大型船闸人字闸门的塑性疲劳和脆性断裂

1、大型船闸人字闸门的塑性疲劳和脆性断裂汤长书1 曾维2  闫如义1 董国威1(1.长江委设计院；2.长江三峡通航管理局)摘要：大型船闸人字门往往在运行一定时间后局部结构会出现疲劳开裂。甚至在运行还不到2年，顶枢拉杆突然断裂。分析认为，这是塑性疲劳和脆性断裂的表现。造成塑性疲劳和脆性断裂的因素很多，为此着重分析了应力集中和焊接残余应力对结构开裂的影响并提出相应的对策。要控制塑性疲劳和脆断，必须从合理采用冲击韧性较好的钢材，精心设计接头细部，消除焊接残余应力，提高制造安装的质量，加强质量检测等多方面着手，提高人字闸门抗塑性疲劳和脆断的寿命。关键词：大型船闸人字

2、门； 塑性疲劳； 脆断对策中图分类号：U 641                 文献标识码：A前言常见的水工钢闸门，无论是动水还是静水启闭的闸门，对闸门只进行强度、刚度和稳定性的验算，一般不作疲劳验算。但是船闸中使用的人字闸门却不同，船闸每通航一次，人字门就承受一次荷载循环，而且是一次满载到零载又从零载到满载的循环。按平均每日通航20次计算，至少要运行14年后，该循环次数才会大于105，既然荷载循环<105，就可以不考虑高周疲劳

3、。因此，在葛洲坝船闸人字门设计中没有考虑疲劳和脆断。但是，葛洲坝2号和3号船闸运行10年后发现人字门出现焊接裂纹和板材裂纹。按常规，循环次数<105属于低周，低周条件下出现疲劳开裂，显然是在裂缝处存在高应变，低周和高应变两个因素同时存在，便有可能出现塑性疲劳现象。有关脆性断裂的现象可以举两个例子：1982年3月8日葛洲坝2号船闸下闸首左扇人字闸门顶枢A杆突然断裂。另外，在1997年3月的一次检修葛洲坝2号船闸下闸首人字门底止水时，发现右下门的下二横梁下翼缘靠近背拉杆节点板边贴角焊缝处，在-26×400的下翼缘板上出现贯穿性断裂。顶枢A杆断裂前没有明显的塑性变形阶段。断裂的形成与

4、制造加工形成的缺陷，以及运行中曾用人字门过载推砂等因素有关。1 塑性疲劳和工程对策1.1 基本情况在1981年正式投运的葛洲坝2号和3号船闸人字闸门，是我国当时规模最大的人字闸门。3号船闸在1990年船闸定期大修时，首次在下闸首人字门门体结构上发现板材开裂。这次发现的主要情况为：裂纹分布在下闸首人字门的最下部5根主横梁。裂纹分布在门轴柱和斜接柱的主梁上、下翼缘与竖隔板上下翼缘的交接处。共发现25道裂纹。门轴柱的裂纹数与斜接柱的裂纹数基本相同。裂纹都出现在主梁翼缘板上，与水平线约成70°夹角。裂纹一般起始于母材焊接弧坑缺陷处（见图1）。对裂纹的处理措施： 用碳弧气创沿裂纹开出补焊剖口，

5、并用砂轮清除剖口残碴后进行补焊。图1 裂纹位置示意 加焊补强板（见图2），补强板与竖隔板的翼缘同厚，三角形两端带30mm钝边，补强板与主梁翼缘或竖隔板翼缘的连接采用开剖口焊透。1994年2号船闸大修，发现上、下闸首人字门都出现图1所示的裂纹。裂纹分布数量见表1。图2 “补强板”布置图表1  1994年2号船闸大修时发现的上、下闸首人字门裂纹数量(道)上闸首人字门(底部2根梁)下闸首人字门(底部4根梁)左门右门左门右门门轴柱斜接柱斜接柱门轴柱门轴柱斜接柱斜接柱门轴柱上游侧35下游侧35441994年2号船闸大修时，还发现下闸首人字门的防护梁焊接接头处有21道焊缝开裂。这次2号

