钢闸门材料

2.1　钢闸门材料

钢闸门的主要材料一般采用具有强度高、弹性和塑性性能良好且容易加工和焊接的建筑钢。只有闸门的支承部件或起重的零部件才酌情采用铸钢、锻钢或铸铁。

2.1.1　建筑钢的种类

建筑钢按其化学成分可分为下列两种:

(1)普通碳素钢

该种钢的主要成分为铁和少量的碳。在水工钢闸门中一般采用含碳量低于0.22%的低碳钢，其中最常用的为3号钢(A 3钢，也称之为Q₂₃₅(HPB235))。

(2)普通低合金钢

该种钢除主要含铁和碳外，还含有少量的合金元素如锰、钛、硅等。其合金元素总含量一般不超过3%，故称之为低合金钢。其中最常用的有16锰钢(16Mn钢)。

建筑钢按冶炼方法又可分为平炉钢、侧吹碱性转炉钢以及顶吹氧气转炉钢。按照浇注方法还可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。一般地，闸门及其埋件所采用的钢号会说明它是用什么方法冶炼和浇注的钢。

2.1.2　建筑钢的主要机械性能

建筑钢在常温下单向一次均匀受拉时的机械性能可通过材料力学中所介绍的由单向拉伸试验测得的应力应变曲线(图2-1)来表示。随着荷载的增加，钢的应力、应变间的关系大致可分为:弹性、塑性(屈服)、强化和破坏(颈缩)四个阶段。其中屈服极限(σ_s)、强度极限(抗拉强度)σ_b和伸长率(延伸率)δ_b以及由带缺口试件进行冲击试验所测定的冲击韧性(冲击值)α_k是用来衡量建筑钢强度、塑性和韧性等机械性能的主要指标。

图2-1　3号钢单向拉伸时的应力应变曲线

从低碳钢的拉伸试验曲线，可得到下述重要结论。

2.1.2.1　屈服应力σ_s是钢材的主要强度指标

当荷载增加，使应力达到屈服点时，钢的承载能力暂时已耗尽，应力暂不增加，而应变会继续迅速地增加，出现波浪式的屈服台阶，或称流幅(自ε_s= 0.15%到ε_s'= 2.5%止)。此时结构将因残余(塑性)变形过大而不能正常工作。故设计时常取屈服点应力σ_s为计算应力的极限。

2.1.2.2　强度极限σ_b也是衡量钢材强度的另一指标

在应变超过波浪式的屈服台阶后，它的抵抗能力又有所增强，应力又逐渐回升，即进入所谓强化阶段，最终达到强度极限σ_b后试件才出现局部颈缩而被拉断。由于达到强度极限σ_b时塑性变形太大(ε_b≈16%)，故不能取强度极限σ_b作为设计计算的依据，只能作一种强度储备。对那些没有明显屈服台阶的钢材，一般可近似地取0.6σ_b作为屈服应力。

2.1.2.3　伸长率δ_b是衡量钢材塑性的一个重要指标

在工程中，一般把发生显著塑性变形(δ_b≥5%)以后才断裂的材料称为塑性材料，而在没有显著变形以前(δ_b＜5%)就断裂的材料称为脆性材料。低碳钢的δ_b为20%～30%，它是一种典型的塑性材料。钢材的塑性表示钢材经受很大的变形而不致破坏的能力。钢材在破坏前出现很大的塑性变形，约比其弹性变形(0.15%)大200倍，说明钢结构在破坏前会有十分明显的先兆，来得及防止事故的发生，从而提高了钢结构的安全可靠性。实际上，钢结构极少发生这种塑性破坏。

2.1.2.4　建筑钢兼有良好的弹性和塑性

建筑钢在弹性阶段的比例极限σ_p之前，应力与应变成正比关系，符合胡克定律(即σ= E·ε)。由于屈服点与比例极限较为接近，且这阶段的应变很小，所以在计算其强度时，可近似地将钢的弹性阶段提高到屈服点。同时，又由于低碳钢的流幅较长(可达25%)，塑性变形较大(为20%～30%)，当达到屈服强度σ_s而出现塑性流动时，此种钢就由理想的弹性体转变成近乎理想的塑性体(如图2-2)。因此，低碳钢最接近于理想的弹、塑性体。这就是正在发展的钢结构塑性设计理论的依据。

建筑钢均匀受压与弯曲时也有类似上述受拉时的机械特性。虽然三者的破坏情况并不相同，但都具有相同的屈服强度σ_s、弹性模量E= 2.1×10⁶ kg/cm²= 210GPa和泊松比μ= 0.25～0.3。值得注意的是，此种钢材的剪切强度比拉伸强度低得多，且相应的弹性变形和塑性变形都比拉伸时大。一般剪切的屈服应力为τ_s= 0.58σ_s，剪切弹性模量G= 8.1×10⁵ kg/cm²= 81GPa。

