浅淡大型弧形闸门支铰地脚螺栓材质的选用.docx

浅淡大型弧形闸门支铰地脚螺栓材质的选用【摘要】水电站大型弧形闸门运行期间受力工况较复杂支铰为弧形闸门传力关键部位弧形闸门承受的水压力通过门叶传到支臂再传到支铰最后通过支铰将力传到牛腿支铰与牛腿通过支铰地脚螺栓连接固定。所以支铰地脚螺栓材料的选用甚为重要既要考虑到螺栓的受力要求还要兼顾材料本身的特性。本文阐述了支铰地脚螺栓材质选用的实例并进一步分析了两种常用材料的选用原则。【关键词】大型弧形闸门支铰地脚螺栓材质选用原则一、引言水电站大型弧形闸门运行期间闸门有局部开启要求有些水电站还存在前后有水和淹没出流工况受力工况较复杂。支铰为弧形闸门传力关键部位弧形闸门承受的水压力通过门叶传到支臂再传到支铰最后通过支铰将力传到牛腿支铰与牛腿通过支铰地脚螺栓连接固定。支铰地脚螺栓材料的选用既要考虑到螺栓的受力要求还要兼顾材料本身的特性。二、支铰地脚螺栓材质的选择弧形闸门在挡水及启闭等工况下（如图1）支铰地脚螺栓主要承受以下荷载：1）框架支铰的侧推力产生的剪应力及弯矩产生的拉应力。2）由支铰反力平等于底板的分力产生的剪应力及弯矩产生的拉应力。3）由支铰摩阻力矩产生的剪力及弯矩产生的拉应力。上述受力荷载为低速重载支铰地脚螺栓要满足拉剪应力共同作用的强度。材料的选用上从材料的化学成分、机械力学性能、焊接性能等几个方面综合考虑。（如图1）根据所接触的弧形闸门工程实例一般选择的材质为16Mn（Q345B＼C）如堵河小漩水电站工程泄水闸弧形工作闸门（闸门尺寸15m*15m单重177t）支铰地脚螺栓只标明了材质为16Mn；有的设计图纸只标明了地脚螺栓的强度要求如潘口水电枢纽工程溢洪道弧形闸门（闸门尺寸20m*20m单重260T）地脚螺栓要求8.8级此强度一般使用40Cr合金钢调质处理有的设计既标明了材质也标明了强度如龙背湾水电站工程表孔弧形闸门（闸门尺寸12m*15m单重160T）地脚螺栓要求强度6.8级以上材质Q345C。一般支铰地脚螺栓材质的选用主要为16Mn和40Cr。三、16Mn和40Cr材料性能比较3.1化学成分和性质3.1.116Mn化学成分16Mn为低合金结构钢（现在的Q345钢）属于低合金高强度结构钢。它具有良好的综合力学性能、焊接性能及低温冲击韧性冷冲压及可切削性均好但其缺口敏感性较碳钢大且易产生裂纹故在加工时应引起注意。其化学成分如下表1：3.1.240Cr化学成分40Cr材料为合金钢属于低淬透性调质钢具有很高的强度力学性能较优材料硬度高、脆性大具有良好的综合机械性能。其化学成分如下表2：钢材的化学成分主要是铁、碳、锰、硅等元素以及硫、磷等有害元素。随着含碳量的增加钢的强度和硬度随之提高而塑性和韧性却不断下降。锰和硅在钢中是有益元素它们可以提高钢的强度而使塑性降低不多同时可以消除硫、氧引起的“热脆”现象。3.2机械力学性能16Mn和40Cr材料机械及物理性能比较表见表3上述表格对比可知调质后的40Cr的抗拉、屈服强度等均高于16Mn但伸长率偏低故用40Cr材质做的地脚螺栓有可能在处于复杂应力状态等诸多不利因数情况下产生低应力脆性断裂。3.3焊接性能钢材焊接性能的好坏主要取决于含碳量的多少钢中含碳量增加淬硬倾向就增大塑性则下降容易产生焊接裂纹。通常把金属材料在焊接时产生裂纹的敏感性及焊接接头区力学性能的变化作为评价材料可焊性的主要指标。所以含碳量越高可焊性越差。含碳量小于0.25%的低碳钢和低合金钢（如16Mn）塑性和冲击韧性优良焊后的焊接接头塑性和冲击韧性也很好。焊接时不需要预热和焊后热处理焊接过程普通简便因此具有良好的焊接性。随着含碳量增加大大增加焊接的裂纹倾向。16Mn含碳量比40Cr低16Mn比40Cr焊接性能好40Cr材料一般需在退火状态下进行焊接还要采取保温措施控制冷却速度焊后还应进行热处理。四、两种材料做地脚螺栓16Mn材料在“毛胚―车丝―表面处理（消除表面缺陷）”的工艺路线下只能够达到5.8级。在经热处理后最高达6.8级。40Cr材料调质后的螺栓强度最高可以达到9.8级。对高强度螺栓来说滚压螺纹是最好选择。滚压螺纹是一种无屑加工工艺螺纹是靠毛坯表面塑性变形而成这种加工工艺生产率高精度可达到4h表面粗糙度可达Ra0.2um滚压螺纹时工件材料纤维不但未被切断反而得到进一步强化滚压螺纹由于加工硬化及表面粗糙度底还可提高疲劳强度由于螺纹是挤压成形的滚压螺纹的坯料直径较切削螺纹的坯料直径小从而可节省16～25