前柳林泄洪闸金属结构安全检测与评价

郑 瀚，王俊鹏，张延潭，柴江飞，李乃浩，王晓东

（1.北京市京密引水管理处，北京，101400；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京，100038；3.中国水利水电科学研究院水利部水工程建设与安全重点实验室，北京，100038；4.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安，710065）

前柳林泄洪闸位于京密引水渠上，建成于1966年。前柳林泄洪闸闸室结构为开敞式，共计两孔，闸门型式为平板钢闸门，闸门宽2.5 m、高3.5 m。水闸设计流量30 m3/s，设计水位高程为50.42 m。泄洪闸闸室段长7 m，闸室底板高程47.51 m，闸室底板厚0.7 m，闸室下为分层夯实的黏性回填土。启闭设备为2台100 kN螺杆式启闭机。

前柳林泄洪闸工程投入运行至今未进行过系统的检测与安全评估。为确保前柳林泄洪闸安全运行，了解前柳林泄洪闸金属结构存在的问题与缺陷，为后续金属结构的修缮或更换提供科学依据，依据现行规范[1-2]，开展了金属结构安全检测。

1 检测内容及方法

依据安全检测现行规范，结合现场工作和室内试验分析，开展了前柳林泄洪闸金属结构及启闭机的安全检测，具体内容包括：

（1）闸门外观检测。主要对闸门门体、支承行走装置、止水装置、埋件、闸门平压设备、闸门锁定装置、闸门吊耳、吊杆等进行检测。

（2）闸门腐蚀量检测。目前腐蚀检测方法主要有差分盒维数法、图像处理法、超声波测厚仪法等[3-4]。腐蚀量检测中，蚀余厚度指标至关重要。本次金属构件蚀余厚度检测主要采用超声波测厚仪进行测量，操作简便且精度较高[5]。对锈蚀严重部位采用拍照或摄像的方法进行记录和描述。

（3）闸门材料检测。本次闸门材料检测采用综合分析法[6]。综合分析法是在设备的非受力部位钻取屑样或小块试样进行分析，确定材料的化学成分，同时测定材料硬度，并据此换算得到材料的抗拉强度，综合分析两项检测结果，即可确定材料的牌号。

（4）闸门焊缝无损探伤。采用超声探伤仪对金属结构进行检测，对闸体各种类型的焊缝、不同厚度的板材、锻件、铸件等进行无损探伤。超声探伤仪能通过视波屏上显示的反射伤波的波形、波高及水平位置，对伤部进行准确定位，分析伤的类型，定量判断伤的规模、大小及深度[5]。

（5）启闭机启闭力检测。闸门启闭力检测采用应变片法[7]。

（6）启闭机运行状况检测。启闭机运行状况检测主要对启闭机运行噪音、制动器的制动性能、滑轮组的转动灵活性、双吊点启闭机的同步偏差及控制设备和集中监控设备的运行可靠性进行检测。

2 检测结果

2.1 闸门外观检测

目前前柳林泄洪闸两扇工作闸门总体状况相似，闸门整体状况完好。闸门构件涂层完整；闸门主要构件未见损伤变形；闸门吊耳装置零部件齐全，连接完好；主轮支承装置连接正常；止水装置零部件齐全，连接牢靠；闸门门槽埋件和底槛埋件完好。目前闸门主要构件存在整体轻微腐蚀现象，门槽埋件底部20 cm范围内腐蚀较重，有锈皮脱落现象。

图1 闸门整体状况Fig.1 General situation of the sluice gate

图2 门槽导轨板腐蚀状况Fig.2 Corrosion of the slot guide rail board of the sluice gate

2.2 闸门腐蚀量检测

腐蚀检测为抽检项目，按规程[1]规定，抽取相应数量的闸门进行腐蚀状况检测。对左孔工作闸门主要构件进行腐蚀量检测，共获得检测数据49个（每个检测数据均为3个以上测点数据的平均值）。闸门主要构件腐蚀量频数分布统计结果见表1，闸门主要构件腐蚀量和腐蚀速率的平均值（腐蚀速率的计算年限为20年）见表2。

表1 闸门主要腐蚀量频数分布Table 1 Distribution of monitoring points of sluice gate reaching main corrosion degree

表2 左孔闸门主要构件腐蚀量和腐蚀速率平均值Table 2 Average corrosion amount and corrosion rate of main components of left sluice

由腐蚀量频数分布统计可知：闸门腐蚀量主要为0.2～0.5 mm，频数为87.8%。左孔闸门面板、主横梁、纵（边）梁、小横梁平均腐蚀量分别为0.34 mm、0.32 mm、0.34 mm、0.38 mm，平均腐蚀速率为0.027～0.032 mm/a。左孔闸门总体平均腐蚀量为0.34 mm，平均腐蚀速率为0.028 mm/a。

