水建筑鋼襯設計材料論文

1、水建筑鋼襯設計材料論文 三峽二期工程左岸電廠設有14臺單機容量700MW發(fā)電機組，總裝機容量9800MW，根據(jù)壩前河床地勢及樞紐布置條件，經(jīng)充分論證和試驗，分別于廠房安裝場設置一孔及安裝場設置兩孔共三孔排砂沖淤孔道，其位置分別位于機組進水口下方75.00和90.00高程(底坎)，出口分別位于機組尾水口上方60.50和57.50高程(底坎)，排沙孔軸線長分別為169.1m和160m，由進口漸變段以下全部采用鋼襯砌襯護。其主要功能為在確保機組發(fā)電效益條件下，最大限度降低壩前泥沙淤積以及減輕泥砂等懸移質對水機的磨損。 二期工程泄洪壩段泄洪深孔共有23孔，為樞紐工程主要泄洪通道，為解決水力學復雜條件對

2、建筑物過流面可能造成的不利影響，于上游事故檢修門至弧形工作門區(qū)段高流速區(qū)采用鋼襯砌保護。 永久船閘輸、泄水廊道反向弧形工作門門井區(qū)段為改善水力學條件并減輕磨蝕問題，亦采用鋼襯砌保護。電站排沙孔鋼襯砌和泄洪深孔鋼襯砌以及船閘廊道反弧門處鋼襯砌等其功能具有諸多相似之處，本文僅以排砂孔為例，簡要介紹鋼襯砌設計選材考慮的一些因素和思路。 1過流面鋼襯設計選擇 電站排砂底孔和泄洪壩段泄洪深孔等高流速過水建筑等由于孔道多，樞紐建成后，其管理維護工作量大，故在樞紐工程布置及工程設計階段，根據(jù)運行水位和長江水質特性，經(jīng)科學論證和試驗，充分考慮到在高速水流并伴有一定泥砂等懸移質作用下，其水道過流面若材料選擇不當

3、，因水力學問題，必然引起空化、氣蝕、磨損和腐蝕等，進而可能危及建筑物的安全，為此，綜合上述問題進行了深入的研究和論證，直至模型試驗，并結合國內(nèi)外水利工程成功經(jīng)驗，在科學基礎上除對過流面鋼襯的結構布置、錨固方式進行研究外，尤其對材料品種與特性等進行了多方案比較和篩選，通過試驗研究表明，若采用傳統(tǒng)材料，不能滿足三峽工程使用工況，其運行維護難度和費用也是可想而知的，因此，要求設計所選材料除需滿足正常運行基本條件外，盡可能延長使用壽命，且不致給施工、運行維護帶來不便，同時還要綜合考慮工程造價是否合理、市場貨源保證是否可靠等因素。通過大量的調(diào)研和論證，最終選擇鋼基不銹鋼復合板作為排砂孔和泄洪深孔以及反弧

4、門門井區(qū)段過流面起保護作用的鋼襯砌。 基于不銹鋼復合板自身固有的特性，其主要優(yōu)點表現(xiàn)在以下八個方面，即： 在確保機械性能前堤下，根據(jù)結構構造要求，適易于切削冷加工和冷彎成型，具有優(yōu)良的可焊性和可操作性，并相對減少施工的難度或工序。 可大幅度提高抗蝕能力，相對減少運行維護頻率和防腐費用，從而使運行管理工作量得到一定程度的改善。 成品結構表面平整光滑，糙率小，界面水流條件得到很大程度改善，最大限度降低了可能產(chǎn)生空化氣蝕問題的機率。 可充分發(fā)揮不銹鋼固有的“疲性”，即機械磨擦的粘性，以減小水體中泥砂等懸移質對水道過流面的磨損，達到延長使用壽命的目的。 復合板在沖擊波作用下，通過高溫高壓而結合，兩種性

5、質的材料其自身固有頻率不同，當高速水流沖擊而引起的振動波經(jīng)由復合板傳導時，可起到一定的削峰作用，從而使建筑物抗振能力有所提高。 過水道由于水力學條件復雜，因而在結構上對過流面的要求也相對較高，施工難度極大，而鋼襯結構因事先通過機械方式整合成型，現(xiàn)地僅組裝拼焊成整體，即取代了模板，也減輕了模板支護工程量和施工難度，對加快施工進度具有極大的促進作用，兩者相加，其工程投資也相應減少，更重要的是減少了對過流面后續(xù)的處理工作難度。 相對于全不銹鋼而言，復合鋼板的價格較低，加之施工期作為模板替代物，綜合分析，在一定程度上使工程造價有所降低，也加快了施工進度，同時也可促進復合板材料在水利工程上的廣泛采用。

