水建筑钢衬设计材料论文

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三峡二期工程左岸电厂设有14台单机容量700MW发电机组，总装机容量9800MW，根据坝前河床地势及枢纽布置条件，经充分论证和试验，分别于厂房安装场Ⅱ设置一孔及安装场Ⅲ设置两孔共三孔排砂冲淤孔道，其位置分别位于机组进水口下方75.00和90.00高程(底坎)，出口分别位于机组尾水口上方60.50和57.50高程(底坎)，排沙孔轴线长分别为169.1m和160m，由进口渐变段以下全部采用钢衬砌衬护。其主要功能为在确保机组发电效益条件下，最大限度降低坝前泥沙淤积以及减轻泥砂等悬移质对水机的磨损。

二期工程泄洪坝段泄洪深孔共有23孔，为枢纽工程主要泄洪通道，为解决水力学复杂条件对建筑物过流面可能造成的不利影响，于上游事故检修门至弧形工作门区段高流速区采用钢衬砌保护。

永久船闸输、泄水廊道反向弧形工作门门井区段为改善水力学条件并减轻磨蚀问题，亦采用钢衬砌保护。电站排沙孔钢衬砌和泄洪深孔钢衬砌以及船闸廊道反弧门处钢衬砌等其功能具有诸多相似之处，本文仅以排砂孔为例，简要介绍钢衬砌设计选材考虑的一些因素和思路。

1过流面钢衬设计选择

电站排砂底孔和泄洪坝段泄洪深孔等高流速过水建筑等由于孔道多，枢纽建成后，其管理维护工作量大，故在枢纽工程布置及工程设计阶段，根据运行水位和长江水质特性，经科学论证和试验，充分考虑到在高速水流并伴有一定泥砂等悬移质作用下，其水道过流面若材料选择不当，因水力学问题，必然引起空化、气蚀、磨损和腐蚀等，进而可能危及建筑物的安全，为此，综合上述问题进行了深入的研究和论证，直至模型试验，并结合国内外水利工程成功经验，在科学基础上除对过流面钢衬的结构布置、锚固方式进行研究外，尤其对材料品种与特性等进行了多方案比较和筛选，通过试验研究表明，若采用传统材料，不能满足三峡工程使用工况，其运行维护难度和费用也是可想而知的，因此，要求设计所选材料除需满足正常运行基本条件外，尽可能延长使用寿命，且不致给施工、运行维护带来不便，同时还要综合考虑工程造价是否合理、市场货源保证是否可靠等因素。通过大量的调研和论证，最终选择钢基不锈钢复合板作为排砂孔和泄洪深孔以及反弧门门井区段过流面起保护作用的钢衬砌。

基于不锈钢复合板自身固有的特性，其主要优点表现在以下八个方面，即：

①在确保机械性能前堤下，根据结构构造要求，适易于切削冷加工和冷弯成型，具有优良的可焊性和可操作性，并相对减少施工的难度或工序。

②可大幅度提高抗蚀能力，相对减少运行维护频率和防腐费用，从而使运行管理工作量得到一定程度的改善。

③成品结构表面平整光滑，糙率小，界面水流条件得到很大程度改善，最大限度降低了可能产生空化气蚀问题的机率。

④可充分发挥不锈钢固有的“疲性”，即机械磨擦的粘性，以减小水体中泥砂等悬移质对水道过流面的磨损，达到延长使用寿命的目的。

⑤复合板在冲击波作用下，通过高温高压而结合，两种性质的材料其自身固有频率不同，当高速水流冲击而引起的振动波经由复合板传导时，可起到一定的削峰作用，从而使建筑物抗振能力有所提高。

⑥过水道由于水力学条件复杂，因而在结构上对过流面的要求也相对较高，施工难度极大，而钢衬结构因事先通过机械方式整合成型，现地仅组装拼焊成整体，即取代了模板，也减轻了模板支护工程量和施工难度，对加快施工进度具有极大的促进作用，两者相加，其工程投资也相应减少，更重要的是减少了对过流面后续的处理工作难度。

⑦相对于全不锈钢而言，复合钢板的价格较低，加之施工期作为模板替代物，综合分析，在一定程度上使工程造价有所降低，也加快了施工进度，同时也可促进复合板材料在水利工程上的广泛采用。

