（水利水电工程专业论文）考虑腐蚀形态影响的平面钢闸门结构有限元计算分析.pdf

摘要 闸门作为主要的水工会属结构设备，广泛地应用在各类水利水电工程中，对工程的j 下 常运行和充分发挥效益起着十分重要的作用。腐蚀问题是影响水工钢闸门安全的重要因素 之一，因而在钢闸门有限元计算分析过程中研究腐蚀对闸门结构和变形的影响具有非常重 要的现实意义。本文首先介绍了水工钢闸门的腐蚀基本原理、腐蚀因素及腐蚀速率及适合 闸门腐蚀量处理的腐蚀表示方法，分析了常见的考虑腐蚀量影响而不考虑腐蚀形态影响的 钢闸门有限元模型建立方法；在此基础上，重点研究了考虑腐蚀形态影响的闸门有限元模 型建立方法。结合工程实例，运用有限元软件a n s y s 中的a p d l 语言，在不考虑腐蚀形态 和考虑腐蚀形态两种情况下，对平面钢闸门进行有限元计算分析。两种有限元模型的计算 结果表明，腐蚀形态对闸门结构应力有着非常明显的影响。研究结果可用于分析在役钢闸 门的强度和刚度，对于水工钢闸门的安全评价有着非常重要的现实意义。 关键词：平面钢闸门腐蚀参数化设计语言有限元模型应力 a b s t r a c t s t e e ig a t e ，m em a i nh y d i a u l i cm e t a ls t n l c t u r ee q u i p m e n t ，i sw i d e l yu s e di n v 撕o i l sk i n d so fh y d r a u l i cp r o j e c t i tp l a y sa ni m p o r t a n tp a no nt h en o n l l a l o p e r a t i o no ft h ep r o j e c ta l l db e n e f i c i a lr e s u l t t h ec o r r o s i v ep r o b l 锄o ft h e b y d 均u l i cn l e t a ls t r u c t l l r ei sa ni m p o r t a n tf a c t o rw h i c hh a sas e r i o u si m p a c to n s c c u r ep m j e c t s t h e r e f o r e ，i ti sav e 彤i m p o r t a i l tp r a c t i c a ls i g l l i f i c a n c et oc o n s i d e r t h ei n n u e n c eo fm es t m c t u r ea n dd e f o m a t i o na l l o u tc o r m s i o np a t t e mo fs t e e lg a t e d l 试n gt h ep t o c e s so f6 n i t e e l e m e n ta n a l y s i s h e r e ，也eb a s i cp f i n c i p l c so f c o r r o s i o no fs t e e lg l t e ，t h er e f l s o no fc o r r o s i o n 粕dc o r r o s i o nr a t ea r es t u d i e d w i t h o u tc o n s i d 甜n gt h ec o r r o s i o np a t t 哪，t h e 印p r o a c ho fs t e e lg a t ef i n i t ee l 锄e n t m o d e lo fs t e e lg a t ea b o u tt h ei n f l u e n c eo fc o r r o s i o ni sa n a l y s e d o nm i sb 硒i s ，t l l e a p p r o a c h0 fb u i l d i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la b o u tc o r r o s i o np a t t e mi sm a i l l l y s n l d i c d b yu s i n gt ke x a m p l e so fp m j e c t sa n dm el 孤g u a g eo fa p d lo ft h e s o r w 孤o fa n s y s ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fp l a n es t e e lg a t ei sd o n eo nt h e b a s i so ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e la b o u tc o h d s i o nd a t t e ma n dt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e