论文部分内容阅读
摘 要：铸铁闸门在水利工程特别是低水头涵闸工程及中小孔口高水头等不易检修的部位的闸门应用越发广泛。然而因铸铁闸门失效影响水利工程安全运行的事故时有发生，本文以某铸铁闸门失效事故为例，结合该铸铁闸门原材料的力学性能检验与有限元计算分析，试图找出发生该事故的原因，并为铸铁闸门产品质量管理提出解决方案。
关键词：铸铁闸门 闸门失效 力学性能测试 有限元分析
中图分类号：TV663 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（c）-0015-05
Abstract： Cast iron gate is more and more widely used in hydraulic engineering， especially in low head culvert gate engineering and high head of small and medium orifices. However， the accidents that affect the safe operation of hydraulic engineering due to the failure of cast iron gate occur from time to time. Taking the failure accident of a cast iron gate as an example， combined with the mechanical property inspection and finite element calculation analysis of the raw materials of the cast iron gate， this paper attempts to find out the cause of the accident and put forward a solution for the product quality management of cast iron gate.
Key Words： Cast iron gate; Gate failure; Mechanics performance test; Finite element analysis
与水工金属结构钢闸门相比，铸铁闸门结构形状设计制造简单，且具有良好的耐腐蚀性、安装简单、使用寿命长、日常维护简单等优点，尤其适用于渠系涵闸等建筑物的小型闸門和孔口尺寸较小的水库涵洞闸门等中小型水利工程，随着我国钢铁工业的发展和机械加工能力的提升，铸铁闸门在水利工程特别是在低水头涵闸工程中得到广泛应用，中小孔口高水头等不易检修的闸门采用铸铁闸门的情况也呈大幅上升趋势[1-4]。2018年9月30日以前，水工金属结构产品包括钢闸门、压力钢管、阀门、清污机4种型式产品一直实行生产许可管理[5-6]，铸铁闸门由于多方面因素并未纳入生产许可管理，其产品质量保障手段更依赖于生产厂家自觉与市场筛选。
近年来，水利工程中铸铁闸门失效事故时有发生，2016年新疆某水库铸铁闸门春季闸门检修后，在加水过程中闸门失效，经潜水员下水勘察发现检修闸门门叶破损裂为3块;2020年7月20日安徽某蓄（行）洪区在蓄洪量超过7.7亿m3启动分洪时某涵闸铸铁闸门破损，在大堤背后形成直径约十余米的漩涡，洪水外溢对行蓄洪区外的防洪安全构成严重威胁（如图1、图2所示），数千名村民紧急撤离。
铸铁闸门虽然更多地在低水头水利工程尤其是涵闸工程中应用较多，但关键部位的铸铁闸门失效也会造成巨大的经济损失，甚至危及周围人民群众的生命财产安全。随着国家对工程质量安全的重视，愈发重视铸铁闸门在水利工程中的质量。本文以2020年安徽某涵闸铸铁闸门破损事故为例，结合闸门材料力学性能试验与闸门结构有限元计算，分析铸铁闸门失效原因，为其他相关工程提供借鉴。
1 失效铸铁闸门力学性能检验成果
铸铁闸门原材料是否合格是铸铁闸门性能指标的根本，材料力学性能是指材料在常温、静载作用下的宏观力学性能，是确定各种工程设计参数的主要依据[7]。为获得铸造该闸门原材料实际的力学性能指标，对该闸门残留部分材料进行抗拉强度等检验。
