陆浑水库金属结构设备安全检测与评价

　　1 概述

　　陆浑水库位于黄河支流伊河中游嵩县田湖乡境内，距洛阳67km，是一座以防洪为主，兼顾灌溉、发电、水产养殖和城市供水等综合利用的大(1)型水利枢纽工程。该工程始建于1959年12月， 1965年8月投入运行，1970年增建了灌溉发电洞，1974年9月又对原输水洞进行了改建，至今已运行近40年。

　　近年来，由于该工程大坝隐患的不断增加，工程管理和维护的难度日益加大。为避免大坝发生突发性安全事故，工程管理单位于2002年初委托我院对大坝进行安全分析评价，以便对大坝进行安全鉴定。为配合这次鉴定工作，必须对工程的溢洪道、泄洪洞、输水洞和灌溉发电洞等主要泄洪建筑物的金属结构设备进行安全检测和分析评价，以确定设备安全程度及其对大坝安全的影响程度。

　　2　安全检测

　　本次受检的金属结构设备计有：弧形闸门4扇，平面闸门11扇，拦污栅1扇，卷扬启闭机15台，螺杆启闭机1台。这些设备主要分布在溢洪道、泄洪洞、输水洞和灌溉发电洞等泄洪建筑物的进、出口。

　　2.1 主要检测方法和内容

　　根据《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》(SL101-94)的要求，结合工程管理部门对设备运行情况的自述，通过现场外观检查、仪器量测检查、腐蚀状况检测、材料金相分析检测、材料硬度检测、无损探伤检测以及设备启闭性能检查等方法，对预定检测设备实施检查工作，记录检测结果，对照标准和规范规定，确定设备缺陷程度，形成检测报告，作为复核计算的基本资料。

　　其中外观检查主要包括：① 设备整体或主要构件及零件的损伤、变形、脱落等外观形态异常情况；② 构件尺寸及构件之间的相对尺寸；③ 构件锈蚀深度、部位和面积；④ 焊缝外观、形状、焊缝损伤情况等。腐蚀状况检测主要测量构件的蚀余厚度。金相分析检测用于检测材料化学成分，结合硬度检测结果确定材料牌号。无损探伤(如超声波探伤)用于抽检重要结构件的一、二类焊缝。

　　对于启闭机设备，还应检测以下内容：

　　①检查电动机运行是否平稳，三相电流是否平衡，电气设备有无异常发热现象；

　　②过负荷保护装置、限位开关、终点(极限)行程开关、信号装置的使用情况；

　　③控制器触头有无烧损现象；

　　④所有机械部件运转时，有无冲击声和其他异常声音；

　　⑤运转时，制动闸瓦是否全部离开制动轮，没有磨擦；

　　⑥所有轴承和齿轮是否有良好的润滑；

　　⑦钢丝绳在整个运行过程中有无与其他部件碰刮；

　　⑧闸门在整个开启过程中是否平衡，启闭自如，有无其他异常情况。

　　2.2主要检测结果

　　2.2.1闸门、拦污栅及其埋件检测结果

　　(1)外观检测结果：① 埋件锈蚀严重，部分埋件的锈蚀面积已超过30%~60%；② 止水橡皮均已老化龟裂，局部撕破，漏水严重；③ 侧轮全部锈死；④ 滚轮转动不灵活，个别滚轮锈死，不能转动；⑤ 闸门门体结构除输水洞出口弧门和灌溉洞拦污栅存在严重变形外，其他闸门无明显变形；⑥ 闸门局部结构(包括焊缝部位)锈蚀严重，已影响闸门的安全运行。

　　(2)腐蚀状况：选取腐蚀严重的部位，先用砂轮机把锈蚀层打磨平整，再用TT100型超声波测厚仪测量构件的蚀余厚度。检测结果输水洞出口弧门整体锈蚀量均超过2.5mm，锈蚀较严重。其他闸门整体锈蚀较轻，局部锈蚀较明显，最大锈蚀深度达1.8mm，锈蚀面积较小，闸门基本能正常使用。

　　(3)材料检测：通过钻取屑样进行金相分析和硬度测量判断出闸门材料构成元素分别在A3结构钢和16Mn合金钢范围内，可以基本认定取样材质分别为A3结构钢和16Mn合金钢，其材料符合设计图纸要求。

　　(4)无损探伤：超声波探伤检查发现，除灌溉发电洞出口工作门外，其余闸门均发现不同程度的超标性缺陷信号，对接焊缝的焊接质量按DL/T5018-94《水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范》验收，质量不合格。