lw i t h o u tc o n s i d e r i n gc o r r o s i o np a 仕e m 踟eb u i l t t h er e s u l to ft h e 觚o c a l c u l a t i o i l sr e v e a l st h a tt h ee x i s t e n c eo fc o h o s i o np a t t e mp l a y sa ni m p o r t a n tp a r t o nt h es t r e s so ft h es t m c t u r e t h er e s u l t sc a nb eu s e df o ra n a l y z i n gt h es t r e n g t ha i i d s t i 触e s so fs t e e lg a t ei n s e i c e i th a sav e 哪i m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ef o r s a f ea s s e s s m e n to ft h eh y d r a u “cs t e e lg a t e k e yw o r d s ：p l a n es t e e lg a t e c o r r o s i o na p d lf i n i t ee l e m e n tm o d e ls t r e s s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全 部责任。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 月弓日 河海大学颀l 刖f 究生毕业论文 第一章绪论 1 1 闸门概述 1 1 1 闸门的分类 永工建筑物是用来控制水流、利用水资源为人类服务的工程设施。而闸门是水工建筑 物的重要组成部分之一，它可以根据需要封闭建筑物的孔口：也可全部或局部开启孔口， 用于调节上下游水位和流量，从而获得防洪、灌溉、供水、发电、通航、过木过筏等效益； 还可用于排除漂浮物、泥沙、冰块等；或者为相关建筑物和设备的检修提供必要条件。闸 门通常设冕在水工建筑物的进、出水口等咽喉要道，通过闸门灵活可靠的启闭来发挥它们 的功能与效益及维护建筑物的安全。 闸门的种类繁多，分类方法也很多，一般可按闸门的工作性质、使用材料和制造方法、 构造特征、孔口性质及规模来分类【1 】 2 l 。 按闸门的工作性质可分为工作闸门、事故闸门、检修闸门和施工导流闸门。 按闸门( 主要指门叶结构) 使用的材料可分为钢闸门、钢筋混凝土闸门和木闸门等。 按闸门的构造特征可分为：平面闸门、弧形闸门、其他形式闸门等。 按孔口性质可分为：露顶式闸门和潜孔式闸门两类。 平面钢闸门是水工建筑物最常用的闸门，它的结构较为简单，操作运行可靠方便，对 建筑物的布置也较易配合。简单的平面闸门只是一块平面的整板，比较复杂的则是梁格式 的平面闸门，而其面板又可做成平面或曲面的形式。 平面闸门根据其移动方式不同，有直升式、横拉式、转动式、浮箱式等几种。 直升式平面闸门是使用最为广泛的一种门型，它是一块平板式门叶卡在门槽内而封闭 孔口的。一般可按支撑行走部分的构造形式，分为滑动式、滚轮式、链轮式等。门叶的结 构形式也很多，如板梁形、拱形、壳形等。门叶的块数一般是一块，也有分成两块或多块 的。直升式闸门中还有一种闸门，它升起后平卧在排架上，被称为升卧式平面闸门，这类 闸门适合用在地震烈度较大、启闭排架不宜太高的地区。 直升式平面闸门能满足各种类型泄水孔道的需要，具有以下优斛3 】： ( 1 ) 可封闭相当大面积的孔口； ( 2 ) 建筑物顺水流方向的尺寸较小； ( 3 ) 闸门结构比较简单，其制造、安装和运输工作相对来说比较简单； 1 河海大学硕i j 研究生毕业论文 ( 4 ) 门叶可移出孔口，便于检修维护； ( 5 ) 门叶可在孔口f b j 互换，故孔口较多时可兼作其他孔的事故闸门或检修门； ( 6 ) 门叶可沿高度分成数段，有利于泄水或排砂，也可以减轻启门力； ( 7 ) 闸门的启闭设备比较简单，对移动式启门机的适应性较好等。 横拉式平面闸门是在平面闸门门叶的底部或顶部安设行走滚轮，可沿轨道横向移动， 因它只能在静水条件下操作，故多用于船闸闸首工作门。 转动式平面闸门的形式比较多。横轴转动平面闸门按轴安设在底部、中部或顶部而分 为舌瓣门、翻板门和拍门。竖轴转动的平面闸门有一字门和人字门。一字闸门是指绕端部 竖轴转动的平面闸门，也成掩门。人字门是由左右梁栅绕竖轴转动的闸门组成，在关闭位 置时两扇闸门形成三铰拱形式，成“人”字形，故得名。一字门和人字门只能在静水条件 下操作，一般用于船闸闸首工作门。 浮箱式平面闸门的门叶形如空箱，在水中可以浮动，而当在箱内充水时又能沉没在水 中。它的用法是将空门托运到门槽位置后，充水使门叶就位。浮箱式平面闸门只能在静水 条件下操作，一般用作裣修闸门。 