该铸铁闸门尺寸为2.2m×2m，闸门为整体浇注而成，铸铁闸门门板结构材料为灰铸铁，材料为HT200，面板实测厚度最薄位置和最厚位置分别为29.5mm、34.0mm。铸件本体预期抗拉强度要求为不低于155 MPa（GB/T 9439-2010《灰铸铁件》），经对该铸铁闸门门板材料力学性能检测，其抗拉强度检测结果为136MPa;铸件布氏硬度要求为150～230 HBW（GB/T 9439-2010《灰铸铁件》），该铸铁闸门检测结果为127 HBW，检测结果表1。
由此可见该铸铁闸门门板材料力学性能检测结果不满足《灰铸铁件》标准要求（GB/T 9439-2010），铸铁闸门材质不符合标准规定，不能保证正常工作状况下闸门的运行安全。
2 失效铸铁闸门有限元计算分析成果
水利工程安全评价中，水工闸门等金属结构的受力分析是重要的一个环节，由于使用铸铁闸门的水利工程规模通常为中小型工程，其结构受力分析往往被忽略[8]，有限元计算方法与传统结构应力检测方法相比优势明显，在水利工程设备安全评价领域也得到了越来越多的应用，其原理是把连续的整体结构划分为有限数量的单元体，将单元富有代表性的点（一般为端点）设置为结点，从而使得相邻单元具有连续性，构成一个整体来代替原有的连续型结构[9-13]。为深入探索该铸铁闸门破损失效原因，通过建立失效闸门的三维有限元模型进行复核计算，详细了解该闸门在正常工作状况下各部位的受力情况，为后续该工程及类似项目开展出险加固工作提供有力依据。 2.1 有限元计算系数选取
根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2019）规定：
（1）大中型工程的工作闸门及重要的事故闸门调整系数为0.90～0.95;
（2）在较高水头下经常局部开启的大型闸门调整系数为0.85～0.90;
（3）规模巨大且在高水头下操作而工作条件又特别复杂的工作闸门调整系数为0.80～0.85;上述系数不应连乘，特殊情况应另行考虑。
按照《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》（SL101-2014）其容许应力还应该考虑运行时间的影响，时间系数按照下列方式确定：
（1）运行时间不足10年的闸门、启闭机，时间系数为1.00;
（2）中型工程的闸门和启闭机运行10～20年、大型工程的闸门和启闭机运行10～30年，时间系数为1.00～0.95;
（3）中型工程的闸门和启闭机运行20年以上、大型工程的闸门和启闭机运行30年以上时，时间系数为0.95～0.90。
综上，该铸铁闸门调整系数取为0.9，时间系数取1.0，所以综合许用应力调整系数取为0.9×1=0.9。因此闸门容许应力如表2所示。
2.2 荷载与工况分析
正常工作状态，即闸门正常全关闭状态，此状态下主要考虑作用在闸门上的总水压及闸门自重荷载。正常工作状态工况：总水压力+闸门结构自重。
（1）水压载荷。水压力作用在闸门面板的外表面上，水体密度取1000kg/m3，重力加速度取9.8m/s2，面板分布水压力根据水头按下式计算：
P=ρgh
式中：P为水压，ρ为水体密度，g为重力加速度，h为水头高度。
闸门水头为12m。水压力宽度范围为面板宽度，最大底部压力0.1176MPa，水压采用Pressure中的变载荷进行施加，面板最上部水压为最小值，面板下部水压为最大值。
（2）自重载荷。在ANSYS Workbench中通过施加重力加速度来实现自重载荷施加。
2.3 有限元计算模型
失效铸铁闸门结构尺寸均依据其设计图纸确定。闸门为整体浇注而成，主要结构材料为灰铸铁（铸铁闸门材料为HT200），弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，质量密度ρ=7850kg/m3。将该铸铁闸门三维模型在solidworks中建模并导入ANSYS Workbench离散，生成有限元计算模型，如图3所示，采用有限元软件ANSYS Workbench静力学分析模块进行结构有限元分析。计算主要选取了实体单元中的六面体单元（Solid186 element）进行网格划分，对部分复杂及不规则结构选用实体单元中的四面体单元（Solid187 element）共生成71877个单元、123003个节点。
