摘要：介紹了三峽二期工程過水建筑物鋼襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)材料選擇的思考，分析了傳統(tǒng)型結(jié)構(gòu)鋼用于水利工程重要部位即高流速區(qū)鋼襯砌磨損與腐蝕的部分原因，肯定了高流速區(qū)過流面保護(hù)的重要性，提出了減輕磨蝕應(yīng)采取的必要應(yīng)對(duì)措施，結(jié)合不銹鋼材料自身的物理及機(jī)械特性進(jìn)行了定性分析和研究。同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)和材料的基本要求作了必要的論述和界定。本著即滿足建筑物安全長效運(yùn)行又可一定程度節(jié)約工程投資的原則，對(duì)不銹鋼復(fù)合層厚度和基材以及界面復(fù)合要求進(jìn)行了優(yōu)化選擇和規(guī)定，使材料發(fā)揮出{zd0}的效能。三峽樞紐工程泄水建筑高流速區(qū)不銹鋼復(fù)合板的大規(guī)模使用，也為其它水利工程選擇耐磨抗腐材料提供了一些思路或借鑒，供設(shè)計(jì)選材時(shí)參考。 關(guān)鍵詞：三峽工程； 高流速區(qū)； 鋼襯設(shè)計(jì) 中圖分類號(hào)：TV 6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 三峽二期工程左岸電廠設(shè)有14臺(tái)單機(jī)容量700 MW發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量9 800MW，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(yàn)，分別于廠房安裝場Ⅱ設(shè)置一孔及安裝場Ⅲ設(shè)置兩孔共三孔排砂沖淤孔道，其位置分別位于機(jī)組進(jìn)水口下方 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(xué)復(fù)雜條件對(duì)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(hù)。 {yj}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(xué)條件并減輕磨蝕問題，亦采用鋼襯砌保護(hù)。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(shè)計(jì)選材考慮的一些因素和思路。 1 過流面鋼襯設(shè)計(jì)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(hù)工作量大，故在樞紐工程布置及工程設(shè)計(jì)階段，根據(jù)運(yùn)行水位和長江水質(zhì)特性，經(jīng)科學(xué)論證和試驗(yàn)，充分考慮到在高速水流并伴有一定泥砂等懸移質(zhì)作用下，其水道過流面若材料選擇不當(dāng)，因水力學(xué)問題，必然引起空化、氣蝕、磨損和腐蝕等，進(jìn)而可能危及建筑物的安全，為此，綜合上述問題進(jìn)行了深入的研究和論證，直至模型試驗(yàn)，并結(jié)合國內(nèi)外水利工程成功經(jīng)驗(yàn)，在科學(xué)基礎(chǔ)上除對(duì)過流面鋼襯的結(jié)構(gòu)布置、錨固方式進(jìn)行研究外，尤其對(duì)材料品種與特性等進(jìn)行了多方案比較和篩選，通過試驗(yàn)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(yùn)行維護(hù)難度和費(fèi)用也是可想而知的，因此，要求設(shè)計(jì)所選材料除需滿足正常運(yùn)行基本條件外，盡可能延長使用壽命，且不致給施工、運(yùn)行維護(hù)帶來不便，同時(shí)還要綜合考慮工程造價(jià)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(fù)合板作為排砂孔和泄洪深孔以及反弧門門井區(qū)段過流面起保護(hù)作用的鋼襯砌。 基于不銹鋼復(fù)合板自身固有的特性，其主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下八個(gè)方面，即： ?、?在確保機(jī)械性能前堤下，根據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)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(duì)減少施工的難度或工序。 ?、?可大幅度提高抗蝕能力，相對(duì)減少運(yùn)行維護(hù)頻率和防腐費(fèi)用，從而使運(yùn)行管理工作量得到一定程度的改善。 ?、?成品結(jié)構(gòu)表面平整光滑，糙率小，界面水流條件得到很大程度改善，{zd0}限度降低了可能產(chǎn)生空化氣蝕問題的機(jī)率。 ④ 可充分發(fā)揮不銹鋼固有的“疲性”，即機(jī)械磨擦的粘性，以減小水體中泥砂等懸移質(zhì)對(duì)水道過流面的磨損，達(dá)到延長使用壽命的目的。 ?、?復(fù)合板在沖擊波作用下，通過高溫高壓而結(jié)合，兩種性質(zhì)的材料其自身固有頻率不同，當(dāng)高速水流沖擊而引起的振動(dòng)波經(jīng)由復(fù)合板傳導(dǎo)時(shí)，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(xué)條件復(fù)雜，因而在結(jié)構(gòu)上對(duì)過流面的要求也相對(duì)較高，施工難度極大，而鋼襯結(jié)構(gòu)因事先通過機(jī)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(hù)工程量和施工難度，對(duì)加快施工進(jìn)度具有極大的促進(jìn)作用，兩者相加，其工程投資也相應(yīng)減少，更重要的是減少了對(duì)過流面后續(xù)的處理工作難度。 ?、?相對(duì)于全不銹鋼而言，復(fù)合鋼板的價(jià)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(jià)有所降低，也加快了施工進(jìn)度，同時(shí)也可促進(jìn)復(fù)合板材料在水利工程上的廣泛采用。 ?、?可避免微生物的浸蝕及電化學(xué)腐蝕。(如丹江口水利樞紐泄洪深孔鋼襯砌采用16Mn鋼板襯護(hù)，其表面曾出現(xiàn)大片受微生物浸蝕的銹包，深度達(dá)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(dá)6mm之多，故運(yùn)行管理部門總結(jié)出，類似的部位{zh0}選用不銹鋼襯護(hù)。) 2 復(fù)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(gè)基本要件決定，即：材料受高速流動(dòng)的水力沖刷導(dǎo)致的磨損；隨水體運(yùn)動(dòng)的固體顆粒對(duì)材料的機(jī)械磨擦磨損；水體流動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)裹動(dòng)著空氣形成氣泡，當(dāng)氣泡受水流運(yùn)行而壓縮，爆裂時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力使材料表面出現(xiàn)空穴，并在水流連續(xù)作用下導(dǎo)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(zhì)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(qiáng)度因子σ′和應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)(n′)以及材料的硬度、強(qiáng)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(duì)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(diǎn)，使其具有鐵素體鋼較高的強(qiáng)度和耐蝕性及抗應(yīng)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(即標(biāo)準(zhǔn)2205型，相當(dāng)于國際通行的瑞典SandviK 3RE60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(zhì)為Q345C的鋼板復(fù)合而成的復(fù)合板，除具有優(yōu)良的抗點(diǎn)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(qiáng)度及其綜合機(jī)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(fù)合板，其它平面鋼襯及結(jié)構(gòu)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(fù)材；這也是基于對(duì)不銹鋼復(fù)合板的不斷認(rèn)識(shí)以及為工程造價(jià)著想而作的不同選擇。 