6、可避免微生物的浸蝕及電化學腐蝕。(如丹江口水利樞紐泄洪深孔鋼襯砌采用16Mn鋼板襯護，其表面曾出現(xiàn)大片受微生物浸蝕的銹包，深度達3.8mm，再如葛洲壩二江電廠排砂孔平面定輪工作門由于長期處于擋水工作狀態(tài)，靜水條件下，由于微生物的浸蝕，擋水五年后提門檢查，其面板局部片狀蝕坑深度達6mm之多，故運行管理部門總結出，類似的部位最好選用不銹鋼襯護。) 2復材性能的選擇 一般情況下，水工建筑物之水道過流面建筑材料的磨損，主要成因由三個基本要件決定，即：材料受高速流動的水力沖刷導致的磨損；隨水體運動的固體顆粒對材料的機械磨擦磨損；水體流動產(chǎn)生的機械振動裹動著空氣形成氣泡，當氣泡受水流運行而壓縮，爆裂時產(chǎn)生

7、的應力使材料表面出現(xiàn)空穴，并在水流連續(xù)作用下導致空穴沖刷磨損，即氣蝕現(xiàn)象。而影響沖刷磨損、腐蝕的主要因素又分為外部和內(nèi)部兩大因素，外部因素取決于介質的特性，如水流速度和能量，水體中固體顆粒的含量、硬度、大小與形狀以及沖擊角等，內(nèi)部因素取決于疲勞強度因子和應變強化指數(shù)(n)以及材料的硬度、強度等；沖刷過程還改變材料表面氧化層的成分和形態(tài)。 不銹鋼族中的雙相不銹鋼對前述特性更具優(yōu)異性，它兼具了單相鐵素體不銹鋼和奧低體不銹鋼兩者的性能特點，使其具有鐵素體鋼較高的強度和耐蝕性及抗應力腐蝕能力，又有奧低體鋼的優(yōu)良韌性和焊接性能，特別是耐孔蝕和耐縫隙腐蝕更具有優(yōu)越性，其中ooCr22Ni5Mo3N雙相(即

8、標準2205型，相當于國際通行的瑞典SandviK3RE60鋼)不銹鋼，用于水工建筑過流面更具代表性，該不銹鋼加鋼基材質為Q345C的鋼板復合而成的復合板，除具有優(yōu)良的抗點蝕和縫隙腐蝕以及抗氯離子腐蝕能力外，還具有較高的硬度和抗張強度及其綜合機械性能，并具有良好的冷加工性能和良好的焊接性能，故三峽二期工程左岸電廠排砂洞鋼襯以及泄洪深孔弧形工作門胸墻埋件等均采用此復合板，其它平面鋼襯及結構根據(jù)不同功能分別采用馬氏體oCr13Ni5Mo以及奧氏體、oCr19Ni9N和oCr18Ni9等不銹鋼作為復材；這也是基于對不銹鋼復合板的不斷認識以及為工程造價著想而作的不同選擇。 3復合板定貨條件 不銹鋼復合

9、板的定貨要求依據(jù)國標GB/T8165-1997條件，并充分考慮三峽工程的特殊性以及首次大規(guī)模應用于水利工程，因而在制定標準時，考慮國內(nèi)外運用復合板經(jīng)驗，在國家標準基礎上，通過咨詢，對部分指標作了相應調(diào)整或適當提高。 （1）基材選擇 根據(jù)樞紐各建筑物使用功能的不同，水力學條件以及運行維護難易程度的不同，盡管復合鋼襯砌設計時，可不考慮內(nèi)水壓力的直接作用(即按無壓鋼襯設計)，但由于其結構形狀各異，混凝土施工其局部難免出現(xiàn)脫空現(xiàn)象而需進行灌漿處理，故基材選擇除必須考慮結構自身強度和剛度外，還要充分考慮混凝土澆筑液態(tài)下對鋼襯的混凝土壓力及其后的灌漿壓力等；三峽工程所采用復合板類鋼襯結構，由于尺寸規(guī)模均較

10、大，且多為一期埋設，少部分門槽埋件為二期安裝，因而基材厚度根據(jù)計算選定為2030mm，材質均為Q345C。 （2）復材選擇 復材作為過流面保護層，不計入基材厚度計算條件，僅作為抗磨耐腐層，綜合考慮使用年限和便于定貨，其厚度統(tǒng)一選定為4mm，但材質根據(jù)過流面水流流速不同，水體介質含量不同而有所區(qū)別，當流速較高且處于紊流狀態(tài)并要求綜合性能較優(yōu)時宜采用雙相不銹鋼，相對流速較低或僅要求耐磨蝕性能較優(yōu)時可選用低碳馬氏體或奧氏體單相不銹鋼，以利于節(jié)省投資和降低成本。 （3）復合板供貨要求 根據(jù)結構尺寸選擇定尺供貨，以減少加工切削量及節(jié)省工程量，三峽工程所用復合板定尺最大為(寬長)1.9510m2。具體復合

