平面鋼閘門(mén)運(yùn)行期主要問(wèn)題及處理措施

(安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院工程質(zhì)量檢測(cè)所，安徽 合肥 230002)

閘門(mén)是水工建筑物主要的組成部分，其運(yùn)行情況關(guān)系到整個(gè)樞紐工程建筑物的安全，工程綜合效益的充分發(fā)揮，以及下游城鄉(xiāng)居民的安危。所以保證閘門(mén)安全可靠的運(yùn)行是重要且具有實(shí)際效益的技術(shù)課題。

平面鋼閘門(mén)因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、安裝復(fù)雜程度低，操作、維護(hù)方便且有互換性等優(yōu)點(diǎn)，使其成為應(yīng)用最為廣泛的閘門(mén)型式之一。本文介紹的平面鋼閘門(mén)，是針對(duì)應(yīng)用于河道節(jié)制閘、水庫(kù)或泵站進(jìn)、出水孔口上的低水頭(H<25m)直升式定輪(滑動(dòng))閘門(mén)。

1 平面鋼閘門(mén)典型結(jié)構(gòu)

按照構(gòu)件布置的作用，閘門(mén)門(mén)葉結(jié)構(gòu)主要由面板、梁格、縱橫向聯(lián)結(jié)系、吊耳、行走支承和止水等部分組成。其中梁格指主梁、邊梁及次梁組合的門(mén)葉骨架，縱橫向聯(lián)結(jié)系指增加門(mén)葉剛度的實(shí)腹隔板、桁架等。而閘門(mén)系統(tǒng)除直接用于封堵孔口的門(mén)葉外，還包括用以傳力、導(dǎo)向、封水的門(mén)槽埋固件和啟閉設(shè)備。

2 運(yùn)行期間存在的主要問(wèn)題及原因

根據(jù)閘門(mén)的運(yùn)行工況、結(jié)構(gòu)部件的破壞型式與性質(zhì)分析，平面鋼閘門(mén)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“閘門(mén)”)運(yùn)行期間存在以下幾個(gè)主要問(wèn)題。

2.1 閘門(mén)啟閉卡阻或墜落

閘門(mén)在啟閉過(guò)程中，除門(mén)重外,還有支承的摩擦阻力、止水摩擦阻力、下吸力、門(mén)頂?shù)乃⒅鼗蚣又貕K、持住力和門(mén)底上托力等。

因此，閘門(mén)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)啟閉力增大,甚至超過(guò)啟閉設(shè)備的荷載極限,使閘門(mén)在門(mén)槽內(nèi)發(fā)生卡阻或制動(dòng)，異常情況下甚至?xí)瓟噤摻z繩或壓潰吊耳，造成閘門(mén)墜落的情況。

2.1.1 行走支承腐蝕

圖1 支承滑塊踏面腐蝕

閘門(mén)運(yùn)行多年后，滑動(dòng)支承的主滑塊踏面會(huì)磨損和腐蝕，嚴(yán)重的則呈麻面狀，見(jiàn)圖1，致使支承接觸行走時(shí)摩擦阻力增大；定輪閘門(mén)的主滾輪會(huì)因輪軸與軸套間配合間隙被腐蝕層充填而轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活或無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，使得滾動(dòng)支承變成滑動(dòng)支承，從而使接觸摩擦系數(shù)增大。其中滾輪支承的滯動(dòng)現(xiàn)象最為常見(jiàn)。閘門(mén)滾輪軸通常設(shè)計(jì)為40Cr鍛件，盡管軸表面鍍有50～100μm鉻層用以防腐蝕，但只有當(dāng)鍍層致密無(wú)孔隙時(shí)才能對(duì)基體產(chǎn)生保護(hù)作用。而鉻層鍍覆時(shí)，會(huì)存在一定密度的針孔，鉻層脆性較大，當(dāng)局部處受到壓縮或沖擊時(shí)，極易發(fā)生裂紋。在這種情況下，滾輪軸接觸到水分即會(huì)通過(guò)鉻層孔隙，滲到基體金屬表面，產(chǎn)生陽(yáng)極腐蝕而生成鐵銹，并通過(guò)鉻層的孔隙溢出表面，形成蝕點(diǎn)。隨著時(shí)間的延續(xù)，蝕點(diǎn)不斷擴(kuò)大、集聚，直至遍及整個(gè)工件表面，膨脹填充在軸套與軸間縫隙里，一定程度或完全限制了滾輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