6、下闸首人字门大修中，对门体裂缝的修补处理的方法与1990年3号下闸首人字门相同(见图2)。事后，于1997年3月3号和2号船闸都进行了抢修，抢修中发现，在1990年和1994年加焊的补强板的外端，主横梁的翼缘板开裂(见图2)。经验证明，用补强板来解决人字门结构局部开裂的方法是不当的，因为开裂的主要原因是形状突变引起应力集中，要消除应力集中就必须避免突变，形成平滑过渡，三角形补强板板端部仍有突变，应力集中仍然存在，所以在形状突变处又开裂。2 对出现裂纹现象的初步认识2.1 荷载产生应力变化的循环次数n工程结构中最常遇到的是高周疲劳，也就是公称循环应力小于材料的屈服应力，疲劳破坏的应力循环次数n1

7、05次，在两个基本条件下的疲劳。然而，如果船闸通航一次人字闸门产生一次应力变化的循环，那么，葛洲坝船闸从1981年开始运行到1990年发现裂纹，则n0.72×105次。从1990年加焊补强板到1997年又发现裂纹，则n0.56×105次。即出现裂纹的应力循环次数n<105次，应属于低周。按高周疲劳的定义，凡结构应力循环次数n<105次，且公称循环应力小于材料的屈服应力，则结构不会因疲劳破坏，即不必按高周疲劳的概念验算结构的疲劳强度。但葛洲坝船闸人字门结构在n<105次时就出现了疲劳开裂。据赴美考察团了解，美国船闸人字门结构亦存在疲劳开裂现象。又据报导，铁门

8、船闸中闸首的工作门是定轮平板钢闸门，自1969年8月开始运行，至今该闸门出现了很多裂纹，有的裂纹出现在结构本体钢板上，为了安全，制订了很严格的补焊工艺，对裂纹进行补焊，但闸门开裂至今没有停止，故巳决定重新设计新的工作门来替代它。看来，在通航船闸中服役的工作闸门，无论是人字闸门还是平板闸门都存在n105次的低周疲劳问题上，须认真研究和妥善处理。2.2 疲劳开裂的外因荷载条件人字闸门的结构和承载特点的是： 裂纹分布在主横梁的两端，无论是门轴柱还是斜接柱都有裂纹，在裂纹的数量上没有明显的差异。这种现象是与人字门挡水时主横梁的受力对主横梁中心线完全对称是一致的，通过有限元计算和水弹性模型试验证实了开关

9、门状态下的门体应力还不到关门挡水时的10%。 葛洲坝船闸人字门结构在设计计算主横梁时，虽然原则上是按等荷载法布置的，但实际上很难办到，尤其是门顶上部其主梁柱结构需要是行了调正。因此，人字门主梁的最大应力都出现在底部第一根至第6根据主梁上，这与葛洲坝2号船闸下闸首底部14梁格发现疲劳开裂的现象是基本一致的。2.3 对低周高应变疲劳(塑性疲劳)的认识上面我们提到人字闸门出现疲劳开裂时n105,属低周不属高周疲劳(n>105)的范畴，根据定义，低周疲劳是经n=102105次循环而产生的疲劳。低周疲劳过程中，应力水平很高，峰值应力进入塑性区，而这种塑性应变已经大到不能忽略不计的程度，故低周疲劳又

10、称应变循环疲劳或塑性疲劳。实际上，低周疲劳只可能出现在某些应力集中区域或焊接残余拉应力已达到或接近屈服极限的区域。要控制人字闸门的塑性疲劳，关键是要弄清楚人字闸门出现疲劳开裂的主要因素。影响焊接结构疲劳强度的因素主要有以下7个方面：应力集中；断面尺寸；表面状态；荷载情况；介质；靠近焊缝区材料性能的改变；焊接残余应力以上7个方面是我们在设计三峡永久船闸人字门时，控制塑性疲劳所考虑的主要问题。本文着重讨论应力集中和焊接残余应力两个因素。2.4 应力集中的影响在焊接结构中，接头部位由于具有不同的应力集中，它们对接头的疲劳强度产生程度不同的不利影响。图1所示是在葛洲坝船闸人字门出现疲劳开裂最多部位。竖