一套良好的水工闸门，它应该具备下列各项性能： ( 1 ) 闸门的结构安全可靠，能在水工建筑物运行要求所规定的各种工况下正常工作： ( 2 ) 闸门的启闭操作要灵活方便，能及时开放或关闭过水孑l 道； ( 3 ) 闸门止水装置要严密，其漏水量及由此产生的其他不良现象均应在容许范围之内； ( 4 ) 当闸门在各种开度下泄水时，水力性能要好。如泄水能力要大、无严重空蚀、无 强烈振动等。 1 1 2 平面钢闸门的结构布型2 】【4 】 闸门结构布置是否合理，直接关系到闸门能否达到使用方便、安全耐久、节约材料、 构造简单和便于制造等方面的要求。平面钢闸门的结构布簧主要包括：主梁的布置、梁格 的布置以及边梁的布置。 主梁是闸门的主要承重构件，它的数日取决于闸门的尺寸和水头的大小。平面钢闸门 按主梁数目可分为双主梁式和多主梁式。当闸门的跨度l 大于门高h 时，通常采用双主梁； 而当闸门的高度比跨度大时，通常采用多主梁。对主梁的间距的布置主要考虑到以下因素： ( a ) 主梁宜按等荷载要求布置： ( b ) 主梁间距应适应制造、运输和安装的条件； ( c ) 主梁间距应满足行走支承布置的要求； 2 自海人学颅i ：研究生毕业论文 ( d ) 底主粱到底止水的距离应符合底缘稚置的要求。 对于实腹式主梁的工作闸门和事故闸门，应使底主梁的下翼缘到底止水边缘的连线的 倾角不小于3 0 。，避免启门时水流冲击底主梁和在底主梁下方产生负压和闸门由此原因 而可能产生的振动。当闸门支承在非水平的底槛上时，其夹角可适当增减，当不能满足 3 0 。要求时，应对门底部采取补气措施。对于部分 利用水柱的平面闸门，其上游倾角不应小于4 5 。， 宜采用6 0 。，如图卜1 。对于双主梁式闸门的主梁 位置应对称于静水压力合力p 的作用线，在满足上 述底缘布置要求的前提下，两主梁的间距4 值应尽 量放大些，并注意上主粱距门顶的距离c 不应太 大，一般不超过0 4 5 h ，且不大于3 6 m 。这样可以 减小竖向联结系的上悬臂高度，并且可以保证其有 足够的刚度。 3 0 。 图卜1 闸门底缘布置要求 在实际工程中，由于考虑其他因素，主梁的位 置在按上述等荷载原则确定后，常需稍加调试，这样各主梁的荷载就不一定完全相等。当 差别不大时，仍可按等荷载设计，各主梁截面决定于其中荷载最大者；当荷载差别较大时， 则需分别进行设计。 梁格的布置应考虑钢面板厚度的经济合理性和梁格制造省工等要求，尽量使面板各区 格的计算厚度接近相等，并使面板与梁格的总用钢量最少。根据闸门的跨度大小，可将闸 门梁格的布置分为：简式梁格、普通式梁格和复式梁格三种，分别如图卜2 ( a ) 、( b ) 、 ( c ) 所示。 ( a ) 简式( b ) 普通式( c ) 复式 图卜2 梁格布置图 疆圈j 争 i 海人学颂i ：研究生毕业论文 ( a ) 齐平连接 厂k 厂 一 一 ， | ：二 厂 r j 、i 几 7 ( b ) 降低连接( c ) 屡叠连接 图卜3 梁格连接型式 梁格的连接型式如图卜3 ( a ) 、( b ) 、( c ) 所示，分为齐平连接、降低连接和层 叠连接三种型式。齐平连接中主梁的前翼缘、水平次梁和竖直次梁都直接与面板相连。这 样梁格与面板形成刚强的整体，面板受力条件好雨且节约钢材，是常用的梁系连接型式。 降低连接中，主梁与水平次梁直接与面板相连，而竖直次梁则离开面板降低到水平次梁下 游，使水平次梁可以在面板与竖直次梁之间穿过而称为连续梁。层叠连接中水平次粱与竖 直次梁直接与面板相连，主梁放在竖直次梁后面。这样使得闸门的整体刚度和抗振性能都 有所消弱，同时出于层叠连接还增加了闸门的总厚度。因此这种连接型式在平面闸门中很 少采用。 边梁的截面型式有单腹式和双腹式两种。单腹式边梁构造简单，便于与主梁相连接， 但抗扭刚度差，这对于闸门因弯曲变形、温度胀缩及其它力作用而在边梁中产生扭矩的情 况是不利的。主要用于滑道式支承的闸门，对于悬臂轮式的小型定轮闸门也可以采用单腹 式边梁，但必须在边梁腹板内侧的两主梁之问增加一道轮轴支承板。双腹式边梁的抗扭刚 度大，也便于设置滚轮和吊轴，但构造复杂且用钢量较多，截面内部的焊接也较困难，广 泛应用于定轮闸门中。 1 2 问题的提出及研究现状 水工金属结构设备是水利水电工程中的重要设备之一。闸门作为主要的水工余属结构 设备，广泛地应用在各类水利水电工程中，对工程的j 下常运行和充分发挥效益起着十分重 要的作用。 闸门经长期运行，受到结构变形、损伤、腐蚀等多种因素的影响，其强度、刚度及稳 河海人学颅l 。研究生毕业论义 定性与设计状态相比有所下降，这就需要对闸门的强度、刚度及稳定性进行复核计算。 在对闸门结构进行有限元计算与分析过程中，一般闸门外形尺寸按设计图纸并结合实 测尺寸取用，闸门各构件的厚度一般取平均尺寸( 即构件的厚度减去一个平均的腐蚀量) ， 而不去考虑闸门各构件上真实的腐蚀形态。但是在很多情况下多数在役钢闸门的某些构件 上都会出现不同程度腐蚀且数量可观的局部区域。这些区域往往以较深、较大及较多的锈 坑的腐蚀形态聚集于构件的局部部位或者均匀随机地分布在整个构件上。目前计算人员无 法将这种情况精确直观地反映在计算模型上，只能在有限元计算模型中以原构件的厚度设 计尺寸减去平均的腐蚀量而得出的一个平均值( 蚀余厚度) 来表征各闸门对应的构件厚度。 