工作状况下载荷考虑闸门自重、水压，闸门安装侧面对闸门的位移约束（Displacement），约束水流反方向自由度和垂直水流向自由度（Y、X向）;闸门面板底部使用无摩擦约束（Z向），以模拟竖直方向的约束，其边界条件如图4所示。
2.4 整体受力情况分析
在约束边界条件环境下，采用ANSYS对闸门整体结构进行有限元计算结果分别如图5、图6所示。
由图5、图6可知，闸门整体结构等效应力绝大部分区域在79.31MPa以下，最大等效应力值为89.22MPa，发生在下主横梁与外边梁连接处，其值小于HT200许用屈服强度180MPa，闸门整体结构的屈服强度满足使用条件。闸门整体结构垂直水流向（X方向）正应力绝大部分区域在-80.30MPa到40.51MPa之间，闸门整体结构水流反向（Y方向）正应力绝大部分区域在-58.06MPa到28.75MPa之间，闸门整体结构竖直向（Z方向）正应力绝大部分区域在-83.17MPa到45.02MPa之间;3个方向最大压应力是垂直水流向（X方向）应力为-114.81MPa，出现在下主横梁与外边梁连接处，其值小于闸门整体的抗压容许应力135MPa，3个方向最大拉应力是水流反向（Y方向）应力为63.47 MPa，出现在闸门顶部靠中间处，其值大于闸门整体的抗拉容许应力40.5MPa（闸门整体应力情况见表3）。
由有限元计算可知，该铸铁闸门整体结构顶部靠中间处最大拉应力大于闸门整体的抗拉容许应力，因此闸门在运行过程中存在一定风险。
3 结语
（1）在当前政府简政放权的时代背景下，铸铁闸门产品质量保障手段更依赖于生产厂家自觉与市场筛选，会造成部分不良生产厂家在产品质量与生产厂家利润之间更倾向于利润最大化而枉顾产品质量，因此，要加强铸铁闸门产品的“第三方”出厂检验检测，提高水利工程铸铁闸门设备的安全性与可靠性。
（2）关于铸铁闸门现行的标准依据主要包含《供水排水用铸铁闸门》（CJ/T 3006-1992）、《铸铁闸门技术条件》（SL 545-2011），用于水利工程的铸铁闸门设计及制造规范相对缺失，在水利工程应用中该产品主要是依靠类比或经验总结进行设计与选型，管理部门应通过制定相应的设计原则及合理的性能指标是从工程建设源头上保证产品质量有效的手段。
（3）铸铁件因种种因素影响易存在气孔疏松等内部缺陷，水利工程铸铁闸门应在严格控制原材料的基础上通过合理增加铸铁闸门面板截面尺寸、优化加筋板或隔板的设置等方式保证铸铁闸门的强度和刚度。
参考文献
[1] 江宁，王煦.水利工程铸铁闸门应用研究[J].水利技术与监督，2011，39（1）：52-54.
[2] 陈争军.水利工程中铸铁闸门的选择应用[J].陕西水利，2015（1）：80-81.
[3] 陈方亮，赵英杰，姜成启，等.钢铁复合闸门平面钢闸门及铸铁闸门的应用比较[J].河南水利与南水北调，2012（16）：187-188.
[4] 方跃飞.铸铁镶铜闸门优化设计、制造及自动化研究[D].桂林：桂林电子科技大学，2006.
[5] 张怀仁，郑莉，洪伟，等.水工金结行业质检检测现状分析及建议[J].中国水利，2020（4）：82-55.
[6] 國家质量监督检验检疫总局.水工金属结构产品生产许可证实施细则：XK07-001[Z].2016-9-30.
[7] 李小龙.铸造缺陷的三维重构及其对铸件服役性能的影响[D].南昌：南昌大学，2012.
[8] 关凯伦.ANSYS Workbench在水工铸铁闸门三维有限元分析中的应用[J].中国水能及电气化，2019（6）：64-68.
[9] 李东明，杜蔚琼，毋新房.基于ANSYS应力强度因子法的压力钢管安全评估[J].长江科学院院报，2021，38（5）：55-60.
[10] 王慧斌，樊雪钰.Solidworks在钢闸门有限元分析中的应用探讨[J].黑龙江水利科技，2016，44（1）：87-90.
[11] 张怀仁，古小七，洪伟，等.某水库潜孔弧形闸门失稳事故分析[J].水利技术与监督，2021（2）：129-133.
