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船闸平面阀门主轨道技术进展
2018-11-29 07:07 中国泵阀第一网 作者:佚名 点击:1733
【中国泵阀第一网 行业论文】主轨道是保证船闸平而阀门正常运行的重要支承部件。近几十年来,主轨道结构形式和选用材料不断改进:结构形式由早期的整体式轨道,到中期的外挂式镶面板可拆卸轨道,再到如今的嵌入式镶面板可拆卸轨道,越来越便于维护;轨道踏面材料也由早期的Q345或ZG270-500等直接磨损,改进为45钢调质作镶面板,再改进为38CrMoA1渗氮作镶面板,耐磨性能逐步增强。

邢述炳,王 进,顾海瑞

( 1中设设计集团股份有限公司,江苏 南京210014,2江苏连云港市航道管理处,江苏 连云港222000,3中国建筑第八工程局有限公司第三建设有限公司,江苏 南京210000)

摘要:主轨道是保证船闸平而阀门正常运行的重要支承部件。评述了近几十年来常见的整体式轨道、外挂式镶而板轨道和嵌入式镶而板轨道的结构形式及其优缺点,分析了低碳钢、铸钢、优质碳素钢、合金钢和激光熔覆层等作为主轨道踏而材料的磨损特性,给出了主轨道结构优化的改进措施和轨道踏而材料的选择方向。

关键词:船闸;平而阀门;主轨道;技术进展;镶而板;可拆卸

平面阀门结构简单、制造方便,中底水头船闸通常采用平面阀门进行输水。主轨道作为平面阀门的主要支承构件,长期裸露并半浸在水中,承受主滚轮较大的压力和冲击力,经过数十年不间断的动水启闭,大多发生严重磨损。

近几十年来,主轨道结构形式和选用材料不断改进:结构形式由早期的整体式轨道,到中期的外挂式镶面板可拆卸轨道,再到如今的嵌入式镶面板可拆卸轨道,越来越便于维护;轨道踏面材料也由早期的Q345或ZG270-500等直接磨损,改进为45钢调质作镶面板,再改进为38CrMoA1渗氮作镶面板,耐磨性能逐步增强。虽然改进后的主轨道在可拆卸及耐磨性方面均有显著提升,但并未完全满足一个大修周期磨损量的规范要求。故研究平面阀门主轨道的改进技术,对提高主轨道的使用寿命、延长船闸大修周期均有重要意义。

1 轨道结构形式的改进

1.1 整体式轨道

整体式主轨道常见于早期船闸,从结构形式上有板材焊接整体式轨道和铸钢件整体式轨道两种。板材焊接整体式轨道通常为“工”字型,上翼缘为踏面,腹板和下翼缘埋入二期混凝土;为了提高轨道的刚度,常把主轨道和门槽护角相连,主轨道与护角之间设置加劲肋,见图1。因为加工方便、造价低廉,此类结构被诸多工程采用,如桂平一线船闸、飞来峡船闸;然而板材一般不耐磨,板材焊接整体式轨道运行几年后大多出现超磨报废情况川,维护时通常采用贴焊钢板或增厚上翼缘钢板的方法,但收效甚微。铸钢件整体式轨道形式上与板件焊接整体式轨道相当,上下翼缘及腹板改为铸钢件,见图2。铸钢件轨道制造时需要单独开模铸造,造价较高,为了降低造价,有时也采用型钢轨道代替,如大源渡二线船闸、株洲二线船闸。

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图1板材焊接整体式轨道

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图2铸钢件整体式轨道

相对板材焊接轨道,铸钢件轨道承压、耐磨及防腐性能大幅增强。即便如此,整体式轨道的缺陷仍很明显:1)整体式轨道的磨损不可逆且非均匀,即使更换主滚轮也无法满足轨道的平面度要求,不平整的轨道面将带来阀门运行时的抖动和异响,无法根除;2)整体式轨道通常不耐磨,而且板材和铸钢件表面热处理相对困难; 3)整体式轨道超磨报废后维护不便,彻底更换需凿除混凝土。

1.2 外挂式镶面板轨道

因为整体式轨道不方便维护,京杭运河苏北段上的船闸从建造伊始,平面阀门主轨道便基本采用可拆卸轨道,见图3。该轨道是以铸钢件为基础的外挂式镶面板轨道,主要由铸钢件基础、镶面板和连接螺栓组成。镶面板上开设沉孔,铸钢基础上攻螺纹,螺栓通过沉孔及螺纹孔将镶面板固定在铸钢基础上。因为铸钢基础上的螺纹孔容易锈蚀导致螺栓松动脱落,该结构逐渐改为板材基础外挂式镶面板轨道,见图。

