實(shí)例分析：水庫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全檢測怎么做？

(摘 　要) 本文總結(jié)了某水庫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安全檢測和復(fù)核計(jì)算的主要成果，介紹了采用的主要檢測方法和檢測內(nèi)容，概括了主要檢測、復(fù)核計(jì)算和安全評價(jià)結(jié)果，提出了排 除隱患的技術(shù)措施和今后的整改建議。某水庫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備檢測發(fā)現(xiàn)的問題在我國早期建設(shè)的同類工程上具有普遍性，其改造措施和有關(guān)建議對這類工程的安全運(yùn) 行和管理具有積極的借鑒作用。

(關(guān)鍵詞) 金屬結(jié)構(gòu) 安全 檢測 復(fù)核計(jì)算 評價(jià)

1 概述
某水庫是一座以防洪為主，兼顧灌溉、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖和城市供水等綜合利用的大(1)型水利樞紐工程。該工程始建于 1959年12月， 1965年8月投入運(yùn)行，1970年增建了灌溉發(fā)電洞，1974年9月又對原輸水洞進(jìn)行了改建，至今已運(yùn)行近40年。
近年來，由于該工程大壩隱患的不斷增加，工程管理和維護(hù)的難度日益加大。為避免大壩發(fā)生突發(fā)性安全事故，工程管理單位于2002年初委托我院對大壩進(jìn)行安全 分析評價(jià)，以便對大壩進(jìn)行安全鑒定。為配合這次鑒定工作，必須對工程的溢洪道、泄洪洞、輸水洞和灌溉發(fā)電洞等主要泄洪建筑物的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)行安全檢測和 分析評價(jià)，以確定設(shè)備安全程度及其對大壩安全的影響程度。