2.1.2 梁格內(nèi)泥沙淤積

電站、水庫(kù)深孔工作門(mén)，為便于止水設(shè)置多采用上游一側(cè)布置梁格，由于使用功能的需要，閘門(mén)孔口底坎位置較低，加之孔口封水不能完全密閉，致使庫(kù)區(qū)大水面的泥沙順走勢(shì)匯聚于門(mén)前，沉積在主梁腹板和兩側(cè)邊柱間內(nèi)倉(cāng)。加重了門(mén)體自重，一定程度上約束了部分內(nèi)置滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，使得行走摩阻力增大，造成閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)瞬時(shí)荷載陡升，因超限保護(hù)而無(wú)法正常運(yùn)行。在特定工況下(高水位差、水位變化區(qū)鋼絲繩銹損、無(wú)超限保護(hù)等)甚至?xí)l(fā)生鋼絲繩拉斷而閘門(mén)墜落的情況。

2.1.3 門(mén)槽內(nèi)雜物卡塞

開(kāi)敞式孔口采用的露頂平面鋼閘門(mén)，其邊梁內(nèi)置或懸臂式裝配的支承均需行走在結(jié)合部位的門(mén)槽主、反軌上，由于門(mén)槽頂端無(wú)遮蔽設(shè)施或不便設(shè)施遮擋，上部結(jié)構(gòu)施工時(shí)，極易造成散落混凝土固結(jié)在軌道工作面或主滾輪外露踏面上，破壞軌道工作面的平面度或阻止?jié)L輪轉(zhuǎn)動(dòng)；施工掉落的砌體邊角棄料或其他人為拋扔的石塊卡塞在門(mén)體與門(mén)槽側(cè)墻間，使得門(mén)槽左、右側(cè)安全限位間隙偏向一側(cè)，閘門(mén)啟升時(shí)，產(chǎn)生楔緊塊效用而將閘門(mén)卡死在門(mén)槽內(nèi)。

此外，閘門(mén)安裝時(shí)，門(mén)體放入門(mén)槽后，為方便底部閘孔間其他施工通行，閘門(mén)需保持一定開(kāi)度，但上部啟閉設(shè)備未連接或已連接，為防止隨意操作，往往會(huì)在門(mén)底門(mén)槽內(nèi)支頂木樁或型鋼。汛期施工時(shí)，一旦圍堰漫頂或破口，就會(huì)造成閘門(mén)無(wú)法關(guān)閉。

除上述幾點(diǎn)外，對(duì)雙向封水的閘門(mén)而言，為實(shí)現(xiàn)完全密閉的要求，止水橡膠與止水座面采用了過(guò)大的預(yù)壓量(>3.0mm)，也會(huì)增大閘門(mén)啟閉時(shí)的摩擦阻力；門(mén)葉底緣形式設(shè)計(jì)不當(dāng)，閘門(mén)啟閉時(shí)，傾斜面上就會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，而產(chǎn)生很大的下吸力；閘門(mén)門(mén)葉的扭曲及支承踏面的平面度超出極限偏差時(shí)，加之配合處其他部位偏差的累計(jì)，也可能會(huì)造成閘門(mén)振動(dòng)或運(yùn)行卡頓。

2.2 門(mén)葉及構(gòu)件局部腐蝕

水利工程用平面鋼閘門(mén)，其空間構(gòu)架的不同部位構(gòu)件，所處環(huán)境條件和保養(yǎng)條件均不盡相同，根據(jù)大量的金屬結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)實(shí)例來(lái)看，閘門(mén)后期運(yùn)行的不同階段，門(mén)葉及構(gòu)件腐蝕程度及分布位置存在明顯差異。運(yùn)行10年及以上的鋼閘門(mén)，會(huì)充分顯現(xiàn)不同的使用工況和腐蝕狀態(tài)，普遍腐蝕的情況較少，多為局部腐蝕，主要發(fā)生在主梁與邊柱梁后翼板內(nèi)側(cè)、腹板以及門(mén)葉底緣部位、面板水位變化區(qū)等。產(chǎn)生局部腐蝕的原因有以下幾點(diǎn)：