图2-2　理想塑性体的应力应变图

建筑钢受动力荷载(冲击荷载或振动荷载)或处于复杂应力、低温等情况下，常会发生低应力脆性断裂(脆断)。脆断时其应力常小于屈服应力，而且变形极小，但裂缝扩展速度极快(可达1800m/s)。这种脆断对于钢结构的使用是极其不利和危险的，必须引起高度重视。

钢材的脆断同其韧性有着密切的关系，韧性差的钢材在低温或快速加载等不利条件下，常会发生低应力脆性断裂。因此，韧性(冲击韧性)可作为保证承受动荷或低温下的结构安全的一个重要指标。钢材的韧性是钢材断裂前所吸收的能量和开展塑性变形的能力，我国目前常采用带缺口试件被摆锤击断处每单位截面积所需消耗的功——冲击韧性α_k来衡量。由于冲击力或处于低温下的钢材常发生脆断，故冲击韧性可用来鉴定一般均匀连续体钢材的抗脆断性能以及钢材在低温条件下的变脆倾向。也就是说，韧性α_k可作为保证钢结构安全的一个主要指标。

此外，建筑钢的塑性和冷加工性能也可用冷弯试验来检验，经钢材试件冷弯180°出现裂纹为合格。水工钢闸门所用的钢材应保证冷弯试验合格。

2.1.3　化学成分对钢材性能的影响

影响钢材性能的主要内因是钢材内部的组织构造，而钢的组织构造又受到其化学成分的直接影响。因此，钢的化学成分对钢材性能影响很大。下面简单介绍几种常用钢材的主要化学成分及其对钢材性能的影响。

普通碳素钢的化学成分主要是铁Fe和少量的碳C，此外还含有微量的硫S、磷P、氧O、氮N等有害杂质和锰Mn、硅Si、铜Cu等有利元素。

碳C是决定碳素钢的强度的主要因素。当碳含量增多时，钢的强度会随珠光体间层又会阻遏铁素体晶粒的塑性变形，以致降低钢的塑性、韧性和可焊性。为了防止钢的脆断，便于加工，所用钢材应具有良好的塑性、韧性和可焊性。故对焊接结构的钢材，要求含碳量不超过0.20%。

硫S在钢中是有害杂质，它使钢在高温时变脆，称为热脆。磷P的害处是使钢在低温时变脆，称为冷脆。因此，在建筑钢中，应严格限制硫、磷、氧和氮的含量。

锰Mn和硅Si是良好的脱氧剂。锰还能脱硫。硅还能增强钢在自然条件下的抗腐蚀性。锰和硅都能提高钢的强度，而对钢的塑性影响很小。所以，各类钢中均应含有一定数量的锰和硅，但含量也不能过高，否则可能会使钢的晶体粒化，影响其可焊性。若含硅量超过3%，将显著降低钢的塑性。例如，16锰钢是在3号钢具有的化学成分基础上加入适量的锰和硅炼成的，其化学成分为:平均含碳量为0.16%、含锰量为1.2%～1.6%、含硅量为0.2%～0.6%。

铜Cu能提高钢的屈服强度及其在大气中的抗蚀性，但若钢含量过高，在热轧时容易使钢表面发生热脆开裂。此外，对含铜废钢重复炼制时，其所含的铜去不掉，势必越积越多，故从长远看，钢中的铜含量也应加以限制。

2.1.4　建筑钢的可焊性、抗蚀性和防腐蚀措施

建筑钢是一种可焊性能较好的钢材。钢材的可焊性是指在给定的构造形式和焊接工艺条件下获得符合质量要求的焊缝连接的性能。可焊性能差的钢材在焊接的热影响区容易发生脆性裂缝(热裂缝或冷裂缝)，不易保证焊接质量，否则就要采用特定的复杂焊接工艺来保证焊接质量。

钢的可焊性可间接地用钢材的冲击韧性来鉴定。冲击韧性合格的钢材，才容易保证其焊接质量。

水工钢闸门如果系因焊接问题而破坏的话，其主要原因是钢材的可焊性能不好，此外是焊接质量不过关(如焊缝夹渣、气孔、挂滴焊溜、漫溢、咬边、裂纹未熔合、未焊透、漏焊和错台等)。在低温或受动载时发生脆性断裂，或闸门运行时间太长后，焊缝就失去连接作用而导致结构破坏。故对于重要的承受动力荷载的焊接结构和运行时间较长的钢闸门，除对所用钢材进行可焊性鉴定之外，还要定期对钢闸门中的焊缝进行无损探伤检测。

钢的抗腐蚀性能(抗蚀性)，也是水工钢闸门必须注意的问题。钢的抗蚀性能通常要用其平均腐蚀稳定性来衡量。平均腐蚀稳定性是指按试样或成品每年减损厚度的毫米数(mm/a)，或每单位面积每年减损重量的克数(g/m²·a)。