　　2.2.2启闭设备检测结果

　　通过检测，发现启闭设备普遍存在下列问题：

　　(1)启闭机采用的JZ型电动机，耗能高，效率低，性能差，属淘汰机型，经多年使用后，这些不足表现得更加突出；电气控制系统和设备陈旧老化、技术落后；电气元件陈旧，时有粘滞卡阻现象；电线绝缘老化，缺少接地保护或接零保护。

　　(2)启闭机普遍无负荷控制器，常有超载现象发生。即使个别启闭机装有负荷限制装置，也因元件损坏而无法使用。

　　(3)减速器齿轮锈蚀、漏油严重；齿轮油长期未更换，已变质；运行时有异常响声。

　　(4)制动器制动带磨损严重，制动轮表面划伤。制动时，制动带与制动轮不能紧密贴合，影响制动性能；解除制动时不能彻底脱离，影响运行。

　　(5)钢丝绳磨损、锈蚀与断丝现象较严重。

　　除以上存在的共性问题外，不同部位的启闭机还存在以下特殊问题：

　　(1)溢洪道启闭机钢丝绳余留安全圈数只有1圈；

　　(2)泄洪洞进口检修门启闭机钢丝绳绳股挤出变形、绳芯损坏，开式齿轮齿侧间隙偏大；

　　(3)泄洪洞工作门启闭机开式齿轮副的啮合面因进入硬质脏物而产生严重磨粒磨损，损伤面积约60%；

　　(4)灌溉洞进口检修门启闭机高度限制器的最低限位失灵；

　　(5)灌溉洞进口拦污栅启闭机主要受力铸件出现超标铸造缺陷；

　　(6)灌溉洞出口工作门启闭机各部件锈蚀严重；

　　(7)输水洞出口螺杆式启闭机埋于混凝土基础中的地脚螺栓松动；启闭机效率低，操作人员劳动强度大；启闭机高度限制器失灵，拉杆严重锈蚀，蜗轮蜗杆严重磨损；

　　(8)节制闸启闭机的东孔启闭机左右卷筒钢丝绳乱槽，致使两吊点不同步等，运行中多次发生闸门偏斜，卡死在门槽中的现象。

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　　3　安全复核计算

　　3.1　计算条件

　　计算按新的调洪标准水位进行，即按千年一遇水位进行设计，按万年一遇洪水位进行校核。安全复核在水文水力计算以及现场检测资料的基础上进行。其中：

　　(1)钢闸门的自重、泥沙压力、温度荷载等根据观测资料与检测资料核算，缺乏实测资料时参考设计资料取用。

　　(2)水压力、波浪压力根据新的防洪标准复核结果重新计算。

　　(3)启闭力按新的调洪标准复核的水位条件重新计算。

　　(4)闸门结构钢板计算厚度的采用，需对闸门锈蚀情况进行综合分析，锈蚀厚度既考虑该部件的最大锈蚀量，也考虑其平均锈蚀量。

　　(5)其他条件及参数包括摩擦系数等由于无条件进行实测，按原设计资料和现行规范取用。

　　3.2　复核计算结果

　　根据闸门结构受力情况，分别对闸门主梁、次梁作了结构应力、稳定核算，还进行了闸门面板厚度核算及闸门启闭力核算，弧门除经过上述计算外还进行了支臂应力、稳定及刚度比核算，复核结果见表1。其中灌溉洞出口总干渠泄洪闸、节制闸为混凝土闸门，由于门体碳化剥蚀严重，已无法修复，故无需再进行复核。对于启闭机，由于无详细图纸，又不能在现场将零件拆开进行实测，因此缺乏结构与零件的具体尺寸，不具备对强度、刚度的核算条件，因此只根据外观检测和启闭试验结果进行定性分析评价。

　　4 安全评价及建议

　　陆浑水库的金属结构设备多数已运行了近40年，运行时间最短的也已超过了30年。根据《水利建设项目经济评价规范》(SL72-94)对水利工程固定资产折旧年限的规定，大型闸、阀、启闭设备的折旧年限为30 年，中小型闸、阀、启闭设备的折旧年限为20年。因此，陆浑水库的金属结构设备普遍存在超期服役现象。从检测和复核结果(见表1)可以看出，多数闸门结构及埋件锈蚀严重，并出现较大变形；抽检的主要焊缝缺陷超标；主要构件的强度和刚度核算结果不能满足规范要求。这些闸门已达到《水利水电工程金属结构报废标准》规定的报废条件。只有个别闸门勉强通过复核计算，虽能勉强使用，但就设备的整体而言，也已处在不安全的边缘。随着时间的推移和锈蚀的进一步加重，构件的强度必定会很快下降。另外在复核中还发现，一些无锈蚀或锈蚀程度较轻的构件，其核算的应力也出现了超标现象。说明这些闸门在结构设计时其计算应力就取得较大。其原因可能是由于建设时期中国的经济条件较差，设计中留的裕度较小或根本就没有裕度(当时的设计规范规定的安全裕度也较小)。