2.2.1 構(gòu)件表面防腐蝕質(zhì)量不足

目前，水工鋼閘門(mén)防腐蝕措施通常包括：基體表面預(yù)處理、金屬熱噴涂、涂料涂裝(封閉)等。其中涂層系統(tǒng)的選配則根據(jù)閘門(mén)的使用工況和環(huán)境條件來(lái)確定。

在平面鋼閘門(mén)結(jié)構(gòu)中，除面板外，因梁格及聯(lián)結(jié)系的布置，會(huì)形成很多窄小、隱蔽部位，如：邊柱梁內(nèi)倉(cāng)、主梁及次梁后翼板內(nèi)側(cè)面等。在閘門(mén)制造階段防腐蝕處理時(shí)，由于其結(jié)構(gòu)空間相對(duì)窄小，約束了作業(yè)條件，就會(huì)造成母材表面預(yù)處理(除銹等級(jí)、粗糙度)不足，使得基體金屬涂層厚度及結(jié)合強(qiáng)度難以保證。根據(jù)金屬涂層的防腐蝕機(jī)理，該部位受電化學(xué)反應(yīng)作用周期會(huì)明顯縮短；同時(shí)涂層與基體間結(jié)合狀態(tài)不好，容易產(chǎn)生剝離、開(kāi)裂現(xiàn)象，這些誘因都會(huì)導(dǎo)致防腐蝕涂層對(duì)金屬基體保護(hù)過(guò)早失效，而產(chǎn)生破壞性局部腐蝕。

2.2.2 運(yùn)行工況與環(huán)境條件影響

深孔工作閘門(mén)或潛孔式閘門(mén)，過(guò)閘水流流速較快，通過(guò)門(mén)槽時(shí)，流態(tài)突變；小開(kāi)度時(shí)，閘門(mén)底緣瞬時(shí)產(chǎn)生的急速水流；或側(cè)止水因滲漏產(chǎn)生的急速水流，在狹窄、圍擋的空間內(nèi)極易對(duì)邊柱梁、底梁等構(gòu)件產(chǎn)生空蝕或沖蝕，加速構(gòu)件的局部腐蝕。

此外，閘門(mén)部分區(qū)域構(gòu)件(如：露頂式閘門(mén)面板、主梁上界面、門(mén)葉底緣水平次梁上凹槽等)常處于干濕交替環(huán)境條件下，在這種環(huán)境中,涂層水解程度較全浸環(huán)境中更高,且干燥過(guò)程中氧的補(bǔ)充加速了陰極區(qū)的反應(yīng),促進(jìn)了金屬基體的腐蝕,使得涂層附著力變差。另外,在干濕交替循環(huán)作用下,由于涂層與基體漲縮不一致引起的內(nèi)應(yīng)力也加速了涂層的劣化過(guò)程。其次，水質(zhì)環(huán)境較差(如：氯離子、硫酸根離子含量超標(biāo))，也會(huì)加劇影響區(qū)構(gòu)件的腐蝕。

2.2.3 后期維護(hù)、保養(yǎng)措施不足

水工金屬結(jié)構(gòu)運(yùn)行管理規(guī)程規(guī)定，鋼閘門(mén)應(yīng)定期進(jìn)行外觀和性能狀態(tài)檢查。對(duì)涂層破壞部位及腐蝕構(gòu)件進(jìn)行修復(fù)或補(bǔ)強(qiáng)，但實(shí)際處理措施往往過(guò)于粗略簡(jiǎn)單，有些部位構(gòu)件也難以進(jìn)行維護(hù)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a.破壞的防腐蝕涂層清理方式不當(dāng)。實(shí)際維護(hù)工作中，經(jīng)常只是使用鋼絲刷或砂輪機(jī)人工進(jìn)行簡(jiǎn)單清理，表面質(zhì)量很難達(dá)到涂裝要求，致使補(bǔ)刷后的涂層在短期內(nèi)就產(chǎn)生龜裂、剝落現(xiàn)象。應(yīng)該分不同的情形，對(duì)涂層破壞部位進(jìn)行清理。

