锈蚀被划分为5类程度(见下表)。

锈蚀划分一览表

本文取2mm锈蚀深度对闸门锈蚀区域开展模拟计算和分析。

2 弧式钢闸门面板锈蚀建模

本文对马尾水库泄洪洞弧式钢闸门，借助ANSYS系统，开展锈蚀有限元分析研究。该水库死水位120.00m，主坝底高程为100.40m。其底槛高程为98.90m，高4.50m。在维修期和非泄洪期，上游面面板长期泡在水中。经多年运行，此闸门的密封性能已大为降低，上角和底部面板已经轻微漏水。

该闸系潜孔型弧式结构，高4.50m，宽4.00m，面板厚度为16mm，面板外弧面半径为9.00m。为加强整体刚度，采用了实腹式降低和等高连接梁。Q235钢材结构，弹性模量2.06MPa，泊松比0.3。以有无肋加劲的两个型类分别求解计算，考虑了材料以及几何的非线性因素。

由上至下均匀地把面板划分为三块，以区域面模拟锈蚀面积，所处的位置便是模拟锈蚀的部位。面板网格共24行9列单元，区域1系1～8行所有单元，区域2系9～16行所有单元，区域3系17～24行所有单元(见图1)。

图1 面板锈蚀分析网格模型

3 闸门面板锈蚀敏感部位分布计算及分析

3.1 锈蚀敏感部位云图计算及分布

以2mm为本研究选取的锈蚀深度，分别对三个锈蚀模拟区进行计算，得到锈蚀闸门整体应力模拟云图(见图2～图4)。

图2 闸门1区域锈蚀整体应力云图

图3 闸门2区域锈蚀整体应力云图

图4 闸门3区域锈蚀整体应力云图

比较图2～图4可以看到，闸门最大等效应力的发生部位并没有因为锈蚀区域的不同而发生改变，锈蚀区域仅影响和改变着闸门应力的大小。

3.2 最大应力单元列的应力分布

针对最大应力单元列，绘制对应的应力曲线。基于锈蚀影响的最大应力单元列对应的应力曲线见图5。

图5 最大应力单元列的应力曲线

分析图5可以看到，模型的1区域，达到185.90MPa最大应力值，对比没有锈蚀的状态，有了24%的应力值提高，此已然超出了该弧式闸门的设计容许应力范围，此状态下如果锈蚀得不到控制而继续加大，闸门毁损随时有可能发生，而模型2、3区域，对应应力值均仍低于设计容许应力，可见锈蚀对最大应力基本不发生影响；在3区域，4～16行存在应力锈蚀改变，在2区域17～21行、4～8行发生了单元应力锈蚀改变，在1区域9～22行，出现小幅单元应力锈蚀波动，这意味锈蚀区对非锈蚀区存在有一定量的应力影响；单元应力也可能对应减小，不是所有对应单元都一定应力增大，如在3区域，对应降低在第24行发生了，如1区域，对应降低在第8行和第6行发生了，意味锈蚀可以在局部集中应力，引起应力重分布。

三个区域弧式钢闸门在锈蚀以后的应力对比结果表明：模型1区域属于该弧式钢闸门较为敏感的锈蚀发生区域，如果在没有锈蚀状态下，该模型闸门之最大应力单元，位于模型1区域范围中，其等效应力单元之应力储备是很小的，不过此时尚满足设计强度规范要求，但在2mm锈蚀发生以后，就变得不能满足设计强度规范要求了，而模型2区域和模型3区域在没有发生锈蚀时，该闸门的单元应力都较小，单元本身的应力储备依然很大，哪怕锈蚀深度继续有所加大，其应力值范围仍可以满足设计强度要求。因此，在锈蚀未发生时，这些等效应力较大的部位便是锈蚀敏感的部位。

3.3 基于锈蚀深度变化的弧式钢闸门面板应力演化规律

因为该闸门的最大应力单元位于1区域中，故在不同锈蚀程度下，对1区域的锈蚀状态进行计算，绘制基于锈蚀深度演化的最大应力变化曲线(见图6)。

图6 基于锈蚀深度演化的最大应力变化曲线

从图6可以发现，1区域在锈蚀未达4mm时，随着锈蚀深度加大，闸门最大应力呈线性增长状态，1区域锈蚀达4mm时，最大闸门应力接近了钢材的屈服强度，当1区域锈蚀达5mm时，最大闸门应力值达235MPa，这是此弧式钢闸门面板的最大应力区域范围，已处于屈服状态。

4 结 论

本文借助ANSYS系统，针对马尾水库泄洪洞弧式钢闸门，围绕锈蚀敏感部位云图计算及分布、锈蚀影响下的面板最大应力单元所在列的应力曲线分布以及基于锈蚀深度变化的闸门面板应力演化规律，开展弧式钢闸门锈蚀影响有限元模拟及分析研究。

主要结论：在弧式钢闸门还没发生有锈蚀的情况下，锈蚀的敏感部位往往是等效应力较大的部位，因此在定期检测弧式钢闸门时，应先检测等效应力较大的部位；闸门发生锈蚀后，随着锈蚀深度加大，其最大应力值基本呈线性增加趋势，当达到一定程度的锈蚀深度时，应力较大的面板区域极有可能进入塑性状态；锈蚀影响闸门的应力状态是客观存在的，发现锈蚀后，必须及时维护和处理，控制锈蚀继续发展，防止闸门发生超强度破坏。