一种平面闸门分布式腐蚀监测系统及闸门强度的评估方法与流程

1.本发明涉及水利水电工程金属结构安全技术领域，尤其是涉及一种平面闸门分布式腐蚀监测系统及闸门强度的评估方法。


背景技术：

2.水利水电工程中的闸门在挡水、泄水、通航中发挥着不可替代的作用。随着巨型水利水电工程和近海工程的不断建设，平面闸门所处的环境条件愈来愈恶劣，闸门结构的腐蚀问题越来越突出。
3.闸门面板、边梁、主梁腹板作为主要承力部件，其腐蚀状态密切关联着结构强度。《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》规定了“闸门门体外观检测应包括门体主要构件及连接螺栓的腐蚀状况”。但在实际工程运行中，几乎没有在闸门上布施腐蚀监测装置，闸门状态只能定期通过检修时人工观测，这种方式一方面不能对闸门获取及时有效的腐蚀和防护状态信息，另一方面对于人难以到达的区域存在检测不全面的局限性。
4.闸门结构破坏通常发生在局部区域，而在闸门设计过程中，通常仅考虑闸门的平均腐蚀程度，而由于闸门构件所处环境条件、受力工况不同，其遭受的腐蚀程度也存在明显差异。因而，在对闸门进行结构强度评估时，仅考虑构件的板厚因均匀腐蚀而均匀减薄是不全面的。通常而言，交替的面板水线区域、主梁腹板的积水区域等是腐蚀较严重区域，需重点关注这些区域的局部腐蚀情况。通过在这些重点关注区域布置腐蚀监测探头，并及时掌握局部腐蚀状态，构建基于蚀余厚度的闸门结构模型，计算结构强度，进而评估闸门的安全状态，就显得十分有必要。