b.涂層材料選配不適合。從實(shí)地檢查來(lái)看，中小型工程所設(shè)平面鋼閘門(mén)，多采用防銹漆或磁漆對(duì)原涂層破壞區(qū)進(jìn)行修補(bǔ)，然而不是所有的油漆系統(tǒng)都是等效的，所以會(huì)造成修補(bǔ)后使用周期短、效果差。

2.3 閘門(mén)局部漏水

閘門(mén)在承受設(shè)計(jì)水頭的壓力時(shí)，通過(guò)任意1m長(zhǎng)的水封范圍內(nèi)漏水速度不應(yīng)超過(guò)0.1L/s。其中，電站和泵站進(jìn)水口檢修閘門(mén)對(duì)此要求則更為嚴(yán)格。但實(shí)際運(yùn)行中，各種使用功能的閘門(mén)存在不同程度漏水現(xiàn)象普遍，主要有以下幾個(gè)原因：

2.3.1 止水橡膠老損、變形

水工平面鋼閘門(mén)，多采用柔性(橡膠)水封，由于此類(lèi)材料的特性，隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)、環(huán)境侵蝕會(huì)正常老化，長(zhǎng)期承受高水壓封閉的橡膠工作面彈性會(huì)明顯降低，且解除壓力后將形成塑性變形，削弱橡膠水封的止水壓縮量。

橡膠水封是作用在門(mén)槽軌道、門(mén)楣工作面上的，門(mén)楣處水封預(yù)壓量過(guò)大、門(mén)楣與軌道間連接焊縫未磨平或有銳邊、錯(cuò)位，閘門(mén)啟閉時(shí)極易產(chǎn)生撕裂。

2.3.2 橡膠止水面預(yù)壓量不足

止水座面、橡膠止水面平面度公差較大(>2.0mm)，工作水位偏低，橡膠老化、彈性壓縮性能降低等，這些技術(shù)條件和環(huán)境條件單獨(dú)或疊加存在都可能導(dǎo)致橡膠止水面預(yù)壓量滿(mǎn)足不了止水封閉要求。

2.3.3 滾輪軸裝配間隙滲漏

在閘門(mén)側(cè)止水設(shè)計(jì)布置于邊梁后翼板上的情形下，易發(fā)生滾輪軸裝配間隙滲漏而形成該部位滲漏的原因是軸與軸孔的配合精度不符合要求，見(jiàn)圖2。熱加工的閘門(mén)，其鏜制的軸孔在應(yīng)力重新分布后，一側(cè)兩端軸孔同軸度就會(huì)產(chǎn)生變化，不易裝配(拆卸)，所以就會(huì)用間隙配合取代過(guò)度配合來(lái)實(shí)現(xiàn)基本組裝，而這個(gè)裝配間隙卻成了高壓水流的滲漏通道。

圖2 滾輪軸間隙滲漏

2.4 構(gòu)件間連接焊縫斷裂

焊縫及其熱影響區(qū)與母材相比，其斷裂韌度較低，而閘門(mén)的水平向遭受異常沖擊或振動(dòng)就會(huì)造成焊縫金屬斷裂。如：排澇泵站抽排突然停機(jī)后，前池水流流速急劇變化，引起涵洞內(nèi)壓強(qiáng)發(fā)生大幅度交替升降，而產(chǎn)生水擊；深孔泄洪洞工作門(mén)泄水時(shí)，閘門(mén)快速關(guān)閉后，同樣原理產(chǎn)生的水錘撞擊閘門(mén)并引起門(mén)葉強(qiáng)烈振動(dòng)。