⑧可避免微生物的浸蚀及电化学腐蚀。(如丹江口水利枢纽泄洪深孔钢衬砌采用16Mn钢板衬护，其表面曾出现大片受微生物浸蚀的锈包，深度达3.8mm，再如葛洲坝二江电厂排砂孔平面定轮工作门由于长期处于挡水工作状态，静水条件下，由于微生物的浸蚀，挡水五年后提门检查，其面板局部片状蚀坑深度达6mm之多，故运行管理部门总结出，类似的部位最好选用不锈钢衬护。)

2复材性能的选择

一般情况下，水工建筑物之水道过流面建筑材料的磨损，主要成因由三个基本要件决定，即：材料受高速流动的水力冲刷导致的磨损；随水体运动的固体颗粒对材料的机械磨擦磨损；水体流动产生的机械振动裹动着空气形成气泡，当气泡受水流运行而压缩，爆裂时产生的应力使材料表面出现空穴，并在水流连续作用下导致空穴冲刷磨损，即气蚀现象。而影响冲刷磨损、腐蚀的主要因素又分为外部和内部两大因素，外部因素取决于介质的特性，如水流速度和能量，水体中固体颗粒的含量、硬度、大小与形状以及冲击角等，内部因素取决于疲劳强度因子σ′和应变强化指数(n′)以及材料的硬度、强度等；冲刷过程还改变材料表面氧化层的成分和形态。

不锈钢族中的双相不锈钢对前述特性更具优异性，它兼具了单相铁素体不锈钢和奥低体不锈钢两者的性能特点，使其具有铁素体钢较高的强度和耐蚀性及抗应力腐蚀能力，又有奥低体钢的优良韧性和焊接性能，特别是耐孔蚀和耐缝隙腐蚀更具有优越性，其中ooCr22Ni5Mo3N双相(即标准2205型，相当于国际通行的瑞典SandviK3RE60钢)不锈钢，用于水工建筑过流面更具代表性，该不锈钢加钢基材质为Q345C的钢板复合而成的复合板，除具有优良的抗点蚀和缝隙腐蚀以及抗氯离子腐蚀能力外，还具有较高的硬度和抗张强度及其综合机械性能，并具有良好的冷加工性能和良好的焊接性能，故三峡二期工程左岸电厂排砂洞钢衬以及泄洪深孔弧形工作门胸墙埋件等均采用此复合板，其它平面钢衬及结构根据不同功能分别采用马氏体oCr13Ni5Mo以及奥氏体、oCr19Ni9N和oCr18Ni9等不锈钢作为复材；这也是基于对不锈钢复合板的不断认识以及为工程造价着想而作的不同选择。

3复合板定货条件

不锈钢复合板的定货要求依据国标GB/T8165-1997条件，并充分考虑三峡工程的特殊性以及首次大规模应用于水利工程，因而在制定标准时，考虑国内外运用复合板经验，在国家标准基础上，通过咨询，对部分指标作了相应调整或适当提高。

（1）基材选择

根据枢纽各建筑物使用功能的不同，水力学条件以及运行维护难易程度的不同，尽管复合钢衬砌设计时，可不考虑内水压力的直接作用(即按无压钢衬设计)，但由于其结构形状各异，混凝土施工其局部难免出现脱空现象而需进行灌浆处理，故基材选择除必须考虑结构自身强度和刚度外，还要充分考虑混凝土浇筑液态下对钢衬的混凝土压力及其后的灌浆压力等；三峡工程所采用复合板类钢衬结构，由于尺寸规模均较大，且多为一期埋设，少部分门槽埋件为二期安装，因而基材厚度根据计算选定为20～30mm，材质均为Q345C。

（2）复材选择

复材作为过流面保护层，不计入基材厚度计算条件，仅作为抗磨耐腐层，综合考虑使用年限和便于定货，其厚度统一选定为4mm，但材质根据过流面水流流速不同，水体介质含量不同而有所区别，当流速较高且处于紊流状态并要求综合性能较优时宜采用双相不锈钢，相对流速较低或仅要求耐磨蚀性能较优时可选用低碳马氏体或奥氏体单相不锈钢，以利于节省投资和降低成本。

（3）复合板供货要求

根据结构尺寸选择定尺供货，以减少加工切削量及节省工程量，三峡工程所用复合板定尺最大为(宽×长)1.95×10m2。具体复合方法，设计不予限定，在确保质量前提下由供货商自行确定。实际各供货商所供复合板均采用爆炸复合法，即利用爆炸瞬间释放的高温高压及冲击波使层间产生锯齿状熔合界面，一般情况下锯齿状越致密，说明距爆炸源越近，其波频越大，波幅亦小，则粘结(拉脱)强度亦大，性能越优良。