技术实现要素：

5.本发明第一目的在于，提供一种全面且可靠的平面闸门腐蚀监测系统，该监测系统适用于梁格布置于来流迎水侧且顶水封为后止水的平面闸门。
6.为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
7.一种平面闸门分布式腐蚀监测系统，包括多个监测探头、信号线缆、采集器以及工控机；
8.多个监测探头分布式设置在平面闸门面板、主梁腹板以及边梁上；所述监测探头经信号电缆与采集器相连接；所述采集器与工控机相连接，且所述采集器经工控机控制监测探头的采集顺序和采集频率；
9.所述监测探头包括感知元件，所述感知元件上设有腐蚀区和补偿区，所述腐蚀区与补偿区处于相邻区域但两者在空间上隔离；所述腐蚀区裸露，所述补偿区经防腐涂层覆盖；所述腐蚀区探头裸露，用于直接感知腐蚀，所述补偿区探头被防腐涂层覆盖，用于腐蚀区腐蚀深度计算时消除温度的影响。
10.所述感知元件的两端分别连接一根电流信号线，所述腐蚀区和补偿区的两端分别连接一根电压信号线；所述电流信号线、电压信号线与感知元件的连接点包覆防腐涂层；
11.所述感知元件上除腐蚀区、补偿区的表面也覆盖防腐涂层；
12.所述腐蚀区与补偿区的材质相同，初始规格相同，且各自区域上的电压信号线之间的间距也相同。监测探头上感知元件的腐蚀区和补偿区均为长方体形式，即腐蚀区的裸露感知面为矩形，腐蚀区和补偿区的剖面也为矩形，且腐蚀区和补偿区的感知元件具有相同的初始电压信号线间的距离、横截面宽度和厚度。
13.在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
14.作为本发明的一种优选技术方案：所述监测探头还包括固定垫板，所述固定垫板上设置感知元件，所述固定垫板经固定螺栓固定至平面闸门面板、主梁腹板或者边梁上。
15.作为本发明的一种优选技术方案：所述感知元件的材质与闸门的材质相同，以使得相同温度下，感知元件与闸门之间具有相同的电阻率。
16.作为本发明的一种优选技术方案：所述监测探头通过如下方法实现腐蚀深度的测量：
17.通过采集器对监测探头上感知元件两端的电流信号线输入激励电流，通过感知元件上腐蚀区两端的电压信号线获取腐蚀区的电压值，通过感知元件上补偿区两端的电压信号线获取补偿区的电压值，再通过欧姆定律得到两个区域的电阻值。
18.作为本发明的一种优选技术方案：所述方法进一步包括：
19.若感知元件上腐蚀区发生腐蚀深度为x时，其电阻值r
cor
为：
[0020][0021]
其中，ρ(t)是监测探头上感知元件的电阻率，l为感知元件上腐蚀区两端的两根电压信号线间的距离，w为感知元件的横截面宽度，d为感知元件的厚度；
[0022]
补偿区没有腐蚀发生，其电阻值r
ref
可表示成：
[0023][0024]
通过计算感知元件上腐蚀区和补偿区的电阻比，可以得到腐蚀深度x为：
[0025][0026]
作为本发明的一种优选技术方案：所述信号电缆通过主梁腹板的排水开孔和/或边梁翼缘开槽，以避免信号线缆与闸门梁格的干涉。
[0027]
作为本发明的一种优选技术方案：所述信号线缆设置在检修平台处布置的收放线缆装置上，且收放线缆装置与固定卷扬机具有相同的启闭速度，以避免在启闭过程中信号电缆与卷扬机钢丝绳、拉杆箱和梁格的干涉。
[0028]
作为本发明的一种优选技术方案：所述监测探头在平面闸门面板、主梁腹板以及边梁上的分布数量均不少于三个；
[0029]
在来流侧面板的上部、中部、底部区域分别布置监测探头，且尽量选择布置于跨中区域；选择一侧边梁的上部、中部、底部区域分别布置监测探头；选择上部、中部、底部区域的主梁腹板分别布置监测探头；
[0030]
若闸门高度较大，可增加面板、主梁腹板和边梁在竖直方向的监测探头布置点，且保证等间距布置；
[0031]
若闸门跨度较大，可增加主梁腹板在水平方向的监测探头布置点，且保证等间距布置。
[0032]
本发明还有一个目的在于，提供一种基于前文所述的平面闸门分布式腐蚀监测系统的闸门局部蚀余厚度的强度评估方法。
[0033]
为此，本发明的上述目的通过如下技术方案实现：
[0034]
基于前文所述的平面闸门分布式腐蚀监测系统的闸门局部蚀余厚度的强度评估方法，包括如下步骤：
[0035]
s1、根据平面闸门面板、主梁腹板、边梁所对应的水压力分布特点，选取腐蚀监测探头传感器的布置测点；
[0036]
第一、由于闸门受到的水压力与水深成正比，因而在闸门面板和边梁的竖直方向上，监测探头均等间距布置，且应尽量布置于所在梁格的中间位置；
[0037]
第二、在主梁腹板的竖直方向上，监测探头等腹板数量布置，且探头布置于腹板的向上侧；
[0038]
第三、在闸门面板和主梁腹板的水平方向上，监测探头均等间距布置，且应尽量布置于所在梁格的中间位置；
[0039]
s2、通过工控机控制采集器，监测腐蚀监测系统的电压信号；
[0040]
s3、基于电压信号计算各测点的腐蚀深度；
[0041]
为了提高腐蚀深度的测量精度，一方面，选取高精度的电压测试模块；另一方面，为了为了消除热电动势和附加电势的影响，将方波形式的交变激励电流通入腐蚀区和补偿区，在一个测量周期中，分别测量正向激励电流(v