3 處理措施及建議

就上述閘門(mén)運(yùn)行期產(chǎn)生的主要問(wèn)題，提出以下幾點(diǎn)處理措施或建議：

3.1 減小閘門(mén)啟閉時(shí)非正常摩阻力

3.1.1 更換銹損行走支承

銹損滑塊不宜修復(fù)再使用,更換的滑塊宜使用耐磨抗腐蝕新型復(fù)合材質(zhì)(如鋼基或銅基復(fù)合板、鑄造油尼龍等)；拆卸轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活的主滾輪，對(duì)主軸破壞鉻層進(jìn)行表面處理后重新鍍鉻封閉，磨損的軸套應(yīng)更新，宜采用銅基鑲嵌(球墨潤(rùn)滑)的襯套，恢復(fù)閘門(mén)行走支承的正常功能。

3.1.2 清除梁格內(nèi)沉積泥沙

深孔口上、下游端分別設(shè)置進(jìn)、出口工作門(mén)，利用兩者間的交替使用，定期進(jìn)行沖沙、清淤，進(jìn)水口工作門(mén)應(yīng)定期進(jìn)行孔口水面清理、維護(hù)。

3.1.3 清理門(mén)槽內(nèi)雜物及施工支護(hù)

開(kāi)敞式閘孔應(yīng)常態(tài)化巡檢閘門(mén)槽，條件允許的情況下，可不定期進(jìn)行全行程或短行程啟閉運(yùn)行，以查驗(yàn)門(mén)槽工作區(qū)是否正常。如發(fā)現(xiàn)卡塞物，應(yīng)及時(shí)清理。

閘門(mén)投入使用前，在上部結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后，應(yīng)全面清理門(mén)槽內(nèi)雜物、軌道工作面及滾輪支承上附著物；施工或檢修期間，閘門(mén)臨時(shí)開(kāi)度的支護(hù)應(yīng)設(shè)置在門(mén)槽外一定的安全距離，且應(yīng)綁扎牽引繩索，以保證異常情況下，支護(hù)裝置可以撤出，孔口可及時(shí)封閉。建議露頂式閘門(mén)門(mén)頂或門(mén)槽頂端應(yīng)設(shè)置活動(dòng)式遮擋蓋板，防止墜物卡塞。

此外，在不影響使用功能的情況下，合理調(diào)整橡膠止水的預(yù)壓量、完善門(mén)葉底緣的結(jié)構(gòu)布置型式。

3.2 合理補(bǔ)強(qiáng)閘門(mén)構(gòu)件再防腐

3.2.1 正確選用表面處理方式

?對(duì)基體采用涂料涂裝進(jìn)行防腐的，其破壞區(qū)域涂層應(yīng)清理至基體，面積不大于0.5m2且分散分布的區(qū)域可采用手工除銹；對(duì)于單個(gè)破壞面積大于0.5m2或密集成片的，應(yīng)采用噴砂或噴丸處理，上述兩種處理方法均要保證表面粗糙度不小于50μm。

?在基體采用復(fù)合涂層(金屬層+漆膜)防腐的情況下，如果涂層破壞區(qū)域金屬涂層發(fā)生鼓起、剝離或浸出蝕點(diǎn)，則應(yīng)按上述措施和規(guī)范要求，對(duì)基體表面進(jìn)行處理與修復(fù)，如果只是封閉漆膜破壞的，要在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大一定面積。清除干凈殘留漆膜，露出完整的金屬涂層即可。

3.2.2 合理選配防腐蝕涂料

涂層破壞區(qū)域應(yīng)遵循原設(shè)計(jì)對(duì)涂料結(jié)構(gòu)層的油漆種類(lèi)、層數(shù)的要求進(jìn)行再防腐涂裝。無(wú)原設(shè)計(jì)文件或無(wú)據(jù)可查的，要區(qū)分待修復(fù)構(gòu)件所處的環(huán)境(水上、水下、水位變化區(qū)及水質(zhì)、底質(zhì)性質(zhì))分別選配涂料系統(tǒng)。但值得注意的是，淡水中的鋼閘門(mén)構(gòu)件，選擇涂料再防腐時(shí)，均應(yīng)選配環(huán)氧富鋅類(lèi)底漆。

