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【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
3.1.1 16Mn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：
3.1.2 40Cr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%。
40Cr材料调质前后力学性能对比见表4
高强度螺栓和普通螺栓最大差别在于其抗拉强度大，表面硬度高，机械性能好，关键在于材料的选择和热处理的不同。高强度螺栓热处理一般指调质处理，即淬火+高温回火。
五、结论
如设计要求支铰地脚螺栓强度在6.8级以下，可选用16Mn材质。如强度要求在8.8级以上，要选用40Cr材质，但必须经过调质处理，且注意支铰地脚螺栓与一期钢筋焊接工艺，要采取保温措施控制冷却速度，焊后还应进行热处理。但一般螺栓安装现场无法做热处理工作，即可在生产螺栓厂家完成普通钢筋与40Cr地脚螺栓的等强焊接（搭接）及热处理工作，在安装现场只需将普通钢筋与一期钢筋按设计要求搭接焊接即可。
【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
3.1.1 16Mn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：
3.1.2 40Cr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%。
40Cr材料调质前后力学性能对比见表4
高强度螺栓和普通螺栓最大差别在于其抗拉强度大，表面硬度高，机械性能好，关键在于材料的选择和热处理的不同。高强度螺栓热处理一般指调质处理，即淬火+高温回火。
五、结论
如设计要求支铰地脚螺栓强度在6.8级以下，可选用16Mn材质。如强度要求在8.8级以上，要选用40Cr材质，但必须经过调质处理，且注意支铰地脚螺栓与一期钢筋焊接工艺，要采取保温措施控制冷却速度，焊后还应进行热处理。但一般螺栓安装现场无法做热处理工作，即可在生产螺栓厂家完成普通钢筋与40Cr地脚螺栓的等强焊接（搭接）及热处理工作，在安装现场只需将普通钢筋与一期钢筋按设计要求搭接焊接即可。