)和反向激励电流(v-)产生的电位信号，并使用两者平均值(u)作为腐蚀深度计算时的电压信号，电压信号满足下式：
[0042][0043]
s4、基于计算得到的闸门各局部区域腐蚀深度，评估闸门腐蚀风险区；即基于腐蚀深度，可根据《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》和《水运工程水工建筑物检测与评估技术规范》初步判定闸门的局部腐蚀程度。
[0044]
s5、基于各局部区域的腐蚀深度结果，折算闸门各板材的蚀余板厚d：
[0045]
d＝d
0-x
[0046]
其中，d0为初始板厚；由于监测探头等间距布置，可以定义以监测探头布置点两侧共半间距长度的板材均为该蚀余板厚；
[0047]
若感知元件上腐蚀区发生腐蚀深度为x时，其电阻值r
cor
为：
[0048][0049]
其中，ρ(t)是监测探头上感知元件的电阻率，l为感知元件上腐蚀区两端的两根电压信号线间的距离，w为感知元件的横截面宽度，d为感知元件的厚度；
[0050]
补偿区没有腐蚀发生，其电阻值r
ref
可表示成：
[0051][0052]
通过计算感知元件上腐蚀区和补偿区的电阻比，可以得到腐蚀深度x为：
[0053][0054]
s6、基于蚀余板厚，构建闸门有限元模型；
[0055]
s7、开展蚀余闸门的有限元数值计算；
[0056]
s8、基于有限元计算结果，评估闸门剩余强度；局部结构的剩余强度σ满足下式，则为结构安全；反之，则结构不安全；
[0057]
σ《[σ]
[0058]
其中，σ为局部结构的剩余强度，[σ]为结构材料的容许应力。
[0059]
本发明提供一种平面闸门分布式腐蚀监测系统及闸门局部蚀余厚度的强度评估方法，所述平面闸门分布式腐蚀监测系统包括监测探头、信号电缆、采集器和工控机；所述腐蚀监测系统适用于梁格布置于来流迎水侧且顶水封为后止水的平面闸门，所述腐蚀监测系统的监测探头布置于闸门面板、主梁腹板和边梁位置；此外，本发明还基于分布式平面闸门腐蚀监测系统提出基于局部腐蚀的强度评估方法，通过监测得到的闸门面板、主梁腹板、边梁的腐蚀深度，构建基于剩余板厚的闸门结构模型，开展有限元数值计算，得到腐蚀发生后闸门的应力应变分布，进而评估闸门剩余强度。本发明所提出的平面闸门分布式腐蚀监测系统及闸门局部蚀余厚度的强度评估方法，可以填补水利水电工程中闸门腐蚀监测不足，完善了闸门结构的安全监测和评估体系；本发明考虑了闸门结构的非均匀腐蚀分布特点，结构评估充分结合了闸门面板、边梁和主梁腹板等主要构件的腐蚀状态；本发明提出基于电阻温度补偿的腐蚀监测方法，具有较高的测量精度，且不受限于环境条件，无论是潮湿大气，或是浸没溶液，或是干湿交替区域均可以监测得到腐蚀数据。
附图说明
[0060]
图1为本发明所提供的平面闸门分布式腐蚀监测系统的组成示意图；
[0061]
图2为来流方向示意及闸门监测探头布置图(监测探头位置如黑色三角形布置点所示，来流方向如箭头方向所示)；
[0062]
图3为平面闸门面板上腐蚀监测探头的布置图；
[0063]
图4为主梁腹板上腐蚀监测探头的布置图；
[0064]
图5为本发明所提供的腐蚀监测探头结构；
[0065]
图6为本发明所提供的腐蚀监测探头上感知元件的示意图；
[0066]
图7为本发明所提供的腐蚀监测探头上感知元件的俯视图；
[0067]
图8为本发明所提供的腐蚀监测探头上感知元件的纵剖图；
[0068]
图9为本发明所提供的闸门局部蚀余厚度的强度评估方法的流程图示；
[0069]
图中：1-监测探头；2-信号电缆；3-采集器；4-工控机；11-腐蚀区；12-补偿区；13-环氧包覆层；14-固定螺栓；15-固定垫板；16-电流信号线；17-电压信号线。
具体实施方式
[0070]
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
[0071]
如图1所示，一种分布式平面闸门腐蚀监测系统，包括监测探头1、信号电缆2、采集器3和工控机4。如图2、图3和图4所示，均为一种梁格布置于来流迎水侧且顶水封为后止水
的平面闸门及监测探头布置图，s为来流方向，监测探头1为分布式布置，即布置于面板(ni)、主梁腹板(li)和边梁(mi)三类位置；分布式布置的监测探头通过信号电缆与采集器相连；采集器通过工控机控制监测探头的采集顺序和采集频率。
[0072]
监测探头在面板、主梁腹板、边梁处的布置数量均不少于三个，即在来流侧面板的上部、中部、底部区域分别布置监测探头，且尽量选择布置于跨中区域；选择一侧边梁的上部、中部、底部区域分别布置监测探头；选择上部、中部、底部区域的主梁腹板分别布置监测探头。若闸门高度较大，可增加面板、主梁腹板和边梁在竖直方向的监测探头布置点，且保证等间距布置；若闸门跨度较大，可增加主梁腹板在水平方向的监测探头布置点，且保证等间距布置。