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图3铸钢基础外挂式镶而板轨道

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图4板材基础外挂式镶而板轨道

板材基础外挂式镶面板轨道主要由焊接箱体、镶面板和连接螺栓等组成。镶面板上开设沉孔,螺栓放入沉孔中将其与箱体上翼缘紧固,镶面板侧的箱体上翼缘上焊接有不锈钢止水板,箱体的外侧板和腹板上均开设安装手孔。此种轨道结构简单,安装方便,无螺纹孔,螺栓通过螺母进行紧固,如刘山复线船闸、淮安三线船闸、盐灌船闸等。但是,由于阀门启闭频繁、水流振动等因素影响,螺栓常常松动甚至导致镶面板脱落阀门无法正常启闭。为防止螺栓脱落,施桥三线船闸、邵伯三线船闸、下坝复线船闸等直接将阀门主轨镶面板焊接在组合工字钢上(图5)。

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.图5 外挂镶而板焊接状态

相对整体式轨道,外挂式镶面板轨道虽然结构可拆卸、便于维修,但仍有许多不足:1)板材焊接工字钢基础,施工中焊接变形较大,运行后轨基磨损严重;2)镶面板开设沉孔后降低了轨道有效踏面宽度,磨损不均匀,沉孔处容易形成磨损突破口,(图6) ; 3)焊接式镶面板轨道,虽然镶面板完整不易脱落,但其材料往往与基础板材不一致,焊接稳定性差,镶面板一旦超量磨损需剔除焊缝进行更换,近似于整体式轨道,维修仍旧不便。

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图6 大修时开沉孔的镶而板磨损

1.3 嵌入式镶面板轨道

因为整体式轨道不便维护、外挂式镶面板轨道容易松动脱落,轨道逐步改进为嵌入式镶面板轨道。该轨道多以工字型铸钢件为基础,工字型上翼缘较厚,开设有U型槽,镶面板改为等腰梯形截面放入槽中,镶面板旁边设置锁定楔块,通过螺栓压紧桦块将镶面板固定在槽中。为了防止镶面板轴向窜动,镶面板端部及轨床对应位置开设键槽安装键,见图7。轨道顶部通过端部挡块限位,端部挡块起始端设有倒角防冲击,见图8。

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图7 铸钢轨床嵌入镶而板式轨道

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图8 轨道端部挡块

嵌入式镶面板轨道较好地解决了外挂式镶面板轨道的螺栓脱落问题,同时方便维修更换。该结构起初用于刘老涧三线、泗阳三线等船闸,再在杨林船闸上进行集中优化,后在高良涧、古泊河等中低水头船闸上得到一进步推广。为了降低铸钢件轨道的造价,铸钢轨道长度通常仅满足一个工作行程;此外,铸钢轨床外伸端止水部分改为焊接钢结构件,单独止水同时斜坡导流,如运东船闸、芒稻船闸(图9)。

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图9 独立止水件嵌入式镶而板轨道

对于中高水头的平面阀门,其轨道尚需结合工程要求加装通气结构(图10)。以贵港二线船闸、清远二线船闸、白石窑一二线船闸为例,这些船闸阀门主轨道在常规的轨道侧将副轨(侧止水预埋件)改进可兼顾侧向通气。此外,止水座板采用复合不锈钢板,不锈钢层贴合牢固,同时方便结构件之间的焊接;为了便于轨道横向及竖向固定,设置地脚螺栓、节间连接螺栓及预埋锚筋等;镶面板和锁定桦块通过T型螺栓压紧固定在U形槽中,螺栓头所在沉孔内部平台设置限位防止螺栓跟转,沉孔外侧设置挡板防止混凝土进入,该结构同时避免了螺栓放置内侧后门槽内部半掏空轨道受力不利的状态。

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图10 止水件兼通气嵌入式镶而板轨道

嵌入式镶面板轨道具有以下优点:1)维护时方便拆卸,无需凿混凝土,维护时间短,可延长大修周期;2)可局部对镶面板进行热处理或更换,达到耐磨防腐的效果,避免整体加工;3)铸钢件锈蚀速度慢,采用不锈钢T型螺栓可保证维修时拆卸方便,避免门槽不利受力状态;4)副轨采用钢结构件造价低,正面不锈钢止水,侧面斜坡导流,中部设置气室与门嵋、闸首顶大气贯通降低门槽气蚀,功能多、效果好。

2 轨道踏面材料的改进

2.1 低碳钢与铸钢

主轨道踏面采用低碳钢或铸钢常见于整体式轨道,低碳钢材料通常采用Q235和Q345两种板材,铸钢材料通常采用ZG270-500和ZG310-570两种。

其中,Q235属于碳素结构钢,屈服强度235 MPa ;Q345属于低合金结构钢,屈服强度345 MPa ;ZG270-500属于中碳铸钢,屈服强度270 MPa,抗拉强度500 MPa ; ZG310-570也属于中碳铸钢,屈服强度310 MPa,抗拉强度570 MPa。

