導(dǎo)語(yǔ)：水建筑鋼襯設(shè)計(jì)材料論文一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

三峽二期工程左岸電廠設(shè)有14臺(tái)單機(jī)容量700MW發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量9800MW，根據(jù)壩前河床地勢(shì)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(chǎng)Ⅱ設(shè)置一孔及安裝場(chǎng)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75.00和90.00高程(底坎)，出口分別位于機(jī)組尾水口上方60.50和57.50高程(底坎)，排沙孔軸線長(zhǎng)分別為169.1m和160m，由進(jìn)口漸變段以下全部采用鋼襯砌襯護(hù)。其主要功能為在確保機(jī)組發(fā)電效益條件下，最大限度降低壩前泥沙淤積以及減輕泥砂等懸移質(zhì)對(duì)水機(jī)的磨損。

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(guò)流面可能造成的不利影響，于上游事故檢修門(mén)至弧形工作門(mén)區(qū)段高流速區(qū)采用鋼襯砌保護(hù)。

永久船閘輸、泄水廊道反向弧形工作門(mén)門(mén)井區(qū)段為改善水力學(xué)條件并減輕磨蝕問(wèn)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(mén)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(jiǎn)要介紹鋼襯砌設(shè)計(jì)選材考慮的一些因素和思路。

1過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guò)流面若材料選擇不當(dāng)，因水力學(xué)問(wèn)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(wèn)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(guó)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(guò)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(guò)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(zhǎng)使用壽命，且不致給施工、運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)不便，同時(shí)還要綜合考慮工程造價(jià)是否合理、市場(chǎng)貨源保證是否可靠等因素。通過(guò)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(mén)門(mén)井區(qū)段過(guò)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：

①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。

②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。

③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，最大限度降低了可能產(chǎn)生空化氣蝕問(wèn)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(guò)流面的磨損，達(dá)到延長(zhǎng)使用壽命的目的。

⑤復(fù)合板在沖擊波作用下，通過(guò)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。

⑥過(guò)水道由于水力學(xué)條件復(fù)雜，因而在結(jié)構(gòu)上對(duì)過(guò)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(guò)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(guò)流面后續(xù)的處理工作難度。

⑦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。

⑧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(mén)由于長(zhǎng)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(mén)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(mén)總結(jié)出，類似的部位最好選用不銹鋼襯護(hù)。)

2復(fù)材性能的選擇

一般情況下，水工建筑物之水道過(guò)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?jī)纱笠蛩兀獠恳蛩厝Q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(guò)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(guó)際通行的瑞典SandviK3RE60鋼)不銹鋼，用于水工建筑過(guò)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(mén)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(guó)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(guó)內(nèi)外運(yùn)用復(fù)合板經(jīng)驗(yàn)，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，通過(guò)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(wú)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(mén)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(guò)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(guò)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)合板定尺最大為(寬×長(zhǎng))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(shuō)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?gòu)?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：

②復(fù)材與基材界面結(jié)合率要求達(dá)到100%。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100%；其中單個(gè)未結(jié)合區(qū)面積不大于100cm2，長(zhǎng)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100%超聲波檢測(cè)。

③總厚度允許偏差為±7%，其中復(fù)層允許±9%；定尺長(zhǎng)、寬+200mm；

④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)；

⑦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(cè)，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(guò)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(gòu)參考。

⑨對(duì)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(chǎng)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(wèn)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；并特別關(guān)注周邊復(fù)合界面有無(wú)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(guò)渡層對(duì)接及復(fù)層對(duì)接試焊和必要的性能檢測(cè)。當(dāng)無(wú)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(chǎng)焊接工藝考核或評(píng)議，符合要求后才能開(kāi)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(guò)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(guò)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(chǎng)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(guò)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(kāi)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(zhǎng)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(wèn)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(kāi)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(zhǎng)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)。