11、方法，設計不予限定，在確保質量前提下由供貨商自行確定。實際各供貨商所供復合板均采用爆炸復合法，即利用爆炸瞬間釋放的高溫高壓及沖擊波使層間產(chǎn)生鋸齒狀熔合界面，一般情況下鋸齒狀越致密，說明距爆炸源越近，其波頻越大，波幅亦小，則粘結(拉脫)強度亦大，性能越優(yōu)良。 成品復合板供貨時除需滿足GB/8165-1997基本要求外，尚應對下列指標進行出廠前檢驗，即： 復合板力學性能指標按級標準并達到下表要求： 復材與基材界面結合率要求達到100%。僅允許每塊板中有不大于1%且分散的單個面積在標準內(nèi)的未結合區(qū)經(jīng)焊補修復后達到100%；其中單個未結合區(qū)面積不大于100cm2，長度不大于200mm，間隔不小于200

12、mm且經(jīng)焊補合格。整張板出廠前按GB7734進行100%超聲波檢測。 總厚度允許偏差為7%，其中復層允許9%；定尺長、寬+200mm； 復材不允許存在氣泡、結疤、裂紋、夾雜、深度劃痕、彎曲、折迭等缺陷，并不得出現(xiàn)明顯的凹凸不平； 出廠前每張板需逐一進行整平處理，其不平度小于5mm，切不允許出現(xiàn)急彎狀彎折現(xiàn)象； 復材表面粗糙度Ra12.5m，并進行酸洗鈍化，必要時需進行拋光處理，運輸時層間應隔離保護； 出廠時需對：拉伸、內(nèi)外彎曲、扭轉360、剪切、沖擊、層間粘結(拉脫)等項目進行試驗和檢測，并提供相應的數(shù)據(jù)資料和基、復材的材質證明文件。(其中、Ak、HB僅作定、供貨參照，可不作必備條件)； 隨復

13、合板供貨尚應提供焊接工藝評定資料及與之配套(手工焊或自動焊)的基材、界面過渡層、復材的焊接材料牌號和焊材供貨廠商的有關信息資料，以供施工采購參考。 對現(xiàn)場檢測的屬于廠家責任范圍的局部未結合板材，在合同技術標準允許范圍內(nèi)的由廠家負責焊補修復，超出合同技術標準的應予以整張板材更換。 4復合板結構制作、安裝基本要求 復合板供貨要求按批次進行，每批次除必須提供原材料及復合材料正式材質證明外，現(xiàn)場交貨尚必須逐張進行外觀檢驗和必要的內(nèi)部質量抽檢，按約定要求辦理交驗手續(xù)后方可進入制作程序，基本要求為： （1）施工前應對每張復合板逐一進行外觀檢查和不少于10%的超聲波抽檢，當發(fā)現(xiàn)問題時按合同約定要求處理。 （

14、2）對復合板逐張進行形位公差檢查；并特別關注周邊復合界面有無明顯銹跡析出。(復合較好的板材，一般不易出現(xiàn)銹跡析出現(xiàn)象)。 （3）依據(jù)供貨商提供的焊接工藝評定資料編制相應的生產(chǎn)性焊接工藝指導文件；由持證焊工進行基材對接、過渡層對接及復層對接試焊和必要的性能檢測。當無復合板生產(chǎn)焊接經(jīng)驗時應在施工前對焊工進行培訓并經(jīng)考核合格后方得上崗，正式施焊前尚應對焊工在各工位(平、仰、立焊)由監(jiān)理工程師進行現(xiàn)場焊接工藝考核或評議，符合要求后才能開展正式焊接施工。 （4）結構焊接時，應以復材工作面為對接基準面，其局部錯位值應小于1mm，且需按1:50平緩過渡(局部結構形狀復雜或受結構尺寸限制時允許按1:12平緩過

15、渡)。 （5）分節(jié)分塊制作時，其局部平面度小于3mm，現(xiàn)地拼裝后順水流方向局部平面度(或直線度)小于1.6mm，垂直水流方向小于3mm(當?shù)滓r寬度較大為避免混凝土脫空而須翻轉預澆混凝土時，必須按此要求對工作臺、結構件進行調(diào)平和四周固定后方可澆筑混凝土)； （6）單孔安裝完畢且混凝土達到齡期后，需進行全面的清理、檢查，必要時進行修磨處理，其后對底襯(水平向)表面進行加蓋遮蔽保護，嚴禁硬物碰撞、擦劃。 （7）節(jié)、塊間現(xiàn)場施工根據(jù)結構要求，分為等強對接和水密焊兩種連接型式，水密焊一般坡口不宜大于5mm，焊縫余高不宜大于1mm，并經(jīng)打磨平緩過渡處理。 5復合板運用前景 水利工程是一個多學科的綜合體，其工程建設的現(xiàn)代化主要體現(xiàn)在新技術、新材料、新裝備、新工藝的具體運用上，使其充發(fā)分揮應有的功能和效益；其中新材料的開發(fā)更具現(xiàn)實意義。由于水利工程的規(guī)模和建設難度日趨增大，相應管理難度也隨之增大，這就要求所選設備和材料除滿足