2　安全檢測
本次受檢的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備計(jì)有：弧形閘門4扇，平面閘門11扇，攔污柵1扇，卷揚(yáng)啟閉機(jī)15臺(tái)，螺桿啟閉機(jī)1臺(tái)。這些設(shè)備主要分布在溢洪道、泄洪洞、輸水洞和灌溉發(fā)電洞等泄洪建筑物的進(jìn)、出口。
2.1 主要檢測方法和內(nèi)容
根 據(jù)《水工鋼閘門和啟閉機(jī)安全檢測技術(shù)規(guī)程》(SL101-94)的要求，結(jié)合工程管理部門對設(shè)備運(yùn)行情況的自述，通過現(xiàn)場外觀檢查、儀器量測檢查、腐蝕狀 況檢測、材料金相分析檢測、材料硬度檢測、無損探傷檢測以及設(shè)備啟閉性能檢查等方法，對預(yù)定檢測設(shè)備實(shí)施檢查工作，記錄檢測結(jié)果，對照標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范規(guī)定，確 定設(shè)備缺陷程度，形成檢測報(bào)告，作為復(fù)核計(jì)算的基本資料。
其中外觀檢查主要包括：① 設(shè)備整體或主要構(gòu)件及零件的損傷、變形、脫落等外觀形態(tài)異常情況；② 構(gòu)件尺寸及構(gòu)件之間的相對尺寸；③ 構(gòu)件銹蝕深度、部位和面積；④ 焊縫外觀、形狀、焊縫損傷情況等。腐蝕狀況檢測主要測量構(gòu)件的蝕余厚度。金相分析檢測用于檢測材料化學(xué)成分，結(jié)合硬度檢測結(jié)果確定材料牌號(hào)。無損探傷(如 超聲波探傷)用于抽檢重要結(jié)構(gòu)件的一、二類焊縫。
對于啟閉機(jī)設(shè)備，還應(yīng)檢測以下內(nèi)容：
①檢查電動(dòng)機(jī)運(yùn)行是否平穩(wěn)，三相電流是否平衡，電氣設(shè)備有無異常發(fā)熱現(xiàn)象；
②過負(fù)荷保護(hù)裝置、限位開關(guān)、終點(diǎn)(極限)行程開關(guān)、信號(hào)裝置的使用情況；
③控制器觸頭有無燒損現(xiàn)象；
④所有機(jī)械部件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有無沖擊聲和其他異常聲音；
⑤運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，制動(dòng)閘瓦是否全部離開制動(dòng)輪，沒有磨擦；
⑥所有軸承和齒輪是否有良好的潤滑；
⑦鋼絲繩在整個(gè)運(yùn)行過程中有無與其他部件碰刮；
⑧閘門在整個(gè)開啟過程中是否平衡，啟閉自如，有無其他異常情況。
2.2主要檢測結(jié)果
2.2.1閘門、攔污柵及其埋件檢測結(jié)果
(1) 外觀檢測結(jié)果：① 埋件銹蝕嚴(yán)重，部分埋件的銹蝕面積已超過30%~60%；② 止水橡皮均已老化龜裂，局部撕破，漏水嚴(yán)重；③ 側(cè)輪全部銹死；④ 滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，個(gè)別滾輪銹死，不能轉(zhuǎn)動(dòng)；⑤ 閘門門體結(jié)構(gòu)除輸水洞出口弧門和灌溉洞攔污柵存在嚴(yán)重變形外，其他閘門無明顯變形；⑥ 閘門局部結(jié)構(gòu)(包括焊縫部位)銹蝕嚴(yán)重，已影響閘門的安全運(yùn)行。
(2)腐蝕狀況：選取腐蝕嚴(yán)重的部位，先用砂輪機(jī)把銹蝕層打磨平整，再用 TT100型超聲波測厚儀測量構(gòu)件的蝕余厚度。檢測結(jié)果輸水洞出口弧門整體銹蝕量均超過2.5mm，銹蝕較嚴(yán)重。其他閘門整體銹蝕較輕，局部銹蝕較明顯， 最大銹蝕深度達(dá)1.8mm，銹蝕面積較小，閘門基本能正常使用。
(3)材料檢測：通過鉆取屑樣進(jìn)行金相分析和硬度測量判斷出閘門材料構(gòu)成元素分別在A3結(jié)構(gòu)鋼和16Mn合金鋼范圍內(nèi)，可以基本認(rèn)定取樣材質(zhì)分別為A3結(jié)構(gòu)鋼和16Mn合金鋼，其材料符合設(shè)計(jì)圖紙要求。
(4)無損探傷：超聲波探傷檢查發(fā)現(xiàn)，除灌溉發(fā)電洞出口工作門外，其余閘門均發(fā)現(xiàn)不同程度的超標(biāo)性缺陷信號(hào)，對接焊縫的焊接質(zhì)量按《水利水電工程鋼閘門制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范》驗(yàn)收，質(zhì)量不合格。
2.2.2啟閉設(shè)備檢測結(jié)果
通過檢測，發(fā)現(xiàn)啟閉設(shè)備普遍存在下列問題：
(1)啟閉機(jī)采用的JZ型電動(dòng)機(jī)，耗能高，效率低，性能差，屬淘汰機(jī)型，經(jīng)多年使用后，這些不足表現(xiàn)得更加突出；電氣控制系統(tǒng)和設(shè)備陳舊老化、技術(shù)落后；電氣元件陳舊，時(shí)有粘滯卡阻現(xiàn)象；電線絕緣老化，缺少接地保護(hù)或接零保護(hù)。
(2)啟閉機(jī)普遍無負(fù)荷控制器，常有超載現(xiàn)象發(fā)生。即使個(gè)別啟閉機(jī)裝有負(fù)荷限制裝置，也因元件損壞而無法使用。
(3)減速器齒輪銹蝕、漏油嚴(yán)重；齒輪油長期未更換，已變質(zhì)；運(yùn)行時(shí)有異常響聲。
(4)制動(dòng)器制動(dòng)帶磨損嚴(yán)重，制動(dòng)輪表面劃傷。制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)帶與制動(dòng)輪不能緊密貼合，影響制動(dòng)性能；解除制動(dòng)時(shí)不能徹底脫離，影響運(yùn)行。
(5)鋼絲繩磨損、銹蝕與斷絲現(xiàn)象較嚴(yán)重。
除以上存在的共性問題外，不同部位的啟閉機(jī)還存在以下特殊問題：
(1)溢洪道啟閉機(jī)鋼絲繩余留安全圈數(shù)只有1圈；
(2)泄洪洞進(jìn)口檢修門啟閉機(jī)鋼絲繩繩股擠出變形、繩芯損壞，開式齒輪齒側(cè)間隙偏大；
(3)泄洪洞工作門啟閉機(jī)開式齒輪副的嚙合面因進(jìn)入硬質(zhì)臟物而產(chǎn)生嚴(yán)重磨粒磨損，損傷面積約60%；
(4)灌溉洞進(jìn)口檢修門啟閉機(jī)高度限制器的最低限位失靈；
(5)灌溉洞進(jìn)口攔污柵啟閉機(jī)主要受力鑄件出現(xiàn)超標(biāo)鑄造缺陷；
(6)灌溉洞出口工作門啟閉機(jī)各部件銹蝕嚴(yán)重；
(7)輸水洞出口螺桿式啟閉機(jī)埋于混凝土基礎(chǔ)中的地腳螺栓松動(dòng)；啟閉機(jī)效率低，操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度大；啟閉機(jī)高度限制器失靈，拉桿嚴(yán)重銹蝕，蝸輪蝸桿嚴(yán)重磨損；
(8)節(jié)制閘啟閉機(jī)的東孔啟閉機(jī)左右卷筒鋼絲繩亂槽，致使兩吊點(diǎn)不同步等，運(yùn)行中多次發(fā)生閘門偏斜，卡死在門槽中的現(xiàn)象。