[12] 顾群.全国病险水库除险加固一期项目绩效评估分析[J].海河水利，2006（5）：40-43.
[13]李航.门式启闭机门架结构有限元分析及优化设计[D].成都：西南石油大学，2016.
关键词：铸铁闸门 闸门失效 力学性能测试 有限元分析
中图分类号：TV663 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）06（c）-0015-05
Abstract： Cast iron gate is more and more widely used in hydraulic engineering， especially in low head culvert gate engineering and high head of small and medium orifices. However， the accidents that affect the safe operation of hydraulic engineering due to the failure of cast iron gate occur from time to time. Taking the failure accident of a cast iron gate as an example， combined with the mechanical property inspection and finite element calculation analysis of the raw materials of the cast iron gate， this paper attempts to find out the cause of the accident and put forward a solution for the product quality management of cast iron gate.
Key Words： Cast iron gate; Gate failure; Mechanics performance test; Finite element analysis
与水工金属结构钢闸门相比，铸铁闸门结构形状设计制造简单，且具有良好的耐腐蚀性、安装简单、使用寿命长、日常维护简单等优点，尤其适用于渠系涵闸等建筑物的小型闸門和孔口尺寸较小的水库涵洞闸门等中小型水利工程，随着我国钢铁工业的发展和机械加工能力的提升，铸铁闸门在水利工程特别是在低水头涵闸工程中得到广泛应用，中小孔口高水头等不易检修的闸门采用铸铁闸门的情况也呈大幅上升趋势[1-4]。2018年9月30日以前，水工金属结构产品包括钢闸门、压力钢管、阀门、清污机4种型式产品一直实行生产许可管理[5-6]，铸铁闸门由于多方面因素并未纳入生产许可管理，其产品质量保障手段更依赖于生产厂家自觉与市场筛选。
近年来，水利工程中铸铁闸门失效事故时有发生，2016年新疆某水库铸铁闸门春季闸门检修后，在加水过程中闸门失效，经潜水员下水勘察发现检修闸门门叶破损裂为3块;2020年7月20日安徽某蓄（行）洪区在蓄洪量超过7.7亿m3启动分洪时某涵闸铸铁闸门破损，在大堤背后形成直径约十余米的漩涡，洪水外溢对行蓄洪区外的防洪安全构成严重威胁（如图1、图2所示），数千名村民紧急撤离。
铸铁闸门虽然更多地在低水头水利工程尤其是涵闸工程中应用较多，但关键部位的铸铁闸门失效也会造成巨大的经济损失，甚至危及周围人民群众的生命财产安全。随着国家对工程质量安全的重视，愈发重视铸铁闸门在水利工程中的质量。本文以2020年安徽某涵闸铸铁闸门破损事故为例，结合闸门材料力学性能试验与闸门结构有限元计算，分析铸铁闸门失效原因，为其他相关工程提供借鉴。
1 失效铸铁闸门力学性能检验成果
铸铁闸门原材料是否合格是铸铁闸门性能指标的根本，材料力学性能是指材料在常温、静载作用下的宏观力学性能，是确定各种工程设计参数的主要依据[7]。为获得铸造该闸门原材料实际的力学性能指标，对该闸门残留部分材料进行抗拉强度等检验。