这样建立的模型只是总体地反映平均腐蚀的存在，而在模型中没有考虑上述局部腐蚀的存 在。 通过很多试验发现，闸门局部腐蚀等腐蚀形态对闸门构件对应部位的影响很多情况下 是不能忽视的。试验表明【5 j ：腐蚀形态越严重，构件因腐蚀形态引起的应力集中现象就越 趋于明显。且闸门主要构件锈蚀率与应力提高率之问呈抛物线回归关系，闸门试件抗力随 腐蚀率的提高呈现快速下降的趋势。 因而有必要对闸门的腐蚀形态进行专门的研究，并把这些腐蚀特征直观地反映到有限 元模型上，进行计算、分析及比较来观察这些区域的应力情况以及对其他区域或部分的影 响，以更加准确可靠地衡量在役水工钢闸门的安全性。 目前，对于这方面的研究国内外还比较少。在国内外的相关大型期刊上刊载的关于水 工钢闸门腐蚀研究最新成果的文章中，采用的方法大多是在工程中依赖于选用更先进的检 测仪器、采用新的检测方法、提高检测仪器的精度、对庞大的数据进行处理以及减小蚀余 厚度等来提高计算结果的可靠性。这样虽能一定程度地反映闸门的受力等情况，但很多情 况下并不能很理想地反映闸门构件关键部位的应力分布等情况。造成这一现象的主要原因 之一就是没有考虑腐蚀形态在模型中的实现，因此有必要对现有的闸门有限元模型进行调 整和改进。而本文的研究思路就是在传统有限元模型的基础上实现这些腐蚀形态的特征， 使有限元模型更加符合实际情况，更加准确地逼近实际闸门原型，从而使得有限元计算的 结果能够更加准确地反映闸门的应力状况。 因此，采用考虑腐蚀形态的有限元模型来进行有限元计算分析，更加符合水工钢闸门 的实际情况，有着更加明确的工程指导意义和直接的应用价值。 * 4 海人学倾i ：研究生毕业论文 1 3 本文的主要工作 本论文在搜集总结前人工作的基础上，阅读和参考大量的相关资料，结合工程实例， 基于有限元软件a n s y s 中的a p d l 语言，对平面钢闸门进行了考虑腐蚀形念的有限元模 型的建模及分析研究，编制了对闸门构件同一局部区域实现不同厚度的a p d l 有限元程 序。所完成的主要工作有： 1 介绍了平面钢闸门的结构形式及工作特点；对当前钢闸门基于腐蚀形态的有限元研 究现状进行了分析，指出了进行钢闸门基于腐蚀形态研究的重要性。 2 7 对有限单元法和a n s y s 软件及a p d l 语言进行了概述，重点介绍了薄板有限元法理 论。 3 对水工钢闸门的腐蚀基本原理、腐蚀因素及腐蚀速率的表示法进行了研究，并介绍 了适合闸门腐蚀量处理的腐蚀表示方法。 4 介绍了平面钢闸门不考虑腐蚀形态情况下有限元模型的建立方法，并与之比较分 析而确定了考虑腐蚀形态的闸门有限元模型的建立方法。重点分析研究了基于腐蚀形态的 有限元模型的建立方法。 5 运用a n s y s 有限元软件对同一闸门考虑腐蚀形态和不考虑腐蚀形态的两种有限元 模型计算结果进行了计算分析与比较，结果表明：腐蚀形态的存在对闸门的结构应力情况 有着明显的影响，考虑腐蚀形念的有限元计算结果对计算人员有着很好的分析帮助作用， 对于工程本身也有着很好的指导意义。 和口海人学顾l ：l ! f 究生毕业论文 第二章有限单元法的理论基础 2 1 有限单元法简介 有限单元法【6 】【7 1 最初是在二十世纪五十年代作为处理固体力学问题的方法出现的， 1 9 4 1 1 9 5 1 这十年间发展起来的结构分析矩阵( 位移) 法可以说是它的雏形。五十多年 来，有限单元法蓬勃发展，不仅已经成为结构分析中必不可少的工具，而且成为现象分析 的一种手段。其应用已由弹性力学平面问题扩展到空间闯题、板壳问题，由静力平衡问题 扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘 塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、渗流与固结理论、热传导与热应力问题、 磁场问题以及建筑声学与噪音问题。不仅涉及稳态场问题，还涵盖材料非线性、几何非线 性、时间性问题和断裂力学等。有限元法作为一种离散化的数值解法，也已成为应用数学 的一个新的分支。 有限元法所具有的特点表现在以下几个方面f 8 【9 】 ( 1 ) 物理概念清晰 可以在不同的理论层面建立有限元法的理解，既可以通过非常直观的物理解释来理 解，也可以建立严格的数学理论分析。 ( 2 ) 复杂结构的适应性 在固体力学及其他连续体力学中。只有一些特殊类型的位移场和应力场才能求得微分 方程式的解。对于多数复杂的实际得不到解，而有限元法对于完成这些复杂结构的分析是 一种十分有效的方法。有限元法利用离散化将无限自由度的连续体力学问题变为有限单元 结点参数的计算，虽然它的解是近似的，但适当选择单元的形状与大小，可使近似解达到 满意的程度。 ( 3 ) 各种物理问题的实用性 有限元法不仅能处理线弹性力学、非均质材料、各向异性材料、非线性应力应变关 系、大变形、动力学和屈曲问题等，还能解决热传导、流体力学、电磁场等问题以及不同 物理现象的耦合问题，应用范围极为广泛。 ( 4 ) 适合计算机实现的高效性 有限元法引入边界的方法简单，边界条件不需要引进单个有限元的方程，而是求得整 个集合体的代数方程后再引进，所以对内部和边界上的单元都能采用相同的场变量函数， 女海人学倾i 卅究生毕业论文 而且当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，给编制通用化程序带来了极大的简化。 其次，有限元法通常采用矩阵表达式，便于编程计算。计算机不仅可以快速求解问题，而 且使求解问题的方法规范化、软件商业化，为有限元的发展、应用奠定了肇实的基础。 有限元的基本思想可归纳如下【0 】： 首先，将表示结构的连续体离散为若干个子域( 单元) ，单元之间通过其边界上的节 点相连接成组合体。 其次，用每个单元内所假设的近似函数分片地表示全求解域内待求的未知场变量。每 个单元内的近似函数用未知场变量函数在单元各个结点上的数值和与其对应的差值函数 表示。由于在连续相邻单元的结点上，场变量函数应具有相同的数值，因而将它们用作数 值求解的基本未知量，将求解原函数的无穷多自由度问题转换为求解场变量函数结点值的 有限自由度问题。 最后，通过和原问题数学模型( 基本方程、边界条件) 等效的变分原理或加权余量法， 建立求解基本未知量( 场变量函数的结点值) 的代数方程组或常微分方程组，应用数值方 法求解，从而得到问题的解答。 简言之，有限元分析实际问题的主要步骤为：建立模型，推导有限元方程列式，求解 有限元方程组，数值结果表述。 在工程技术领域，许多问题需要求解弹性连续体的应力及应变分布情况。一般有二维 平面应力或应变问题、轴对称问题、板弯曲问题、壳体问题以及三维问题。对于这些问题 的求解可以用位移法获得。 ( 1 ) 将连续面或连续体用线或面分解成若干有限单元； ( 2 ) 这些单元在其边界上的离散结点处互相连续其结点位移为所求问题的基本未知 参数； ( 3 ) 选择一组函数，用每个有限单元的结点位移难一地确定该单元中的位移状态： ( 4 ) 根据结点位移由位移函数唯一地确定单元中的应变状态，再由单元材料的本构性 质，确定单元内部及边界上的应力状态； ( 5 ) 确定作用在各结点的集中载荷，得到单元的刚度关系式； ( 6 ) 位移、应力方程的求解。 显然，上述过程已经引入近似处理方法，一是保证所选的位移函数满足相邻单元间位 移连续要求，在单元边界处可能违反协调条件；二是等效集中载荷在总体意义下满足平衡 条件，而每个单元中以及其边界上可能会局部违反平衡条件。 g 海大学顿l 研究生毕业论立 2 2 薄板问题的有限元法 板是典型的工程构件，工程上约赳一4 】：当板的厚度h 小于最小特征尺寸l 的五分 之一( 即 纠5 ) 时，称为薄板。作用于板的荷载可分为面内荷载和垂直于板面的荷载。 对于薄板，面内荷载只引起平面应力，垂直于板面的荷载将使板产生弯曲变形，板面上沿 垂直于板面方向的位移，称为挠度。如果薄板在弯曲荷载作用下，板内的最大挠度国一小 于板厚度h 的五分之一( 即q 。 糯糙表面的保护膜没有光滑表面的保护膜致密，所以较易腐蚀。 ( 3 ) 表面粗糙的实际表面积比光滑的表面积大，故腐蚀性比较严重。 ( 二) 应力和变形的影响 钢铁构件在制作过程中，由于受到冷、热加工处理，如拉仲、冲压、焊接等，往往产 生一定的应力和变形。这些应力和变形将加速钢铁的腐蚀，应力和变形越大，腐蚀越甚。 例如钢铁构件弯折、钻孔以及铆钉、螺栓连接部位等应力集中处的腐蚀都是比较严重的。 ( 三) 介质氢离子浓度的影响 水具有很弱的导电能力，它能微弱地电离成氢离子和氢氧离子。在溶液中，这两种离 子浓度的多少，决定着溶液酸性或碱性的强弱。 钢铁的腐蚀与氢离子浓度的关系可以分为三种情况。在酸性较强的溶液里( p h 值小 于4 ) ，由于氢在阴极放电和析出的效率增加，腐蚀的产物为可溶物质，腐蚀就随氢离子 浓度的增大而加剧；在接近中性的溶液里( p h 值在4 9 之间) ，腐蚀几乎与p h 值无关， 这是因为在中性和接近中性溶液中腐蚀受氧的扩散速度控制，而氧的溶解度及其扩散速度 基本上都不随p h 值变化：在碱性溶液里( p h 值在l o 1 4 之间) ，钢铁的腐蚀速度随p h 值的增加而降低，这主要是因为腐蚀产物在强碱溶液中的溶解度大大降低了，腐蚀电池的 阳极过程受到了阻抑。水工钢闸门在天然淡水或海水中( 一般为中性或接近中性溶液) ， 属于第二类情况。 ( 四) 水的化学成份及其浓度的影响 2 1 l i 海入学颂i j f i j f 究生毕业论文 水中的各种成份及浓度对钢铁的腐蚀有着不同的影响。 ( 1 ) 如果钢铁与水中成份能生成不溶性的产物，覆盖在阳极区或阴极区，都会阻抑腐 蚀电池的阳极或阴极过程，从而降低腐蚀速度。例如，铁在含碳酸盐、磷酸盐溶液中，生 成不溶性的碳酸铁和磷酸铁覆盖在阳极上；硫酸锌溶液中能在铁的表面生成不溶性的氢氧 化锌覆盖在阴极上，这些都能缓解腐蚀速度。 ( 2 ) 钢铁在水中的腐蚀速度还与盐( 如n a c l 、k c l 、l i c l 等) 溶液的浓度有着较大的 关系。在水中含盐量不太高的范围内，腐蚀速度随着溶液浓度增加而加剧，这是因为促进 阳极溶解过程的c f 一浓度增加了。当溶液浓度达到一定程度时，再继续增加溶液浓度，蚀 速度反而下降了。这是因为氧的溶解度随浓度的增加而下降，从而使腐蚀速度降低。 