弧式水工鋼閘門銹蝕影響有限元模擬及分析

(上饒市科信水利水電勘察設計咨詢有限公司，江西 上饒 334000)

1 弧式鋼閘門銹蝕影響研究述要

弧式鋼閘門，最大的應力一般均產生于面板單元。對于弧式鋼閘門的安全狀態(tài)來說，面板銹蝕更具有安全威脅性，因此，對于面板銹蝕影響的研究，確定閘門銹蝕敏感部位分布規(guī)律，學術界和工程部門一直高度重視并開展技術研究，以為工作閘門的建設、運營、檢測和維護提供技術依據。

金屬接觸水和氧，導致了銹蝕的發(fā)生和發(fā)展，其化學方程式負極描述為Fe-2e=Fe2+，正極描述為2H2O+O2+4e=4OH-。正常水位的上下部分，是閘門金屬經常與氧和水頻繁接觸的部位，這是金屬閘門主要的易銹蝕部位。在這個范圍間，閘門銹蝕度遠較閘門其他部位要高。顯然，對閘門的銹蝕情況采用平均銹蝕方法開展模擬是不夠合理的。

對弧式鋼閘門的局部銹蝕影響，有學者近來作了系列細觀研究，得出的結論是不能忽略閘門銹蝕對閘門內力分布狀態(tài)的影響。有學者嘗試改變單元厚度以模擬閘門銹蝕的深度，使閘門銹蝕模擬合理了許多，但該研究在支臂、縱梁和主橫梁各取一組單元，分別對應研究各單元對所在系統(tǒng)應力的影響，相對而言忽略了面板銹蝕的影響。本文專題開展弧式鋼閘門銹蝕影響有限元模擬及分析研究，通過銹蝕敏感部位云圖計算及分布、銹蝕影響下的面板最大應力單元所在列的應力曲線分布以及基于銹蝕深度變化的閘門面板應力演化規(guī)律，探究水工弧式鋼閘門銹蝕影響規(guī)律。

學術上，銹蝕被劃分為5類程度(見下表)。

銹蝕劃分一覽表

本文取2mm銹蝕深度對閘門銹蝕區(qū)域開展模擬計算和分析。

2 弧式鋼閘門面板銹蝕建模

本文對馬尾水庫泄洪洞弧式鋼閘門，借助ANSYS系統(tǒng)，開展銹蝕有限元分析研究。該水庫死水位120.00m，主壩底高程為100.40m。其底檻高程為98.90m，高4.50m。在維修期和非泄洪期，上游面面板長期泡在水中。經多年運行，此閘門的密封性能已大為降低，上角和底部面板已經輕微漏水。

該閘系潛孔型弧式結構，高4.50m，寬4.00m，面板厚度為16mm，面板外弧面半徑為9.00m。為加強整體剛度，采用了實腹式降低和等高連接梁。Q235鋼材結構，彈性模量2.06MPa，泊松比0.3。以有無肋加勁的兩個型類分別求解計算，考慮了材料以及幾何的非線性因素。

由上至下均勻地把面板劃分為三塊，以區(qū)域面模擬銹蝕面積，所處的位置便是模擬銹蝕的部位。面板網格共24行9列單元，區(qū)域1系1～8行所有單元，區(qū)域2系9～16行所有單元，區(qū)域3系17～24行所有單元(見圖1)。

