北京安河泄洪闸金属结构安全检测与评价

杨 梓 郝 邺 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试验室，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)

安河泄洪闸位于京密引水渠下段，为2孔闸，闸门结构型式为平板钢闸门。启闭机为手、电两用固定卷扬式启闭机。闸门设计流量30m3/s，校核流量为60m3/s，设计水位为49.50m。闸室范围地基为砂砾石，安河泄洪闸地震基本烈度为Ⅷ度。安河泄洪闸工程，建成于1966年，已投入运行54年，至今未进行过系统的检测与安全评估。为确保安河泄洪闸安全运行，了解安河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]，开展了金属结构安全检测。

1 检测内容及方法选择

1.1 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、闸门吊耳和吊杆等进行检测。

1.2 闸门腐蚀量检测

对金属构件蚀余厚度检测主要采用VT-6型数字式超声波测厚仪或者卡尺类专用工具，其操作简便且精度较高[2]，对锈蚀严重部位采用拍照或摄像的方法进行记录和描述。

1.3 闸门材料检测

采用综合分析方法对闸门进行材料检测，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，通过综合分析两项检测成果，即可确定材料的牌号。

1.4 闸门焊缝无损探伤

利用UTX-Q7型超声探伤仪进行无损探伤，对损伤部位进行准确定位，分析损伤的类型，定量判断损伤的规模、大小及深度[3]。

1.5 启闭力检测

采用CRAS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，经推算可得到闸门在实测水位下的启闭力。

1.6 启闭机安全检测

主要进行机架检测、制动器检测、减速器检测、卷筒及开式齿轮副检测、传动轴及联轴器检测、滑轮组检测、钢丝绳检测。

2 检测结果分析

2.1 闸门外观检测

闸门外观检测主要对闸门门体以及闸门各个构件等进行了现场检测。现场检查发现，安河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。工作闸门整体情况见图1和图2。

图1 闸门整体状况

图2 主要构件腐蚀状况

2.2 闸门腐蚀量检测

水工钢闸门极易发生腐蚀，进而给水闸的安全运行带来巨大隐患[4-5]，因此，钢闸门腐蚀检测至关重要，其中蚀余厚度是主要检测目标[6-7]。本次检测选取左孔工作闸门主要构件进行腐蚀量检测，共获得检测数据67个(见表1和表2)。

表1 闸门腐蚀量检测结果(左孔闸门)

表2 闸门主要构件腐蚀量和腐蚀速率平均值(左孔闸门)

检测结果表明：闸门腐蚀量主要为0.3～0.6mm，频数之和为83.6%(腐蚀量的频数=该腐蚀量测点数/测点总数)；闸门面板、主横梁、纵(边)梁、小横梁平均腐蚀量为0.40～0.45mm，平均腐蚀速率(2001—2020年)为0.020～0.023mm/a；闸门总体平均腐蚀量为0.43mm，平均腐蚀速率为0.022mm/a。工作闸门腐蚀程度可评定为B级(一般腐蚀)。

2.3 闸门材料检测

由于历史原因，有些工程金属结构没有材料出厂证明书和工程验收等资料，结构所用材料牌号不清，性能不明。本项检测选取闸门面板和边梁后翼缘典型位置进行取样。清除试样表面污垢、涂层、腐蚀等杂物后取样进行化验测试化学成分(检测结果见表3)；确定闸门材料牌号，还需以化学分析为基础，进行闸门主要构件的硬度检测和抗拉强度换算。本项检测采用里氏硬度计对主要构件的硬度进行测试，求出10点硬度平均值，进而根据金属硬度及强度换算标准[8]，换算出闸门主要构件的抗拉强度(换算结果见表4)。