3.3 改善閘門(mén)構(gòu)件防腐蝕條件

3.3.1 事前控制閘門(mén)防腐蝕質(zhì)量

為減少或延緩閘門(mén)產(chǎn)生腐蝕，需加強(qiáng)制造階段閘門(mén)防腐蝕質(zhì)量控制，保證其符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。其中，對(duì)由于施工條件所限而造成的金屬涂層局部厚度偏薄部位，應(yīng)使用性能相近的涂料進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；涂料涂裝的，應(yīng)嚴(yán)格控制涂層的針孔率，發(fā)現(xiàn)針孔數(shù)應(yīng)小于檢查總數(shù)的20%，并用砂紙或砂輪機(jī)打磨補(bǔ)涂。

3.3.2 減少產(chǎn)生局部腐蝕的條件

根據(jù)閘門(mén)重要性和運(yùn)行水頭，合理設(shè)計(jì)底檻、門(mén)槽型式，改善孔道的水力學(xué)條件；調(diào)整閘門(mén)止水零部件安裝精度，消除因縫隙滲漏而產(chǎn)生急速水流，在一定程度上可消除空蝕或氣蝕發(fā)生的條件。再者，合理布置主梁腹板漏水孔型式，以利于其上界面集水及時(shí)排泄，避免產(chǎn)生干濕交替的條件。

3.4 修復(fù)閘門(mén)漏水

除橡膠水封破損、嚴(yán)重變形需按要求更換、重新安裝外，對(duì)于工作面預(yù)壓量不足或分布不均勻的，可通過(guò)調(diào)整止水螺栓的擰距來(lái)調(diào)整止水面形態(tài)，使之與止水座面充分貼合、預(yù)壓；支承滾輪軸部位有止水要求的，在軸帽內(nèi)側(cè)可加設(shè)封水橡膠墊板，見(jiàn)圖3；發(fā)現(xiàn)水封與座面間有雜物的，要及時(shí)清理。這些均可減少或消除閘門(mén)的縫隙滲漏。

圖3 滾輪軸端部止水裝置

3.5 保護(hù)閘門(mén)焊縫的完整性

合理調(diào)度運(yùn)行、改善閘門(mén)孔口附近調(diào)壓井的型式和規(guī)格，以降低運(yùn)行過(guò)程中涵洞內(nèi)水流產(chǎn)生水擊或水錘的壓強(qiáng)值，削弱其對(duì)閘門(mén)焊縫的破壞影響。

為增強(qiáng)焊縫抵抗外力或應(yīng)力破壞的能力，應(yīng)減少施焊階段焊縫的返工次數(shù)(碳素結(jié)構(gòu)鋼不宜超過(guò)2次)，以降低焊縫熱影響區(qū)的冷裂紋和延遲裂紋產(chǎn)生的隱患，避免加劇焊縫組織的均勻性和力學(xué)性能的下降；對(duì)焊縫及其周?chē)糠诌M(jìn)行局部回火消除焊接殘余應(yīng)力；對(duì)焊縫明顯咬邊、未焊滿(mǎn)、端部缺口要補(bǔ)焊填滿(mǎn)且平緩過(guò)度，消除焊縫及影響區(qū)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

水工平面鋼閘門(mén)在實(shí)際運(yùn)行中產(chǎn)生的問(wèn)題是多樣且復(fù)雜的，其中腐蝕、變形是影響閘門(mén)正常使用的兩種主要破壞型式。對(duì)于不同的工況條件和維護(hù)水平，上述相關(guān)問(wèn)題及其影響程度會(huì)存在很大差異。

為提高閘門(mén)使用的耐久性和可靠性，應(yīng)對(duì)制造階段的組裝、焊接、防腐蝕質(zhì)量，安裝階段的各部位結(jié)構(gòu)件的形位公差或偏差、試運(yùn)行狀態(tài)等內(nèi)容進(jìn)行嚴(yán)格控制、檢驗(yàn)和驗(yàn)收；運(yùn)行中要定期檢查、及時(shí)科學(xué)地維護(hù)、檢修閘門(mén)。