一般河水、湖水都为淡水，含盐量较低，其化学成份及浓度随流域及污染情况有较大 的差异。 海水含盐量较高，离子浓度较大，所以导电性能良好。电阻率一般为2 0 3 0 欧姆厘 米，是一种较强的电解质。因此。海水中的大量离子，使钢铁具有较高的腐蚀性。 ( 五) 水温的影响 钢铁在水中的电化学腐蚀速度，一方面决定于腐蚀电池电极过程的快慢，另一方面还 与氧在阴极上还原速度有关。因而水温对钢铁腐蚀速度的影响使比较复杂的，如图3 3 所示： 蜡珏l 曲深艇 静标 f 毫米艚胡：) 0 7 5 0 0 6 2 5 0 5 0 0 0 3 7 5 0 2 5 0 0 1 2 5 d2 0 4 0 6 0 8 01 0 0l 己o1 4 0 1 6 d1 8 u ；j l i l 慢( 1c ) 1 一封闭系统；2 一开敞系统 图3 3 铁在水中的腐蚀速度与温度的关系 对于开敞的腐蚀系统，水面与大气接触面较大，氧气可以充分地溶入或离开溶液，在 水温较低的范围内( 一般 8 0 ) ，随着温度的升高。离子运动加剧，腐蚀过程加强， 2 2 河海人学倒i ：研究生毕业论文 使腐蚀速度加快。当温度超过8 0 时，由于溶液中氧随温度升高而减少，使腐蚀减缓。 在封闭的腐蚀系统中，腐蚀曲线接近直线。随着温度的上升，氧不能自由地从水中离 _ 丌，仍旧保持较多的氧在阴极上夺取电子，所以在较高的温度时，仍能加快腐蚀的速度。 ( 六) 水流速度的影响 水流速度的增加，会促进钢铁的腐蚀。因为流速的增加，加剧了物质的对流，增加了 氧的溶解量及其向阴极区的扩散和在阴极夺取电子的过程，同时水体的流动也能比较容易 地将腐蚀产物冲走，加速阳极溶解的过程。在高速水流情况下 4 9 】，由于高速水流或含泥 沙颗粒、气泡的高速流体直接不断冲击下，金属表面造成的磨蚀又特别称为冲击磨蚀。它 是亩高速流体的机械破坏与电化学腐蚀两种作用对金属共同破坏的结果。 ( 七) 杂散电流的影响 水利工程通常是由许多比较复杂的结构组成，金属结构种类较多，如闸门、启闭机、 引水钢管、拦污栅、预埋管道与铁件以及钢筋混凝土中的钢筋网等。它们之间存在着复杂 的接触关系，有的直接接触，电阻较小；有的接触较差，电阻较大；有的接触不好，其问 仅有电解质液联系。当在建筑物上进行焊接作业，实施阴极保护及其他直流电器运行时， 其电流除按既定的回路工作外，还往往发生电流漏失，杂散到其他金属结构上，从而形成 杂散回路。电流杂散的结果是常在杂散结构的阳极区发生不同程度的腐绌。 杂散电流越大，腐蚀越严重。杂散电流腐蚀的速度与流过的电流强度成线性关系。据 统计，一安培电流通过一年时间将会有九公斤钢铁发生电化学腐蚀，而一般电焊作业的电 流可达2 0 0 4 0 0 安培，可见杂散电流腐蚀是非常严重的。 ( 八) 结构型式的影响 水工钢闸门结构的型式在一定程度上也影响着腐蚀，特别是有些结构型式选用不当往 往会促使余属的腐蚀，且不利于保护。因此在设计及加工制造时应尽量考虑防腐蚀的要求； ( 1 ) 避免电位差较大的两种金属互相接触，当必须把不同金属装配在一起时，可尽量 采用橡胶、塑料是涂料等材料加以绝缘，以尽可能的避免发生电偶腐蚀。 ( 2 ) 钢铁结构的连接部分和螺栓、铆钉或焊缝等处，因应力集中和材料性质决定，一 般均为阳极区，较易腐蚀，在设计及管理中应给予良好地封闭和保护。 ( 3 ) 结构型式的布置应考虑维护的方便( 如图3 4 所示) 。水工钢闸门及其他钢结构 的梁以采用实腹板梁结构比较容易保护。在结构布置上，各构件都应考虑留有工程养护操 作所需要的空问，还要防止水分长期积聚。假如部分构件经常积水，可在适当部位钻孔排 水，使其干燥。 2 3 备f 海人学硕i 研究生毕业论文 昨v 怍a 丰琶 ( a ) 易钗水( 小翳移冰 ( c ) 币翳保护的俄两 图3 4 结构型式的布置对腐蚀的影响 ( 九) 水生物的影响 在江河湖海中，存在着多种水生物，其中有相当的数量会直接粘附于结构表面。如淡 水中的苔藓、小蛤蜊，海水中的藤壶、牡蛎、苔藓虫、海藻等。它们的新陈代谢及其分泌 物对结构起着化学腐蚀和电化学腐蚀作用。因为有的生物分泌出氢氧化铵、二氧化碳、硫 化氢及其他有机、无机酸类，对钢铁起着腐蚀作用；有的水生物由于叶绿素作用以及分泌 硫化物的还原作用而产生氧气，也会促进钢铁电化学腐蚀；另外，在水生物习性作用下， 还会引起涂料保护层早期破坏脱落，从而加速结构腐蚀。 在工程中单纯的电化学腐蚀较为少见，经常伴随着生物腐蚀，大生物多见贝壳类生物， 如南方俗称“死不丢”的贝壳等；另外国内也曾报道在静水或动水区域的钢闸门处，检测 到硫酸盐还原细菌，甲烷细菌，碳酸盐还原细菌、铁细菌、硫酸化菌等厌氧或好氧型微生 物，钢闸门呈现异常受蚀吼 3 2 3 水工钢闸门的主要腐蚀类型5 2 】 通过分析在役钢闸门的腐蚀状况，从腐蚀影响范围上主要表现为全面腐蚀和局部腐蚀 两大类。 全面腐蚀是一种常见的腐蚀形态，它的腐蚀特征是在金属的整个暴露表面或一个大面 积上普遍地发生化学或电化学反应，可以是均匀的，也可以是不均匀的。由于水工金属结 构常处在水下或潮湿的环境，发生大面积腐蚀的部位较多。钢闸门以水下部分和容易积水 的主横梁、小横梁等最为常见，处在门槽内的边梁也容易发生全面腐蚀。 