表3 试样化学成分检测结果

表4 闸门主要构件硬度测定及抗拉强度换算结果

通过与钢材料标准中[9]的钢材化学成分及抗拉强度的标准值进行对比可以得出，闸门主要构件的化学成分与碳素结构钢Q235基本符合，主要构件材料为碳素结构钢Q235。

2.4 闸门焊缝无损探伤

闸门焊缝质量是整体闸门质量优劣的一个决定因素，也最终影响闸门的运行和使用寿命，因此，对焊缝进行探伤十分重要[3]。

本次检测采用UTX-Q7型超声波探伤仪，按规程规定的比例要求进行抽检。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。接受超声波探伤的焊缝为：主横梁腹板与翼缘板组合焊缝、主横梁腹板与边梁腹板组合焊缝、主横梁翼缘板与边梁翼缘板对接焊缝、边梁腹板与后翼缘板组合焊缝、边梁腹板与面板组合焊缝、面板对接焊缝等。焊缝探伤比例为：一类焊缝约90%，二类焊缝约75%。典型的焊缝探伤结果见表5。

表5 泄洪闸工作闸门焊缝超声波探伤结果

检测结果表明，闸门所有受检焊缝均未发现有缺陷或裂纹缺陷存在。

2.5 启闭力检测

闸门启闭过程中，闸门启闭力是不断变化的，根据闸门启闭力的这一特性，本次采用动态信号测试系统进行闸门启闭力检测。动态信号测试系统由信号传感器(电阻应变片)、动态信号采集分析系统及采集终端组成。

闸门启闭力电阻应变片布置在启闭机减速器左、右侧输出轴上，分别布置2个测点。完整的测试流程为：全关→开启到约0.2m开度→停止一段时间→全关。每个检测过程重复进行2次。根据实测最大(最小)应变值，可以得到实测最大启门力和最小闭门力的计算结果(见表6)和实测应变过程曲线(见图3)。

图3 检测工况下传动轴实测应变典型过程曲线

表6 左闸门实测最大(最小)应变值和对应启闭力

检测结果表明：在运行水位(49.07m)下，闸门实测最大启门力为45.1kN，小于启闭机的额定容量(2×50kN)；闸门实测最小闭门力为-18.3kN，闸门能依靠自重关闭；闸门两侧吊点起吊力存在不平衡现象。启门时，两侧吊点起吊力相差5.5kN；闭门时，两侧吊点起吊力相差2.1kN。

2.6 启闭机安全检测

现场检测发现，启闭机设备及运行维护管理总体状况良好。经检查存在以下问题：启闭机无备用电源，影响水闸不间断的运行；启闭机部分构件存在锈蚀、破损等情况(典型状况见图4、图5)；启闭机行程控制装置功能存在隐患，闸门落至底槛时，行程控制系统不能及时切断启闭机电源，导致钢丝绳出现弯折；启闭机基础局部存在混凝土锈胀开裂、边角混凝土破损现象。

图4 启闭机制动器制动轮锈蚀状况

图5 定惰轮锈蚀、轮槽破损状况

3 评价与建议

3.1 评价

采用多种检测手段对安河泄洪闸金属结构工程进行了综合现场检测和室内试验，对闸门的腐蚀量、闸门材料、闸门焊缝、闸门的启闭力及启闭机运行状况等内容进行了检测分析。检测结果表明：工作闸门腐蚀程度一般；闸门主要构件所使用的材料为碳素结构钢Q235；闸门所有受检焊缝均未发现有缺陷存在；启闭机容量满足闸门启闭力的要求；启闭机设备及运行维护管理总体状况良好；启闭机构件存在锈蚀、破损等情况。

根据闸门和启闭机安全检测成果，依据相关规程、规范[10-12]，分析认为安河泄洪闸工作闸门及启闭机性能状态处于安全范围，可以继续运行使用。

3.2 建议

对于检出的闸门、启闭机锈蚀部位，建议进行除锈、防腐处理；建议配备启闭机备用电源，以满足应急管理需要；建议对启闭机行程控制装置进行整定或予更换，并更换左孔启闭机右侧破损的定滑轮。

4 结 论

安河泄洪闸金属结构安全检测结果基本满足标准要求，存在的部分质量缺陷尚不影响整座水闸安全运行。本项检测成果可为确保消除工程安全隐患、确保泄洪闸安全运行提供科学支撑。