圖1 面板銹蝕分析網格模型

3 閘門面板銹蝕敏感部位分布計算及分析

3.1 銹蝕敏感部位云圖計算及分布

以2mm為本研究選取的銹蝕深度，分別對三個銹蝕模擬區(qū)進行計算，得到銹蝕閘門整體應力模擬云圖(見圖2～圖4)。

圖2 閘門1區(qū)域銹蝕整體應力云圖

圖3 閘門2區(qū)域銹蝕整體應力云圖

圖4 閘門3區(qū)域銹蝕整體應力云圖

比較圖2～圖4可以看到，閘門最大等效應力的發(fā)生部位并沒有因為銹蝕區(qū)域的不同而發(fā)生改變，銹蝕區(qū)域僅影響和改變著閘門應力的大小。

3.2 最大應力單元列的應力分布

針對最大應力單元列，繪制對應的應力曲線。基于銹蝕影響的最大應力單元列對應的應力曲線見圖5。

圖5 最大應力單元列的應力曲線

分析圖5可以看到，模型的1區(qū)域，達到185.90MPa最大應力值，對比沒有銹蝕的狀態(tài)，有了24%的應力值提高，此已然超出了該弧式閘門的設計容許應力范圍，此狀態(tài)下如果銹蝕得不到控制而繼續(xù)加大，閘門毀損隨時有可能發(fā)生，而模型2、3區(qū)域，對應應力值均仍低于設計容許應力，可見銹蝕對最大應力基本不發(fā)生影響；在3區(qū)域，4～16行存在應力銹蝕改變，在2區(qū)域17～21行、4～8行發(fā)生了單元應力銹蝕改變，在1區(qū)域9～22行，出現(xiàn)小幅單元應力銹蝕波動，這意味銹蝕區(qū)對非銹蝕區(qū)存在有一定量的應力影響；單元應力也可能對應減小，不是所有對應單元都一定應力增大，如在3區(qū)域，對應降低在第24行發(fā)生了，如1區(qū)域，對應降低在第8行和第6行發(fā)生了，意味銹蝕可以在局部集中應力，引起應力重分布。

三個區(qū)域弧式鋼閘門在銹蝕以后的應力對比結果表明：模型1區(qū)域屬于該弧式鋼閘門較為敏感的銹蝕發(fā)生區(qū)域，如果在沒有銹蝕狀態(tài)下，該模型閘門之最大應力單元，位于模型1區(qū)域范圍中，其等效應力單元之應力儲備是很小的，不過此時尚滿足設計強度規(guī)范要求，但在2mm銹蝕發(fā)生以后，就變得不能滿足設計強度規(guī)范要求了，而模型2區(qū)域和模型3區(qū)域在沒有發(fā)生銹蝕時，該閘門的單元應力都較小，單元本身的應力儲備依然很大，哪怕銹蝕深度繼續(xù)有所加大，其應力值范圍仍可以滿足設計強度要求。因此，在銹蝕未發(fā)生時，這些等效應力較大的部位便是銹蝕敏感的部位。

3.3 基于銹蝕深度變化的弧式鋼閘門面板應力演化規(guī)律

因為該閘門的最大應力單元位于1區(qū)域中，故在不同銹蝕程度下，對1區(qū)域的銹蝕狀態(tài)進行計算，繪制基于銹蝕深度演化的最大應力變化曲線(見圖6)。

圖6 基于銹蝕深度演化的最大應力變化曲線

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，1區(qū)域在銹蝕未達4mm時，隨著銹蝕深度加大，閘門最大應力呈線性增長狀態(tài)，1區(qū)域銹蝕達4mm時，最大閘門應力接近了鋼材的屈服強度，當1區(qū)域銹蝕達5mm時，最大閘門應力值達235MPa，這是此弧式鋼閘門面板的最大應力區(qū)域范圍，已處于屈服狀態(tài)。

4 結 論

本文借助ANSYS系統(tǒng)，針對馬尾水庫泄洪洞弧式鋼閘門，圍繞銹蝕敏感部位云圖計算及分布、銹蝕影響下的面板最大應力單元所在列的應力曲線分布以及基于銹蝕深度變化的閘門面板應力演化規(guī)律，開展弧式鋼閘門銹蝕影響有限元模擬及分析研究。

主要結論：在弧式鋼閘門還沒發(fā)生有銹蝕的情況下，銹蝕的敏感部位往往是等效應力較大的部位，因此在定期檢測弧式鋼閘門時，應先檢測等效應力較大的部位；閘門發(fā)生銹蝕后，隨著銹蝕深度加大，其最大應力值基本呈線性增加趨勢，當達到一定程度的銹蝕深度時，應力較大的面板區(qū)域極有可能進入塑性狀態(tài)；銹蝕影響閘門的應力狀態(tài)是客觀存在的，發(fā)現(xiàn)銹蝕后，必須及時維護和處理，控制銹蝕繼續(xù)發(fā)展，防止閘門發(fā)生超強度破壞。