材料是否耐磨主要取决于其表面硬度,Q235和Q345均不耐磨,Q235表面硬度一般不大于HB165,Q345表面硬度一般不大于HB185。

ZG270 500和ZG310 570耐磨性相对好些,ZG270-500铸造后常采用完全退火处理,此时硬度一般不大于HB200 ;  ZG310-570铸造后需正火处理,此时硬度一般在HB235~255。从以往大修时轨道踏面磨损状态来看,铸钢件磨损量明显好于低碳钢板材,但是铸钢需要开模,相对造价较高。低碳钢和铸钢作为整体式轨道踏面,因不便维护,常用于水利或启闭不频繁的水工建筑物中,水运行业使用较少。

2.2 优质碳素结构钢

阀门主轨道采用可拆卸结构之后,镶面板作为轨道踏面的专用零件,其材料最初采用优质碳素钢45调质处理。45钢强度较高,塑性和韧性尚好,切削性良好,调质后具有很好的综合力学性能。常用的镶面板厚度不大于50 mm,此厚度的45钢经调试后硬度范围为HB 207~302,设计时常规定硬度为HB 230~260。

45钢虽然调质后性能较好,但是主轨道工作环境恶劣,长期位于水下,阀门启闭频繁,镶面板表面热处理硬度层一旦破坏将加速磨损。以京杭运

河苏北段船闸为例,经过一个大修周期(10 a左右),抽水检测发现以45钢为材料的镶面板磨损较为严重,磨损量甚至达10 mm以上,见表1

表1京杭运河苏北段船闸一个大修期间45钢主轨镶而板磨损量

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2.3 合金结构钢

为提高镶面板的耐磨性,江苏省内2003年以后的镶面板材料基本由优质碳素钢45调质处理改为合金结构钢38CrMoA1渗氮处理。38CrMoA1是

一种高级氮化钢,具有强度高、耐磨性好、耐疲劳极限高、热处理后尺寸精度高等特征,渗氮后,表面硬度可达HV1000~1200。以苏北地区新建

船闸为例,镶面板材料设计采用38CrMoA1,技术要求调质后硬度达HB280~320,再进行渗氮处理表面硬度大于HV900氮化深度为0.45~0. 60 mm。一个大修周期后,该主轨道的磨损量见表2。

表2苏北地区船闸一个大修期间38CrMoA1主轨镶而板磨损量

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对比表1和表2,以相同水位差的皂河一线及三线船闸为例,当镶面板材料由优质碳素钢45改为合金钢38CrMoA1后,磨损量下降近一半,延长了轨道的使用寿命,但距离规范中一个大修周期轨道磨损量不大于5 mm的要求尚有差距。

2.4 其他材料

激光熔覆是一种表面改性技术,它通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法,在基层表面形成与其为冶金合金的添加熔覆层。针对阀门主轨恶劣的工作环境,镶面板覆层可选钻基合金;为不致使铸钢主滚轮磨损过快,镶面板硬度宜控制在HRC50~55;为不引起过大变形及明显内应力,覆层厚度不宜超过基材5%;此外,为降低生产成本、提高熔覆层力学性能,基材可由38CrMoA1改为45钢。

奥氏体耐磨锰钢、耐磨合金钢、耐磨白口铸铁、耐磨球铁和耐磨钢铁基复合材料等5大系列,是目前我国己形成并适于规模生产的钢铁耐磨材料。Cr25 Mo2W3是一种耐磨白口铸铁,淬回火硬度可达HRC63,具有优异的抗低角度冲刷腐蚀磨损性能,目前被广泛应用矿山机械、水泥机械、煤矿机械,但水运船闸行业尚未涉及。若用该材料替代传统的45钢或38CrMoA1,制作镶面板安装在嵌入式主轨道上可能是一种不错的选择。

3 结论

1)整体式轨道磨损后不便维护,不建议在运行频繁的船闸平面阀门主轨道中使用;当腐蚀条件良好时,可用在检修门槽或运行频率不高的水利行业中使用。

2)可拆卸轨道中,外挂式镶面板连接不牢固,嵌入式相对可靠值得推广使用。为降低铸钢基础的成本,可将基础外伸止水部分改为焊接结构;当中高水头船闸气蚀严重时,该焊接结构还可进一步结合门嵋开设通气结构兼顾导流。

3)镶面板材料不建议使用低碳钢板材、铸钢或优质碳素钢45等,合金钢38CrMoA1渗氮处理基本满足一个大修周期主轨道磨损条件;为进一步提高主轨道的使用寿命,建议主轨道镶面板采用钻基合金激光熔覆技术或其他更耐磨材料。

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(来源:中国泵阀第一网)

本文标签: 船闸 阀门 螺栓 螺母 闸阀 
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