2.3 闸门材料检测

由于历史原因，前柳林泄洪闸金属结构所用材料牌号不清、性能不明，因此采用材料检测确定水闸金属结构材料的机械性能和化学成分，鉴别金属结构材料牌号。选取闸门面板和边梁后翼缘进行取样。化验试样前，对试样表面进行处理，清除试样表面污垢、涂层、腐蚀等杂物，然后对试样进行化验，测试出试样化学成分的百分含量，测试结果见表3。在进行试样化学成分分析的基础上，对闸门主要构件进行硬度检测和抗拉强度换算。使用HLN-11A型里氏硬度计对闸门主要构件的硬度进行测试，求出10点硬度平均值，进而根据GB/T 1172-1999《黑色金属硬度及强度换算值》的标准，换算出闸门主要构件的抗拉强度。闸门主要构件材料10点硬度平均值及材料抗拉强度换算值结果详见表4。

表3 试样化学成分测试结果Table 3 Percentage of chemical components of the sample

表4 闸门主要构件硬度测定及抗拉强度换算结果Table 4 Hardness and converted tensile strength of main components of sluice gate

根据材料检测数据，对照GB/T 700-2006《碳素结构钢》中的钢材化学成分及抗拉强度，可知：闸门试样面板和边梁后翼缘的化学成分与碳素结构钢Q235基本符合。闸门主要构件的硬度和抗拉强度与碳素结构钢Q235相吻合。综合试样材料化学成分分析、硬度及抗拉强度的检测结果，可以确定闸门主要构件使用的材料为碳素结构钢Q235。

2.4 闸门焊缝无损探伤

超声波探伤为抽检项目，按规程规定的比例进行抽检。不同类型焊缝的抽检比例不得少于规程规定的抽检比例。对于抽检的检测单元，根据闸门受力状况和焊缝类别，选定闸门主横梁、边梁、面板为探伤构件。对于一、二类焊缝，如主横梁腹板与后翼缘板组合焊缝等，进行超声波探伤检测，焊缝探伤比例为：一类焊缝约90%，二类焊缝约80%。泄洪闸工作闸门焊缝无损探伤结果表明：闸门面板和闸门边梁腹板与后翼缘板间的组合焊缝均存在局部未焊透的制造缺陷，但未焊透深度均未超过GB/T 14173规范规定的深度，允许存在，无需处理。典型工作闸门焊缝超声波探伤结果见表5。此外，闸门所有受检焊缝均未发现裂纹缺陷。

表5 泄洪闸工作闸门焊缝超声波探伤结果Table 5 Results of flaw detection of welds of spillway sluice gate by ultrasonic method

2.5 启闭力检测

本次启闭力检测是在闸门上游水位49.33 m、下游无水、闸门作用水头2.08 m（底槛高程47.25 m）的工况下进行的。采用启闭力测试系统进行闸门启闭力检测。通过布置在传动轴上的电阻应变片获取信号，测得传动轴的剪切应变，推算得到闸门在实测水位下的启闭力。

表6 实测最大（最小）应变值和对应启闭力Table 6 Measured maximum(minimum)strain value and corresponding hoisting capacity

检测结果表明：在实测水位（49.33 m）下，闸门实测最大启门力为30.6 kN，小于启闭机的额定容量（100 kN）；闸门实测最小闭门力为-9.0 kN，闸门能依靠自重关闭。

2.6 启闭机安全检测

现场检测结果表明，启闭机设备布设规范，动力线和控制信号线布设规范，运行管理制度健全，运行控制系统控制功能设置健全，设备维护保养状况良好。经现场检测运行，启闭机运行状况总体良好。但启闭设备仍存在一些问题，如：启闭机无过负荷保护装置和螺杆抗压安全保护装置，两台启闭机螺杆普遍存在压弯变形现象；启闭机排架工作平台空间狭窄，运行维护操作不方便；地面至启闭机平台爬梯、旋梯存在锈蚀现象；启闭机螺杆上闸门吊点至螺纹终止线之间的光杆部分锈蚀现象明显。

图3 启闭机螺杆压弯状况Fig.3 Bend hoist screw

图4 螺杆光杆锈蚀状况Fig.4 Corrosion of polished rod of screw

3 结语

在工程现状调查的基础上，采用多种检测手段对前柳林泄洪闸金属结构开展了综合的现场检测和室内试验，对闸门外观、闸门腐蚀情况、金属材料、焊缝的伤病情况、启闭机的运行情况等内容开展了检测分析。

根据闸门安全检测及复核计算结果，分析认为前柳林泄洪闸工作闸门可以继续安全使用；根据启闭机安全检测结果，分析认为前柳林泄洪闸工作门启闭机可以继续安全使用。综上所述，前柳林泄洪闸金属结构基本满足标准要求，虽存在一定质量缺陷，但尚不影响整座水闸正常运行。本项检测结果可为消除工程安全隐患、确保泄洪闸安全运行提供科学支撑。