[0073]
如图5所示，为一种腐蚀监测探头结构形式。监测探头包括腐蚀区11、补偿区12、环氧包覆层(也即是防腐涂层)13、固定螺栓14、固定垫板15、电流信号线16、电压信号线17；腐蚀区11和补偿区12为监测探头的相邻区域，即腐蚀区11和补偿区12同属一个感知元件；监测探头的感知元件材质与闸门的板材一致，即相同温度下具有相同的电阻率。
[0074]
如图6所示，监测探头1共连接有6根监测信号线，包括腐蚀区和补偿区两端各焊接1根电压信号线17，以及监测探头两端的各1根电流信号线16。
[0075]
监测探头1的腐蚀区11和补偿区12的感知元件均为长方体形式，即腐蚀区11的裸露感知面为矩形，腐蚀区11和补偿区12的剖面也为矩形，且腐蚀区11和补偿区12的感知元件具有相同的初始电压信号线间的距离、横截面宽度和厚度。
[0076]
腐蚀区11裸露，用于直接感知腐蚀，补偿区12被防腐涂层覆盖，用于腐蚀区腐蚀深度计算时消除温度的影响。
[0077]
环氧包覆层(防腐涂层)13一方面将电压信号线17及电流信号线16与感知元件的焊接点包覆起来，形成监测探头的支撑结构；另一方面也将补偿区的所有表面包覆起来，以隔绝补偿区12与腐蚀介质接触从而避免补偿区12发生腐蚀。
[0078]
监测探头上的4根电压信号线17和2根电流信号线16共同组成了信号电缆2，信号电缆满足防水抗压要求。
[0079]
信号电缆2在闸门上通过主梁腹板的排水开孔和边梁翼缘开槽，避免了与闸门梁格的干涉。在启闭过程中，监测探头信号电缆通过检修平台处布置的收放线缆装置，与固定卷扬机具有相同启闭速度，避免了启闭过程中信号电缆与卷扬机钢丝绳、拉杆箱和梁格的干涉。
[0080]
采集器3和工控机4放置于启闭机房或金属结构安全监测控制室内。
[0081]
如图7和图8所示，a为腐蚀区，b为补偿区，监测探头腐蚀深度的测量方法为通过采集器3对监测探头1两端的电流信号线输入激励电流(i
in
/i
out
)，通过腐蚀区两端的电压信号线获取腐蚀区的电压值(u1)，通过补偿区两端的电压信号线获取补偿区的电压值(u2)，再通过欧姆定律得到两个区域的电阻值。
[0082]
若腐蚀区发生腐蚀深度为x时，其电阻值r
cor
为：
[0083][0084]
其中，ρ(t)是监测探头的电阻率，l为感知元件两根电压信号线间的距离，w为感知元件横截面宽度，d为感知元件的厚度。补偿区没有腐蚀发生，其电阻值r
ref
可表示成：
[0085][0086]
通过计算腐蚀区和补偿区的电阻比，可以得到腐蚀深度x为：
[0087][0088]
如图9所示，一种依据闸门腐蚀监测结果的、基于闸门局部蚀余厚度的强度评估方法，其步骤如下：
[0089]
s1、根据闸门面板、主梁腹板、边梁所对应的水压力分布特点，选取腐蚀监测探头传感器的布置测点。在监测探头布置原则上，第一，由于闸门受到的水压力与水深成正比，因而在闸门面板和边梁的竖直方向上，监测探头均等间距布置，且应尽量布置于所在梁格的中间位置；第二，在主梁腹板的竖直方向上，监测探头等腹板数量布置，且探头布置于腹板的向上侧；第三，在闸门面板和主梁腹板的水平方向上，监测探头均等间距布置，且应尽量布置于所在梁格的中间位置。
[0090]
s2、通过工控机控制采集器，分别监测腐蚀监测系统中腐蚀区和补偿区两端的电压信号。
[0091]
s3、基于电压信号计算各测点的腐蚀深度。为了提高腐蚀深度的测量精度，一方面，选取高精度的电压测试模块；另一方面，为了为了消除热电动势和附加电势的影响，将方波形式的交变激励电流通入腐蚀区和补偿区，在一个测量周期中，分别测量正向激励电流(v

)和反向激励电流(v-)产生的电位信号，并使用两者平均值(u)作为腐蚀深度计算时的电压信号，电压信号满足下式：
[0092][0093]
s4、基于计算得到的闸门各局部区域腐蚀深度，评估闸门腐蚀风险区。即基于腐蚀深度，可根据《水工钢闸门和启闭机安全检测技术规程》和《水运工程水工建筑物检测与评估技术规范》初步判定闸门的局部腐蚀程度。
[0094]
s5、基于各局部区域的腐蚀深度结果，折算闸门各板材的蚀余板厚(d)，即
[0095]
d＝d
0-x
[0096]
其中，d0为初始板厚。由于监测探头等间距布置，因而可以定义以监测探头布置点两侧共半间距长度的板材均为该蚀余板厚。
[0097]
s6、基于蚀余板厚，构建闸门有限元模型。
[0098]
s7、开展蚀余闸门的有限元数值计算。
[0099]
s8、基于有限元计算结果，评估闸门剩余强度，即局部结构的剩余强度满足下式，则为结构安全；反之则结构不安全。
[0100]
σ《[σ]
[0101]
其中，σ为局部结构的剩余强度，[σ]为结构材料的容许应力。
[0102]
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。