钢铁的腐蚀主要是一种电化学现象。其腐蚀机理是钢表面在潮湿的空气里(或带有水分)易形成电解质溶液薄膜，它跟钢铁中的铁和碳恰好构成电位差不同的两极原电池，从而发生氧化反应。Fe²⁺继续氧化，就形成了Fe(OH)₃，这就是铁锈。钢铁内部含碳和杂质越多，或钢结构表面存在凹槽和狭缝时，易使铁和碳构成原电池，更易于锈蚀。若结构采用两种金属材料连接，则电位较低(活动性较强)的金属容易被腐蚀，如钢闸门中的螺栓连接，单独镀锌的螺栓比不镀锌的螺栓更容易锈蚀。实践证明，钢材在应力状态下的腐蚀速度比无应力状态下要快，这称为应力腐蚀;但钢材在碱性介质(为pH＞11.5)中，其锈蚀速度变得十分缓慢，这是因为在这种介质中能迅速生成一层稳定致密的“钝化膜”，阻止其与电解质的接触，使其电化学反应放慢的缘故。

为了提高水工钢闸门的耐久性，除了在设计管理上要注意在其上采用油漆或喷涂锌层、重要零件采用镀铬等防腐措施外，还要定期对水工钢闸门进行腐蚀状况的检测和处理。

2.1.5　常用建筑钢的钢号

水工钢闸门的门体结构常用的材料有普通碳素钢和普通低合金钢两类。普通碳素钢是以含碳量多少来表示钢号，较适用的钢号有: 0号、2号、3号和5号，其中常用的为3号钢(即Q₂₃₅)。钢号愈高，含碳量愈多，屈服应力和强度极限也愈大，但塑性和韧性愈低，可焊性能愈差，钢的质地较坚硬，不易进行剪切、冲孔、冷弯等加工。尤其是5号钢，含碳量高，可焊性差，一般很少使用。

为了克服钢材强度高、韧性低的矛盾，常采用普通低碳合金钢代替普通碳素钢。列入冶金工业部部颁标准的低碳合金钢钢号有21种。其中16号锰钢以硅、锰为主要合金元素，生产工艺简单，综合性能好，焊接质量稳定，强度较高。

2.1.6　水工钢闸门材料的选用

在钢闸门的设计、维修和加固上均涉及选材问题。水工钢闸门的选材，应根据闸门的结构特点、钢材的特性和生产的实际情况，做到安全可靠和经济合理。选材时主要考虑以下几点:

1.依闸门承受的荷载特性选材

首先区分承受的是动荷还是静荷。对于直接受动力荷载并要求作局部开启的深孔工作闸门，需选用质量较高并具有常温或低温下冲击韧性的附加保证的钢材。对于承受静力荷载的闸门如检修闸门等可选用一般质量的钢材。

2.依闸门的工作温度和所处的环境选材

由于钢材在低温(－20～－40℃)情况下可能产生冷脆断裂，尤其是焊接结构，钢材冷脆倾向更严重，容易引起工程事故，因此，要求处于低温情况下的钢闸门的钢材要具有良好的塑性和低温性能。此外，大多数水工钢闸门浸泡在水下或外露于大气之中，易生锈腐蚀，应选用抗蚀性较好的钢材。

3.依闸门的重要性选材

水工钢闸门是按水利工程的大小和闸门的工作性质来确定其重要性质的。大型工程的工作闸门显然比中小型工程的检修门重要，大型工程中的深孔工作闸门比表孔的检修门重要。因此，应根据闸门的重要性有区别地选用钢材。

我国在钢结构设计规范，特别是在钢闸门设计规范中均明确规定(如表2-1)，普通3号钢(Q₂₃₅)为闸门首选主要钢号。因为3号钢的强度、塑性、韧性以及焊接性能等综合指数都较好，能满足一般钢闸门的要求，所以是最常用的钢号。而16号锰钢的强度高，屈服应力约比3号钢高46%，用之可节约钢材15%～20%，且抗蚀性强，因此，大跨度、重要的闸门最适合选用16号锰钢。

表2-1　闸门及埋件采用的钢号

水工钢闸门支承的零部件常采用钢铸件，如平面钢闸门的支承滚轮，弧形钢闸门的支铰和人字闸门的顶枢和底枢等。常用的材料为ZG45中的Ⅰ级品和Ⅱ级品。支承结构的轮轴和铰轴一般采用锻钢件。常用的材料为35号和45号优质碳素结构钢。

水工钢闸门的原材料中常采用由钢坯热轧制成的钢板、型钢等。常用的轧成钢材在闸门中的用途如下:

(1)厚钢板主要用于闸门的面板及腹板等。

(2)扁钢用于人字钢闸门的斜背拉杆、平面钢闸门横向隔板的下翼缘。

(3)角钢用于人字钢闸门斜背拉杆及闸门的桁架结构。

(4)工字钢用于闸门的框架支臂、人字闸门的接缝柱等。

(5)槽钢用于人字闸门的斜背拉杆、接缝柱、框架支臂及次梁等。