成品复合板供货时除需满足GB/8165-1997基本要求外，尚应对下列指标进行出厂前检验，即：

①复合板力学性能指标按Ⅰ级标准并达到下表要求：

②复材与基材界面结合率要求达到100%。仅允许每块板中有不大于1%且分散的单个面积在标准内的未结合区经焊补修复后达到100%；其中单个未结合区面积不大于100cm2，长度不大于200mm，间隔不小于200mm且经焊补合格。整张板出厂前按GB7734进行100%超声波检测。

③总厚度允许偏差为±7%，其中复层允许±9%；定尺长、宽+200mm；

④复材不允许存在气泡、结疤、裂纹、夹杂、深度划痕、弯曲、折迭等缺陷，并不得出现明显的凹凸不平；

⑤出厂前每张板需逐一进行整平处理，其不平度小于5mm，切不允许出现急弯状弯折现象；

⑥复材表面粗糙度Ra≤12.5μm，并进行酸洗钝化，必要时需进行抛光处理，运输时层间应隔离保护；

⑦出厂时需对：拉伸、内外弯曲、扭转360°、剪切、冲击、层间粘结(拉脱)等项目进行试验和检测，并提供相应的数据资料和基、复材的材质证明文件。(其中φ、Ak、HB仅作定、供货参照，可不作必备条件)；

⑧随复合板供货尚应提供焊接工艺评定资料及与之配套(手工焊或自动焊)的基材、界面过渡层、复材的焊接材料牌号和焊材供货厂商的有关信息资料，以供施工采购参考。

⑨对现场检测的属于厂家责任范围的局部未结合板材，在合同技术标准允许范围内的由厂家负责焊补修复，超出合同技术标准的应予以整张板材更换。

4复合板结构制作、安装基本要求

复合板供货要求按批次进行，每批次除必须提供原材料及复合材料正式材质证明外，现场交货尚必须逐张进行外观检验和必要的内部质量抽检，按约定要求办理交验手续后方可进入制作程序，基本要求为：

（1）施工前应对每张复合板逐一进行外观检查和不少于10%的超声波抽检，当发现问题时按合同约定要求处理。

（2）对复合板逐张进行形位公差检查；并特别关注周边复合界面有无明显锈迹析出。(复合较好的板材，一般不易出现锈迹析出现象)。

（3）依据供货商提供的焊接工艺评定资料编制相应的生产性焊接工艺指导文件；由持证焊工进行基材对接、过渡层对接及复层对接试焊和必要的性能检测。当无复合板生产焊接经验时应在施工前对焊工进行培训并经考核合格后方得上岗，正式施焊前尚应对焊工在各工位(平、仰、立焊)由监理工程师进行现场焊接工艺考核或评议，符合要求后才能开展正式焊接施工。

（4）结构焊接时，应以复材工作面为对接基准面，其局部错位值应小于1mm，且需按1:50平缓过渡(局部结构形状复杂或受结构尺寸限制时允许按1:12平缓过渡)。

（5）分节分块制作时，其局部平面度小于3mm，现地拼装后顺水流方向局部平面度(或直线度)小于1.6mm，垂直水流方向小于3mm(当底衬宽度较大为避免混凝土脱空而须翻转预浇混凝土时，必须按此要求对工作台、结构件进行调平和四周固定后方可浇筑混凝土)；

（6）单孔安装完毕且混凝土达到龄期后，需进行全面的清理、检查，必要时进行修磨处理，其后对底衬(水平向)表面进行加盖遮蔽保护，严禁硬物碰撞、擦划。

（7）节、块间现场施工根据结构要求，分为等强对接和水密焊两种连接型式，水密焊一般坡口不宜大于5mm，焊缝余高不宜大于1mm，并经打磨平缓过渡处理。

5复合板运用前景

水利工程是一个多学科的综合体，其工程建设的现代化主要体现在新技术、新材料、新装备、新工艺的具体运用上，使其充发分挥应有的功能和效益；其中新材料的开发更具现实意义。由于水利工程的规模和建设难度日趋增大，相应管理难度也随之增大，这就要求所选设备和材料除满足基本性能外，其延长使用寿命和减轻运行维护工作量也是迫切需要解决的问题之一，三峡工程双向不锈钢复合板首次大规模的成功运用，既为水电行业金属结构设计选材开辟了新的思路，并为推广运用复合板以满足工程需要积累了实践经验，更为高水头、高流速、长距离、斜角大的压力管道、隧洞衬砌等运行维护难度大的工程建筑采用复合板奠定了基础，并提供了科学依据。