3 復(fù)合板定貨條件 不銹鋼復(fù)合板的定貨要求依據(jù)國標(biāo)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(yīng)用于水利工程，因而在制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，考慮國內(nèi)外運(yùn)用復(fù)合板經(jīng)驗(yàn)，在國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，通過咨詢，對(duì)部分指標(biāo)作了相應(yīng)調(diào)整或適當(dāng)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(xué)條件以及運(yùn)行維護(hù)難易程度的不同，盡管復(fù)合鋼襯砌設(shè)計(jì)時(shí)，可不考慮內(nèi)水壓力的直接作用(即按無壓鋼襯設(shè)計(jì))，但由于其結(jié)構(gòu)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(jìn)行灌漿處理，故基材選擇除必須考慮結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度和剛度外，還要充分考慮混凝土澆筑液態(tài)下對(duì)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(fù)合板類鋼襯結(jié)構(gòu)，由于尺寸規(guī)模均較大，且多為一期埋設(shè)，少部分門槽埋件為二期安裝，因而基材厚度根據(jù)計(jì)算選定為20～30mm，材質(zhì)均為Q345C。 (2) 復(fù)材選擇 復(fù)材作為過流面保護(hù)層，不計(jì)入基材厚度計(jì)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(zhì)根據(jù)過流面水流流速不同，水體介質(zhì)含量不同而有所區(qū)別，當(dāng)流速較高且處于紊流狀態(tài)并要求綜合性能較優(yōu)時(shí)宜采用雙相不銹鋼，相對(duì)流速較低或僅要求耐磨蝕性能較優(yōu)時(shí)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(fù)合板供貨要求 根據(jù)結(jié)構(gòu)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(fù)合板定尺{zd0}為(寬×長)1.95×10m2。具體復(fù)合方法，設(shè)計(jì)不予限定，在確保質(zhì)量前提下由供貨商自行確定。實(shí)際各供貨商所供復(fù)合板均采用爆炸復(fù)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(jié)(拉脫)強(qiáng)度亦大，性能越優(yōu)良。 成品復(fù)合板供貨時(shí)除需滿足GB/8165-1997基本要求外，尚應(yīng)對(duì)下列指標(biāo)進(jìn)行出廠前檢驗(yàn)，即： ① 復(fù)合板力學(xué)性能指標(biāo)按Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)并達(dá)到下表要求：
?、?復(fù)材與基材界面結(jié)合率要求達(dá)到{bfb}。僅允許每塊板中有不大于1%且分散的單個(gè)面積在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的未結(jié)合區(qū)經(jīng)焊補(bǔ)修復(fù)后達(dá)到{bfb}；其中單個(gè)未結(jié)合區(qū)面積不大于100cm2，長度不大于200mm，間隔不小于200mm且經(jīng)焊補(bǔ)合格。整張板出廠前按GB7734進(jìn)行{bfb}超聲波檢測。 ?、?總厚度允許偏差為±7%，其中復(fù)層允許±9%；定尺長、寬 ?、?復(fù)材不允許存在氣泡、結(jié)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； ⑤ 出廠前每張板需逐一進(jìn)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； ⑥ 復(fù)材表面粗糙度Ra≤12.5μm，并進(jìn)行酸洗鈍化，必要時(shí)需進(jìn)行拋光處理，運(yùn)輸時(shí)層間應(yīng)隔離保護(hù)； ?、?出廠時(shí)需對(duì)：拉伸、內(nèi)外彎曲、扭轉(zhuǎn)360°、剪切、沖擊、層間粘結(jié)(拉脫)等項(xiàng)目進(jìn)行試驗(yàn)和檢測，并提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料和基、復(fù)材的材質(zhì)證明文件。(其中φ、Ak、HB僅作定、供貨參照，可不作必備條件)； ⑧ 隨復(fù)合板供貨尚應(yīng)提供焊接工藝評(píng)定資料及與之配套(手工焊或自動(dòng)焊)的基材、界面過渡層、復(fù)材的焊接材料牌號(hào)和焊材供貨廠商的有關(guān)信息資料，以供施工采購參考。 ?、釋?duì)現(xiàn)場檢測的屬于廠家責(zé)任范圍的局部未結(jié)合板材，在合同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)的由廠家負(fù)責(zé)焊補(bǔ)修復(fù)，超出合同技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)予以整張板材更換。 