3　安全復(fù)核計(jì)算
3.1　計(jì)算條件
計(jì)算按新的調(diào)洪標(biāo)準(zhǔn)水位進(jìn)行，即按千年一遇水位進(jìn)行設(shè)計(jì)，按萬年一遇洪水位進(jìn)行校核。安全復(fù)核在水文水力計(jì)算以及現(xiàn)場檢測資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行。其中：
(1)鋼閘門的自重、泥沙壓力、溫度荷載等根據(jù)觀測資料與檢測資料核算，缺乏實(shí)測資料時(shí)參考設(shè)計(jì)資料取用。
(2)水壓力、波浪壓力根據(jù)新的防洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核結(jié)果重新計(jì)算。
(3)啟閉力按新的調(diào)洪標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核的水位條件重新計(jì)算。
(4)閘門結(jié)構(gòu)鋼板計(jì)算厚度的采用，需對閘門銹蝕情況進(jìn)行綜合分析，銹蝕厚度既考慮該部件的最大銹蝕量，也考慮其平均銹蝕量。
(5)其他條件及參數(shù)包括摩擦系數(shù)等由于無條件進(jìn)行實(shí)測，按原設(shè)計(jì)資料和現(xiàn)行規(guī)范取用。
3.2　復(fù)核計(jì)算結(jié)果
根據(jù)閘門結(jié)構(gòu)受力情況，分別對閘門主梁、次梁作了結(jié)構(gòu)應(yīng)力、穩(wěn)定核算，還進(jìn)行了閘門面板厚度核算及閘門啟閉力核算，弧門除經(jīng)過上述計(jì)算外還進(jìn)行了支臂應(yīng)力、 穩(wěn)定及剛度比核算，復(fù)核結(jié)果見表1。其中灌溉洞出口總干渠泄洪閘、節(jié)制閘為混凝土閘門，由于門體碳化剝蝕嚴(yán)重，已無法修復(fù)，故無需再進(jìn)行復(fù)核。對于啟閉 機(jī)，由于無詳細(xì)圖紙，又不能在現(xiàn)場將零件拆開進(jìn)行實(shí)測，因此缺乏結(jié)構(gòu)與零件的具體尺寸，不具備對強(qiáng)度、剛度的核算條件，因此只根據(jù)外觀檢測和啟閉試驗(yàn)結(jié)果 進(jìn)行定性分析評價(jià)。

4 安全評價(jià)及建議
水庫的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備多數(shù)已運(yùn)行了近40年，運(yùn)行時(shí)間最短的也已超過了30年。根據(jù)《水利建設(shè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)評價(jià)規(guī)范》(SL72-94)對水利工程固定資產(chǎn)折 舊年限的規(guī)定，大型閘、閥、啟閉設(shè)備的折舊年限為30 年，中小型閘、閥、啟閉設(shè)備的折舊年限為20年。因此，某水庫的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備普遍存在超期服役現(xiàn)象。從檢測和復(fù)核結(jié)果(見表1)可以看出，多數(shù)閘門結(jié)構(gòu) 及埋件銹蝕嚴(yán)重，并出現(xiàn)較大變形；抽檢的主要焊縫缺陷超標(biāo)；主要構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度核算結(jié)果不能滿足規(guī)范要求。這些閘門已達(dá)到《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的報(bào)廢條件。只有個(gè)別閘門勉強(qiáng)通過復(fù)核計(jì)算，雖能勉強(qiáng)使用，但就設(shè)備的整體而言，也已處在不安全的邊緣。隨著時(shí)間的推移和銹蝕的進(jìn)一步加重，構(gòu)件 的強(qiáng)度必定會(huì)很快下降。另外在復(fù)核中還發(fā)現(xiàn)，一些無銹蝕或銹蝕程度較輕的構(gòu)件，其核算的應(yīng)力也出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象。說明這些閘門在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)其計(jì)算應(yīng)力就取得 較大。其原因可能是由于建設(shè)時(shí)期中國的經(jīng)濟(jì)條件較差，設(shè)計(jì)中留的裕度較小或根本就沒有裕度(當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的安全裕度也較小)。
根據(jù)閘 門啟閉力計(jì)算及計(jì)算條件分析還可以看出，啟閉機(jī)的容量可能會(huì)因?yàn)槠渌麠l件的變化導(dǎo)致不滿足要求。既使設(shè)備計(jì)算的啟閉容量滿足要求，但須指出的是，啟閉力核 算中采用的摩擦系數(shù)是按原設(shè)計(jì)條件進(jìn)行計(jì)算的。實(shí)際上，經(jīng)過幾十年的運(yùn)行后，閘門支承與軌道間的摩擦系數(shù)會(huì)有一些變化。另外，啟閉設(shè)備型號(hào)老化，零部件的 磨損較嚴(yán)重，運(yùn)行中噪音和振動(dòng)較大；一些電氣設(shè)備和保護(hù)系統(tǒng)落后，性能差，安全性低。由于設(shè)備型號(hào)過于陳舊，一些老型號(hào)的零部件或成品目前已淘汰，市場上 很難采購；若用新型號(hào)的產(chǎn)品替代，由于安裝或連接尺寸不配套，往往引起一連串的部件都需要更換；同時(shí)，由于水庫管理單位無啟閉機(jī)的全套加工圖紙，個(gè)別零部 件需先拆卸、清洗，進(jìn)行現(xiàn)場測繪制圖，而測繪出來的圖與原圖還可能存在誤差。可見改造起來存在諸多不便，實(shí)際上很麻煩，而且改造工期也相應(yīng)加長。綜合起來 看或長遠(yuǎn)來看對舊機(jī)改造并不經(jīng)濟(jì)。因此，這些過于陳舊的設(shè)備已不宜再進(jìn)行技術(shù)改造，因此我們建議對這些低揚(yáng)程啟閉機(jī)全部作報(bào)廢處理，更換為高揚(yáng)程的新型啟 閉機(jī)，以徹底解決工程的安全運(yùn)行問題。
根據(jù)以上分析可以看出，某水庫的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備運(yùn)行時(shí)間都已大大超過設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命，多數(shù)已處于不安全狀態(tài)。個(gè)別設(shè)備雖經(jīng)局部改造后仍能使用，但改造困難，只能作權(quán)宜之計(jì)，并不能徹底解決安全問題。若繼續(xù)使用這些設(shè)備將對水庫和大壩安全造成嚴(yán)重威脅。