该铸铁闸门尺寸为2.2m×2m，闸门为整体浇注而成，铸铁闸门门板结构材料为灰铸铁，材料为HT200，面板实测厚度最薄位置和最厚位置分别为29.5mm、34.0mm。铸件本体预期抗拉强度要求为不低于155 MPa（GB/T 9439-2010《灰铸铁件》），经对该铸铁闸门门板材料力学性能检测，其抗拉强度检测结果为136MPa;铸件布氏硬度要求为150～230 HBW（GB/T 9439-2010《灰铸铁件》），该铸铁闸门检测结果为127 HBW，检测结果表1。
由此可见该铸铁闸门门板材料力学性能检测结果不满足《灰铸铁件》标准要求（GB/T 9439-2010），铸铁闸门材质不符合标准规定，不能保证正常工作状况下闸门的运行安全。
2 失效铸铁闸门有限元计算分析成果
水利工程安全评价中，水工闸门等金属结构的受力分析是重要的一个环节，由于使用铸铁闸门的水利工程规模通常为中小型工程，其结构受力分析往往被忽略[8]，有限元计算方法与传统结构应力检测方法相比优势明显，在水利工程设备安全评价领域也得到了越来越多的应用，其原理是把连续的整体结构划分为有限数量的单元体，将单元富有代表性的点（一般为端点）设置为结点，从而使得相邻单元具有连续性，构成一个整体来代替原有的连续型结构[9-13]。为深入探索该铸铁闸门破损失效原因，通过建立失效闸门的三维有限元模型进行复核计算，详细了解该闸门在正常工作状况下各部位的受力情况，为后续该工程及类似项目开展出险加固工作提供有力依据。 2.1 有限元计算系数选取
根据《水利水电工程钢闸门设计规范》（SL74-2019）规定：
（1）大中型工程的工作闸门及重要的事故闸门调整系数为0.90～0.95;
（2）在较高水头下经常局部开启的大型闸门调整系数为0.85～0.90;
（3）规模巨大且在高水头下操作而工作条件又特别复杂的工作闸门调整系数为0.80～0.85;上述系数不应连乘，特殊情况应另行考虑。
按照《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》（SL101-2014）其容许应力还应该考虑运行时间的影响，时间系数按照下列方式确定：
（1）运行时间不足10年的闸门、启闭机，时间系数为1.00;
（2）中型工程的闸门和启闭机运行10～20年、大型工程的闸门和启闭机运行10～30年，时间系数为1.00～0.95;
（3）中型工程的闸门和启闭机运行20年以上、大型工程的闸门和启闭机运行30年以上时，时间系数为0.95～0.90。
综上，该铸铁闸门调整系数取为0.9，时间系数取1.0，所以综合许用应力调整系数取为0.9×1=0.9。因此闸门容许应力如表2所示。
2.2 荷载与工况分析
正常工作状态，即闸门正常全关闭状态，此状态下主要考虑作用在闸门上的总水压及闸门自重荷载。正常工作状态工况：总水压力+闸门结构自重。
（1）水压载荷。水压力作用在闸门面板的外表面上，水体密度取1000kg/m3，重力加速度取9.8m/s2，面板分布水压力根据水头按下式计算：
P=ρgh
式中：P为水压，ρ为水体密度，g为重力加速度，h为水头高度。
闸门水头为12m。水压力宽度范围为面板宽度，最大底部压力0.1176MPa，水压采用Pressure中的变载荷进行施加，面板最上部水压为最小值，面板下部水压为最大值。
（2）自重载荷。在ANSYS Workbench中通过施加重力加速度来实现自重载荷施加。
2.3 有限元计算模型
失效铸铁闸门结构尺寸均依据其设计图纸确定。闸门为整体浇注而成，主要结构材料为灰铸铁（铸铁闸门材料为HT200），弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，质量密度ρ=7850kg/m3。将该铸铁闸门三维模型在solidworks中建模并导入ANSYS Workbench离散，生成有限元计算模型，如图3所示，采用有限元软件ANSYS Workbench静力学分析模块进行结构有限元分析。计算主要选取了实体单元中的六面体单元（Solid186 element）进行网格划分，对部分复杂及不规则结构选用实体单元中的四面体单元（Solid187 element）共生成71877个单元、123003个节点。