11、隔板的翼缘使主梁翼缘的形状突然改变，必然会引起主梁翼缘产生应力集中。葛洲坝2号船闸下闸首人字门边柱的主梁上翼缘采用了圆弧过渡的设计，在主梁同一截面的下翼缘采用的是图1的形式。显然上游侧的接头形状没有突变，避免了明显的应力集中，而下翼缘却有明显的形状突变，所以存在不利的应力集中。运行十年后该截面的下翼缘有多处疲劳开裂，但在同一截面的上翼缘，由于采用了圆弧过渡，至今都没有发现疲劳开裂。在三峡永久船闸人字门结构设计中，接受了这方面的经验和教训。2.5 焊接残余应力的影响钢结构经过焊接的过程，结构中的焊缝及其附近或另部件都会产生很高的焊接残余应力，但这种应力系内应力，残余拉应力和压应力在结构内部自行平

12、衡，其中焊接残余拉应力甚至可以达到或接近屈服极限。当这种结构承受全压应力循环荷载作用时，达到或接近屈服应力的焊接残余应力与反复出现的荷载作用下的循环工作压应力叠加，于是形成了拉应力的循环，该应力循环的最大应力就是达到或接近屈服极限的焊接残余拉应力，应力幅值等于结构承受荷载时的最大工作压应力值。按这种工作应力与残余应力叠加的原理，很容易解释人字闸门中发现的塑性疲劳裂纹。上述的断裂裂纹紧靠着节点板与翼缘板相联的贴角焊缝趾部，该趾部没有发现明显的焊接缺陷，可以排除因焊缝缺陷导致基本结构疲劳开裂的说法。还要注意，节点板边的贴角焊缝，由于它在焊后的横向收缩，使该贴角焊缝沿线具有横向的焊接残余拉应力，由于

13、结构刚度较大，该处的残余拉应力可能很高，或许达到或接近屈服极限。如果把这么高的残余拉应力与下翼缘在该处的设计荷载循环工作压应力相叠加，则具备了产生塑性疲劳的基本条件，所以不难解释为什么在低周条件下全受压下翼会沿贴角焊缝出现断裂，针对葛洲坝船闸人字门中所发现的问题，在三峡永久船闸人字门设计中，避免了背拉杆节点板与主梁下翼缘搭接的接头，使节点板与下翼缘共面，互相联接时采用对接焊并且平滑过渡的处理方法。2.6 控制人字门结构脆性断裂的对策脆断是由于那些可能引起零部件失事的裂纹突然扩展的结果。脆断的特性主要受额定工作应力水平、材料的韧性和已有裂纹的数量和几何特性等三个主要因素所制约。按概念设计的思路，

14、控制脆断的对策要从以下两个方面去努力：第一是防止脆断的引发；第二是一旦出现小裂纹，所选用的材料能阻止它继续扩展，即具有止裂性。防止脆断引发的有效方法之一是使焊接头具有一定的抗开裂性能，这是因为在焊接接头处钢材受到焊接热循环的影响并易产生焊接缺陷，所以是焊接结构的薄弱环节。焊缝质量包括咬边、欠焊、夹渣、气孔和焊透等缺陷，这些缺陷或者本身就具裂纹的性质，或者能够引发裂纹。这要靠保证施工质量和加强检验来解决。厚钢板的韧性低于薄板，不仅是因为在应力集中条件下厚板切口处沿厚度方向变形受阻从而呈现脆性，还由于厚板轧制的压缩比过小，内部组织不如压缩比大的薄板好，因此厚板机械性能较差，尤其是冲击韧性的差别最为明显。所以，在三峡永船人字门结构设计中尽量避免用厚钢板，非用不可时，则选用转变温度为-20的Q345D、DH32和DH36钢，使之在这一方面有一定的储备。如重要性和顶枢拉杆相同的耳板（即顶