　　根据闸门启闭力计算及计算条件分析还可以看出，启闭机的容量可能会因为其他条件的变化导致不满足要求。既使设备计算的启闭容量满足要求，但须指出的是，启闭力核算中采用的摩擦系数是按原设计条件进行计算的。实际上，经过几十年的运行后，闸门支承与轨道间的摩擦系数会有一些变化。另外，启闭设备型号老化，零部件的磨损较严重，运行中噪音和振动较大；一些电气设备和保护系统落后，性能差，安全性低。由于设备型号过于陈旧，一些老型号的零部件或成品目前已淘汰，市场上很难采购；若用新型号的产品替代，由于安装或连接尺寸不配套，往往引起一连串的部件都需要更换；同时，由于水库管理单位无启闭机的全套加工图纸，个别零部件需先拆卸、清洗，进行现场测绘制图，而测绘出来的图与原图还可能存在误差。可见改造起来存在诸多不便，实际上很麻烦，而且改造工期也相应加长。综合起来看或长远来看对旧机改造并不经济。因此，这些过于陈旧的设备已不宜再进行技术改造，因此我们建议对这些低扬程启闭机全部作报废处理，更换为高扬程的新型启闭机，以彻底解决工程的安全运行问题。

　　根据以上分析可以看出，陆浑水库的金属结构设备运行时间都已大大超过设备的设计寿命，多数已处于不安全状态。个别设备虽经局部改造后仍能使用，但改造困难，只能作权宜之计，并不能彻底解决安全问题。若继续使用这些设备将对水库和大坝安全造成严重威胁。

　　5 结束语

　　陆浑水库金属结构设备的安全评价结论已在大坝安全鉴定中采用，并组成大坝安全鉴定结论的一部分，其建议的整改措施目前正在后续的工程改造中得到实施。陆浑水库金属结构安全检测中发现的问题在我国早期建设的同类工程上具有普遍性，其改造措施和有关建议对这类工程的安全运行和管理具有积极的借鉴作用。我们通过对陆浑水库、巴家咀、狼心山等数座大中型水库金属结构进行安全评价后总结出如下几点意见供同行参考：

　　(1)金属结构设备进入老龄、甚至超期服役阶段后，安全问题已经非常突出，安全评价已刻不容缓。我国70年代以前建成的大中型水利水电工程多数已运行30多年，有的甚至已超过了40年。这些工程的金属结构设备大都超过了规定的折旧年限，即使设备目前运行情况正常，也应定期进行安全检测，以防突发事故发生。

　　(2)在复核中发现，一些无锈蚀或锈蚀程度较轻的构件，其核算的应力也出现了超标现象。说明这些设备在结构设计时其计算应力就取得较大。其原因可能是70年代以前中国的经济条件较差，设计中留的裕度较小或根本就没有裕度(当时的设计规范规定的安全裕度也较小)。因此，对这些工程的金属结构设备应当进行全面的安全检测，以便管理部门采取预防措施，把危害降到最低。

　　(3)早期建成的工程，受当时的技术条件和制造条件限制，所选用的启闭设备型号老化，零部件的磨损较严重，运行中噪音和振动较大；一些电气设备和保护系统落后，性能差，安全性低。由于设备陈旧、老化，大部分零部件和元器件早已被淘汰，这些部件市场上已采购不到甚至无法制造，技术改造存在较多困难。及早对该部分设备进行安全评价及处理，是避免安全事故，确保安全运行的有效途径。

　　(4)按照《水库大坝安全导则》(SL258-2000)要求，金属结构安全评价是大坝安全评价重要组成部分，但是未能引起相关部门的重视，许多已完成的大坝安全评价报告对大坝部分比较重视，按照相关要求完成评价，但对金属结构的安全评价只进行叙述性描述，得出结论，不符合金属结构安全评价的要求。这样就给大坝安全鉴定部门的鉴定工作带来不必要的麻烦。