5 結(jié)束語
水庫金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備的安全評價(jià)結(jié)論已在大壩安全鑒定中采用，并組成大壩安全鑒定結(jié)論的一部分，其建議的整改措施目前正在后續(xù)的工程改造中得到實(shí)施。某水 庫金屬結(jié)構(gòu)安全檢測中發(fā)現(xiàn)的問題在我國早期建設(shè)的同類工程上具有普遍性，其改造措施和有關(guān)建議對這類工程的安全運(yùn)行和管理具有積極的借鑒作用。我們通過對 某水庫、巴家咀、狼心山等數(shù)座大中型水庫金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評價(jià)后總結(jié)出如下幾點(diǎn)意見供同行參考：
(1)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備進(jìn)入老齡、甚至超期服 役階段后，安全問題已經(jīng)非常突出，安全評價(jià)已刻不容緩。我國70年代以前建成的大中型水利水電工程多數(shù)已運(yùn)行30多年，有的甚至已超過了40年。這些工程 的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備大都超過了規(guī)定的折舊年限，即使設(shè)備目前運(yùn)行情況正常，也應(yīng)定期進(jìn)行安全檢測，以防突發(fā)事故發(fā)生。
(2)在復(fù)核中發(fā)現(xiàn)，一些 無銹蝕或銹蝕程度較輕的構(gòu)件，其核算的應(yīng)力也出現(xiàn)了超標(biāo)現(xiàn)象。說明這些設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)其計(jì)算應(yīng)力就取得較大。其原因可能是70年代以前中國的經(jīng)濟(jì)條件較 差，設(shè)計(jì)中留的裕度較小或根本就沒有裕度(當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的安全裕度也較小)。因此，對這些工程的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備應(yīng)當(dāng)進(jìn)行全面的安全檢測，以便管理部門 采取預(yù)防措施，把危害降到最低。
(3)早期建成的工程，受當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件和制造條件限制，所選用的啟閉設(shè)備型號(hào)老化，零部件的磨損較嚴(yán)重， 運(yùn)行中噪音和振動(dòng)較大；一些電氣設(shè)備和保護(hù)系統(tǒng)落后，性能差，安全性低。由于設(shè)備陳舊、老化，大部分零部件和元器件早已被淘汰，這些部件市場上已采購不到 甚至無法制造，技術(shù)改造存在較多困難。及早對該部分設(shè)備進(jìn)行安全評價(jià)及處理，是避免安全事故，確保安全運(yùn)行的有效途徑。
(4)按照《水庫大壩安全導(dǎo)則》要求，金屬結(jié)構(gòu)安全評價(jià)是大壩安全評價(jià)重要組成部分，但是未能引起相關(guān)部門的重視，許多已完成的大壩安全評價(jià)報(bào)告對 大壩部分比較重視，按照相關(guān)要求完成評價(jià)，但對金屬結(jié)構(gòu)的安全評價(jià)只進(jìn)行敘述性描述，得出結(jié)論，不符合金屬結(jié)構(gòu)安全評價(jià)的要求。這樣就給大壩安全鑒定部門 的鑒定工作帶來不必要的麻煩。