4 復(fù)合板結(jié)構(gòu)制作、安裝基本要求 復(fù)合板供貨要求按批次進(jìn)行，每批次除必須提供原材料及復(fù)合材料正式材質(zhì)證明外，現(xiàn)場交貨尚必須逐張進(jìn)行外觀檢驗(yàn)和必要的內(nèi)部質(zhì)量抽檢，按約定要求辦理交驗(yàn)手續(xù)后方可進(jìn)入制作程序，基本要求為： (1) 施工前應(yīng)對(duì)每張復(fù)合板逐一進(jìn)行外觀檢查和不少于10%的超聲波抽檢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)問題時(shí)按合同約定要求處理。 (2) 對(duì)復(fù)合板逐張進(jìn)行形位公差檢查；并特別gz周邊復(fù)合界面有無明顯銹跡析出。(復(fù)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(píng)定資料編制相應(yīng)的生產(chǎn)性焊接工藝指導(dǎo)文件；由持證焊工進(jìn)行基材對(duì)接、過渡層對(duì)接及復(fù)層對(duì)接試焊和必要的性能檢測。當(dāng)無復(fù)合板生產(chǎn)焊接經(jīng)驗(yàn)時(shí)應(yīng)在施工前對(duì)焊工進(jìn)行培訓(xùn)并經(jīng)考核合格后方得上崗，正式施焊前尚應(yīng)對(duì)焊工在各工位(平、仰、立焊)由監(jiān)理工程師進(jìn)行現(xiàn)場焊接工藝考核或評(píng)議，符合要求后才能開展正式焊接施工。 (4) 結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，應(yīng)以復(fù)材工作面為對(duì)接基準(zhǔn)面，其局部錯(cuò)位值應(yīng)小于1mm，且需按1:50平緩過渡(局部結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜或受結(jié)構(gòu)尺寸限制時(shí)允許按1:12平緩過渡)。 (5) 分節(jié)分塊制作時(shí)，其局部平面度小于3mm，現(xiàn)地拼裝后順?biāo)鞣较蚓植科矫娑?或直線度)小于1.6mm，垂直水流方向小于3mm(當(dāng)?shù)滓r寬度較大為避免混凝土脫空而須翻轉(zhuǎn)預(yù)澆混凝土?xí)r，必須按此要求對(duì)工作臺(tái)、結(jié)構(gòu)件進(jìn)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(dá)到齡期后，需進(jìn)行全面的清理、檢查，必要時(shí)進(jìn)行修磨處理，其后對(duì)底襯(水平向)表面進(jìn)行加蓋遮蔽保護(hù)，嚴(yán)禁硬物碰撞、擦劃。 (7) 節(jié)、塊間現(xiàn)場施工根據(jù)結(jié)構(gòu)要求，分為等強(qiáng)對(duì)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(fù)合板運(yùn)用前景 水利工程是一個(gè)多學(xué)科的綜合體，其工程建設(shè)的現(xiàn)代化主要體現(xiàn)在新技術(shù)、新材料、新裝備、新工藝的具體運(yùn)用上，使其充發(fā)分揮應(yīng)有的功能和效益；其中新材料的開發(fā)更具現(xiàn)實(shí)意義。由于水利工程的規(guī)模和建設(shè)難度日趨增大，相應(yīng)管理難度也隨之增大，這就要求所選設(shè)備和材料除滿足基本性能外，其延長使用壽命和減輕運(yùn)行維護(hù)工作量也是迫切需要解決的問題之一，三峽工程雙向不銹鋼復(fù)合板首次大規(guī)模的成功運(yùn)用，既為水電行業(yè)金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材開辟了新的思路，并為推廣運(yùn)用復(fù)合板以滿足工程需要積累了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，更為高水頭、高流速、長距離、斜角大的壓力管道、隧洞襯砌等運(yùn)行維護(hù)難度大的工程建筑采用復(fù)合板奠定了基礎(chǔ)，并提供了科學(xué)依據(jù)?！?/p> 我公司（鄭州大學(xué)宇光復(fù)合材料有限公司）專業(yè)從事化工、冶金、水利、機(jī)械制造等行業(yè)專用金屬爆炸焊接復(fù)合板的生產(chǎn)與銷售,公司主導(dǎo)產(chǎn)品為鋁/鋼、不銹鋼/鋼、鈦鋼、銅鋼、銅/鋁等雙層或多層爆炸金屬復(fù)合材料。公司本著誠信、共贏的經(jīng)營理念愿與各行業(yè)的精英企業(yè)共同成長。 聯(lián)系人：司先生（華中區(qū)銷售） 電話：037167896705 手機(jī)：15890065913 email:siyahui13@ QQ: 466211749 907526727 |
75.00和
mm；