工作状况下载荷考虑闸门自重、水压，闸门安装侧面对闸门的位移约束（Displacement），约束水流反方向自由度和垂直水流向自由度（Y、X向）;闸门面板底部使用无摩擦约束（Z向），以模拟竖直方向的约束，其边界条件如图4所示。
2.4 整体受力情况分析
在约束边界条件环境下，采用ANSYS对闸门整体结构进行有限元计算结果分别如图5、图6所示。
由图5、图6可知，闸门整体结构等效应力绝大部分区域在79.31MPa以下，最大等效应力值为89.22MPa，发生在下主横梁与外边梁连接处，其值小于HT200许用屈服强度180MPa，闸门整体结构的屈服强度满足使用条件。闸门整体结构垂直水流向（X方向）正应力绝大部分区域在-80.30MPa到40.51MPa之间，闸门整体结构水流反向（Y方向）正应力绝大部分区域在-58.06MPa到28.75MPa之间，闸门整体结构竖直向（Z方向）正应力绝大部分区域在-83.17MPa到45.02MPa之间;3个方向最大压应力是垂直水流向（X方向）应力为-114.81MPa，出现在下主横梁与外边梁连接处，其值小于闸门整体的抗压容许应力135MPa，3个方向最大拉应力是水流反向（Y方向）应力为63.47 MPa，出现在闸门顶部靠中间处，其值大于闸门整体的抗拉容许应力40.5MPa（闸门整体应力情况见表3）。
由有限元计算可知，该铸铁闸门整体结构顶部靠中间处最大拉应力大于闸门整体的抗拉容许应力，因此闸门在运行过程中存在一定风险。
3 结语
（1）在当前政府简政放权的时代背景下，铸铁闸门产品质量保障手段更依赖于生产厂家自觉与市场筛选，会造成部分不良生产厂家在产品质量与生产厂家利润之间更倾向于利润最大化而枉顾产品质量，因此，要加强铸铁闸门产品的“第三方”出厂检验检测，提高水利工程铸铁闸门设备的安全性与可靠性。
（2）关于铸铁闸门现行的标准依据主要包含《供水排水用铸铁闸门》（CJ/T 3006-1992）、《铸铁闸门技术条件》（SL 545-2011），用于水利工程的铸铁闸门设计及制造规范相对缺失，在水利工程应用中该产品主要是依靠类比或经验总结进行设计与选型，管理部门应通过制定相应的设计原则及合理的性能指标是从工程建设源头上保证产品质量有效的手段。
（3）铸铁件因种种因素影响易存在气孔疏松等内部缺陷，水利工程铸铁闸门应在严格控制原材料的基础上通过合理增加铸铁闸门面板截面尺寸、优化加筋板或隔板的设置等方式保证铸铁闸门的强度和刚度。
参考文献
[1] 江宁，王煦.水利工程铸铁闸门应用研究[J].水利技术与监督，2011，39（1）：52-54.
[2] 陈争军.水利工程中铸铁闸门的选择应用[J].陕西水利，2015（1）：80-81.
[3] 陈方亮，赵英杰，姜成启，等.钢铁复合闸门平面钢闸门及铸铁闸门的应用比较[J].河南水利与南水北调，2012（16）：187-188.
[4] 方跃飞.铸铁镶铜闸门优化设计、制造及自动化研究[D].桂林：桂林电子科技大学，2006.
[5] 张怀仁，郑莉，洪伟，等.水工金结行业质检检测现状分析及建议[J].中国水利，2020（4）：82-55.
[6] 國家质量监督检验检疫总局.水工金属结构产品生产许可证实施细则：XK07-001[Z].2016-9-30.
[7] 李小龙.铸造缺陷的三维重构及其对铸件服役性能的影响[D].南昌：南昌大学，2012.
[8] 关凯伦.ANSYS Workbench在水工铸铁闸门三维有限元分析中的应用[J].中国水能及电气化，2019（6）：64-68.
[9] 李东明，杜蔚琼，毋新房.基于ANSYS应力强度因子法的压力钢管安全评估[J].长江科学院院报，2021，38（5）：55-60.
[10] 王慧斌，樊雪钰.Solidworks在钢闸门有限元分析中的应用探讨[J].黑龙江水利科技，2016，44（1）：87-90.
[11] 张怀仁，古小七，洪伟，等.某水库潜孔弧形闸门失稳事故分析[J].水利技术与监督，2021（2）：129-133.
[12] 顾群.全国病险水库除险加固一期项目绩效评估分析[J].海河水利，2006（5）：40-43.
[13]李航.门式启闭机门架结构有限元分析及优化设计[D].成都：西南石油大学，2016.