局部腐蚀常见腐蚀类型为： ( 1 ) 斑点腐蚀，构件表面出现较密集但深度较小的蚀坑群，均匀腐蚀中常见； ( 2 ) 陷坑腐蚀，腐蚀呈凹坑状，且腐蚀较大，通常在局部严重腐蚀中呈现； ( 3 ) 孔( 点) 腐蚀，蚀坑局部小而深，这种腐蚀形态具有较大的破坏性和隐蔽性； ( 4 ) 缝隙腐蚀，缝隙中或其他隐蔽区域内出现的局部腐蚀。 2 4 十f 海人学颂l 。研究生毕业论立 3 3 水工钢闸门腐蚀程度表示 3 3 1 金属腐蚀速度的表示法【3 8 l 【5 3 】 金属遭受腐蚀后，其重量、厚度、机械性能、组织结构等都会发生变化。利用这些物 理、力学性能的变化率就可表示腐蚀程度。通常，金属腐蚀程度是用平均腐蚀速度来表示 的。对于均匀腐蚀来说常采用重量和深度表示法。 3 3 1 1 金属腐蚀速度的重量表示法 这种表示法就是把金属因腐蚀而发生的重量变化，换算成相当于单位金属表面积在单 位时间内的重量变化的数值。 所谓重量的变化，在失重时是指腐蚀前的重量与清除了腐蚀产物后的重量之间的差 值；在增重时是指腐蚀后带有腐蚀产物时的重量与腐蚀前的重量之间的差值。可根据腐蚀 产物容易去除或会完全牢固边附着在试样表面的情况，来选取失重或增重表示法，计算公 式如下； t = 警 ( 3 - 1 ) 式中 正一以失重表示的腐蚀速度g m 2 晟) ； 一试样腐蚀前的重量0 ) ； q 一试样腐蚀后的重量( g ) ； s 一试样的表面积b 2 ) ； f 一金属腐蚀的时间o ) 。 又有： _ = 警 2 ) 式中，一是以增重表示的腐蚀速度k ，胧2 ) ，哆表示带有腐蚀产物的金属重量q ) 。 3 3 1 2 金属腐蚀速度的深度表示法 上述失重表示法没有考虑到金属的密度，当两种密度不同( 假设面积相等) 的金属失 重相同时，其腐蚀深度是不同的。从工程角度看，用腐蚀深度的变化率柬表示腐蚀速度更 为合适，因为根据腐蚀深度或构件变薄的程度，可以用来预测特定部件的寿命。 a f 海人学硕f j 研究生毕业论史 对腐蚀深度的变化我国通常采用毫米年( ，枷口) 来表示，可按下式计算： 以：兰。丝箜：8 7 6 堡( 3 3 ) p 1 0 0 0 p 、 式中，是用腐蚀深度表示的腐蚀速度m 口) ；e 为用失重表示的腐蚀速度k m 2 ) ： p 表示金属的密度( g j 。 3 3 2 水工钢闸门中各金属构件腐蚀速度的深度表示法【5 3 】 以上两种方法适用于体积不是很大的金属试件的腐蚀速度研究，但对于钢闸门这样体 积重量庞大的研究对象而言就不是很理想。即便允许上述的两种方法，但由于钢闸门工作 环境( 闸门上的泥沙、水以及其他垃圾等) 等的局限性，也不可能很准确地确定闸门锈蚀 前后重量的变化量。因此要确定钢闸门的腐蚀就有必要提供一种专门的研究方法。 一、腐蚀检测 目前我们采用的方法是通过腐蚀检测来确定锈蚀量进而计算出闸门的蚀余厚度、腐蚀 速度等必要的数据。腐蚀检测主要检测闸门主要构件的腐蚀部位及其分布状况；严重腐蚀 面积占构件表面积的百分比；遭受腐蚀损坏构件的蚀余截面尺寸；蚀坑( 或蚀孔) 的深度、 大小和密度等。 在水工金属结构腐蚀检测中，最常用的方法有；超声波测厚仪直接测量法、橡皮泥法 和割取试件法。同时，采用焊缝检验尺或特制的游标卡尺进行锈蚀深度测量，腐蚀曲线法 和配合照片也是最直观和最常用的辅助方法【4 们。 对于均匀腐蚀，或虽有锈坑，但深度较浅的构件，通常采用测厚仪直接测量法：若构 件上锈坑较深( 如蚀孔腐蚀) ，但少而分散，宜采用特制的量具进行检测。若构件上锈坑 较深而密布成云时，宜采用橡皮泥填充法，对于允许切割的部位，也可采用割取试件法。 实际检测中，具体使用哪种检测方法，要根据现场条件来确定。 在对闸门进行腐蚀检测过程中，依据闸门各构件腐蚀程度的不同，一般按五个等级进 行评定【5 4 l ： 轻微腐蚀涂层基本完好，局部有少量锈斑或不太明显的锈迹，构件表面无麻面 现象或只有少量浅而分散的锈坑。 一般腐蚀涂层局部脱落，有明显的锈斑、锈坑，但锈坑深度较浅，或虽有较深 的锈坑( 坑深在1 o 2 o 咖之间) ，但少而分散，构件尚未明显削弱。 较重腐蚀涂层大片脱落，或涂层与金属分离且中间夹有锈皮，有密集成片的锈 4 海人学坝l ：研究生毕业论文 坑，或麻面现象较重且区域较大，局部有较深的点锈坑( 坑深在2 0 3 0 呻之间) ，构件 已有一定程度的削弱。 严重腐蚀锈坑较深且密御成片，构件局部有深锈坑( 坑深在3 0 咖以上) ，构件 已严重削弱。 锈损深锈坑密布，构件截面积削弱达1 4 以上，构件局部已锈损，出现孔洞。 二、腐蚀数据分析处理 检测数据的处理可采用列表法、对比图法或直方图法。几种方法各有优点，可以单独 使用或互相配合使用，应根据构件腐蚀的具体情况加以选择应用。 金属腐蚀程度通常采用腐蚀速率m 4 ) 来表示。对所有测点数据进行统计处理，求 出其腐蚀量均值叉和均值标准差盯，按最不利情况分析，用( _ + 盯) 作为其相应腐蚀量，再 除以闸门使用年限，即可得到平均年腐蚀速率： y ：半 ( 3 - 4 ) 式中，r 为腐蚀速率b 埘a ) ；叉为平均腐蚀量b m ) ，叉= 三喜而；盯为平均腐蚀量的标 准差锄聊)盯：、f 士窆k 一叉) 2 卵i 刍k j 玎为测量有效数据的个数i 铜。 r 为腐蚀时间( 年，a n n u a l ) ；置为第f 个实测腐蚀量。 然后通过列表法、对比图法或直方图法根据腐蚀数据分析处理结果可对闸门构件的结 构应力进行复核计算，同时可估算闸门可继续使用的年限，并可作为闸门安全评估的一个 重要参数，从而确定闸门是否进行加固或者更新改造。 i 海人学坝l ：研究生毕业论立 第四章考虑腐蚀形态的闸门有限元模型 建模方法研究 4 1 单元类型及相关参数的确定 4 1 1 单元类型 采用有限元方法对闸门按整体空间结构体系计算时，其有限元计算模型大致可以分为 以下3 种【s 6 l ： ( 1 ) 板梁结构：面板采用板单元模拟：主梁、水平次梁、竖直次梁、底梁、边梁及支 臂采用梁单元模拟。 ( 2 ) 部分空间薄壁结构：面板采用板单元模拟；主梁及竖直次梁的腹板采用板单元模 拟；翼缘由于主要受轴向力作用可采用杆单元模拟；水平次梁、底梁、边梁及支臂采用梁 单元模拟。 ( 3 ) 完整空问薄壁结构：将构成闸门结构的所有板件，包括面板、主梁、水平次梁、竖 直次梁、底梁、边梁及支臂的腹板和翼缘等均采用板单元模拟。 上述三种计算模型中，板梁结构模式最精简，早期闸门的有限元计算多采用此模型： 完整空间薄壁结构模型未对闸门结构进行过多的简化，保留了原来问题的复杂性，计算结 果更为精确。 闸门是一种典型的空间薄壁结构体系，由一系列板、壳、粱、杼等构件组合而成。正 常工作时，闸门所承受荷载将通过各构件的相互传递来共同承担，面板、主横梁、纵梁等 将发生弯曲、轴向、扭转、剪切等组合变形，因此计算模型的选择必须考虑到各构件的几 何性质、变形特征、受力特点以及相互作用关系等，以正确反映出闸门的整体作用以及各 构件的实际工作状态。因此，在本文中闸门有限元计算模型采用完整的空间薄壁结构。 板壳单元有六个自由度，用板壳单元模拟承受板的受力可以很好的反映板的弯曲变 化，在a n s y s 中认为板的主尺寸与板的厚度之比大于1 0 ：1 时是符合壳的力学假设的， 因此根据闸门的结构形式和受力特点，可以将闸门面板、主横梁、纵梁、边柱、底梁等构 件离散为板壳单元( s h d l 6 3 等) ，单元的划分应使各个部件在相互连接处保持具有共同 的节点，并且在进行单元划分的时候应尽量使板壳单元的长宽比接近于1 ，最大不超过3 ， i - 海人学倾l 。研究生毕业论文 以保证计算结果的正确性1 5 m9 1 。如果用实体单元来模拟的话，由于没有旋转自由度，因 此在厚度方向上一般要有三层单元才能模拟其弯曲变化，这会导致单元太多，不宜采用。 4 1 2 计算载荷 计算荷载主要考虑作用于闸门的水压力和闸门自重。 静水压力按线性分布计算，计算公式为； p = 硝似胁) ( 4 r 1 ) 式中，p 为水的密度( 单位：堙朋3 ) ，g 为重力加速度( 单位：，s 2 ) 。矗为水头高 度( 单位：m ) ，一般定为闸门的设计水头。静水压力的作用范围根据实际工况( 水位 情况等) 来确定。 重力通过施加重力方向的加速度来考虑。 4 2 不考虑腐蚀形态的有限元模型 由于腐蚀形态的多样性和随机性、分布的位置难以逐个精确确定、数据的冗余复杂性 等原因，使得让这些腐蚀特征在有限元模型上实现有一定的难度。一般情况下，计算人员 基于有限元软件自身局限性、工程计算精度要求等原因而往往不去考虑这些腐蚀形态，即 通常都采用不考虑腐蚀形念情况下的有限元模型。 在大量的检测工作中发现，闸门腐蚀量不拒绝正态分布和对数正态分布，而且以正态 分布的拟合度最好。故传统方法中的整体法为了使有限元模型与实际闸门情况逼近相符， 模型中对应闸门构件的实际厚度( 蚀余厚度) 往往取图纸上各构件的实际设计尺寸r 减 去对应各构件的腐蚀平均值( x ) 和一倍的腐蚀标准差( 仃) 。有时视闸门腐蚀的严重 情况也可取实际设计尺寸减去腐蚀平均值( x ) 和三倍的腐蚀标准差( 3 盯) ，也可根据 实际情况对锈蚀较严重的构件取相对合适的蚀余厚度而不必严格依靠上述计算公式。这样 有限元模型计算出来的应力、位移等结果一般较实际情况的要大，使得计算结果偏于安全。 传统方法中还有另外一种计算厚度的取法( 区间法) 根据构件的相对刚度在允许 误差范围内来确定计算厚度。以面板计算厚度确定方法为例唧】。 设闸门面板不同部位的一系列测点的蚀余厚度按升序排列为f i ，f ：，f 。，可以用一 厚度增量f 将实测厚度划分为若干区自j “，f 1 + f ) ，也+ 扯， + 2 f ) ，o 。+ 2 f ， + 3 出) ， 1 4 海人学填1 1 研究生毕业论文 ，“+ 埘f ， + ( m + 1 ) f ) ，如此就可根据实测面板不同部位的蚀余厚度所在的区问， 以该区间的名义厚度作为该部位的计算厚度。为使计算结果偏于安全，各区间的名义厚度 取该区间的左端点。在实际计算时，某测点的实际蚀余厚度f 可能恰好等于f 。+ 怂f ，即它 既是七区间的右端点，又同时是七+ l 区间的左端点，按以上方法，其计算厚度就可以取 + 协一1 ) f ，也可以取f 。+ 尬f ，这就是可能产生的面板刚度的最大误差。针对这种最大