胡木生，再麗娜

(1.水利部 水工金屬結構質量檢驗測試中心， 河南 鄭州 450044； 2.水利部 綜合事業(yè)局，北京 100053)

水工金屬結構主要包括閘門、閥門、攔污柵、壓力鋼管、清污機、啟閉機和升船機等，是水利水電工程重要的組成部分，擔負著工程的防洪、灌溉、引水發(fā)電、供水、航運等控制任務[1-3]。鑒于水工金屬結構在水利水電工程中的重要作用，國家歷來重視其質量監(jiān)督管理工作。近年來，為落實簡政放權、放管結合、優(yōu)化服務的部署和要求，水工金屬結構相關產品的行政審批制度發(fā)生了較大變化；并且，隨著經濟社會的飛速發(fā)展和科學技術的日新月異，水工金屬結構相關的技術標準、檢測技術和在線監(jiān)測保障手段也有了不同程度的提高。

1 管理現(xiàn)狀

1.1 水工金屬機構生產許可證管理

根據(jù)《中華人民共和國工業(yè)產品生產許可證管理條例》，原國家質量技術監(jiān)督局于2001年10月10日頒布《水工金屬結構產品生產許可證換(發(fā))證實施細則》，并經2007年、2011年和2016年三次修訂實施。2016版《水工金屬結構產品生產許可證實施細則》規(guī)定，水工金屬結構發(fā)證范圍為水利水電工程上使用的產品；產品單元分為閘門、閥門、壓力鋼管和清污機四種，其中閘門單元包括平面閘門、攔污柵、人字閘門和弧形閘門四個品種，閥門單元包括球閥、蝶閥和錐形閥三個品種，壓力鋼管單元包括鋼管、岔管和伸縮節(jié)三個品種，清污機單元包括回轉式清污機和耙斗式清污機兩個品種；閘門、閥門、壓力鋼管三個單元的產品規(guī)格為超大型、大型、中型和小型，清污機單元的規(guī)格僅有大型、中型和小型。

截至2018年5月底，水工金屬結構產品共有獲證企業(yè)407家，企業(yè)遍布全國(如圖1所示)，生產企業(yè)較多的省份有江蘇、河北、四川、云南、廣東等。據(jù)統(tǒng)計，全行業(yè)2016年度產值約356億元，其中小型企業(yè)(年產值5,000萬元以下)約占50%，中型企業(yè)(年產值5,000萬元至1億元)約占14%，大型企業(yè)(年產值1億元以上)約占36%[4]。

圖1獲證企業(yè)各省分布情況

目前，按照《國務院關于調整工業(yè)產品生產許可證管理目錄和試行簡化審批程序的規(guī)定》(國發(fā)〔2017〕34號)，水工金屬結構是國家質檢總局繼續(xù)實施工業(yè)產品生產許可證管理的19類產品之一。根據(jù)最新行政審批改革精神，水工金屬結構工業(yè)產品生產許可證將要被取消，具體行政許可取消后的事中事后監(jiān)督管理措施正在商擬中。

1.2 水利工程啟閉機事中事后監(jiān)督管理

國務院于2017年9月29日下達《關于取消一批行政許可事項的決定》(國發(fā)〔2017〕46號)，水利部在2018年1月3日發(fā)布《關于取消水利工程啟閉機使用許可證核發(fā)后加強事中事后監(jiān)管的通知》(水建管〔2018〕1號)，決定取消水利部實施的“水利工程啟閉機使用許可證核發(fā)”行政許可事項。取消該項行政審批后，國務院要求水利部應從“完善水利工程啟閉機技術標準，明確質量標準和檢測要求。建立健全水利工程啟閉機‘雙隨機、一公開’抽查制度，加大對水利工程啟閉機生產企業(yè)違法行為的處罰力度，加快信用體系建設，建立水利工程啟閉機管理信息數(shù)據(jù)庫，建立信息聯(lián)動和聯(lián)合懲戒機制。研究制定啟閉機安裝使用、確保水利工程安全運行的辦法，明確使用單位的責任要求，包括要求啟閉機在安裝前須進行質量檢測，合格后方可安裝；完善啟閉機安裝后的試運行驗收程序等。強化水利工程驗收關，對啟閉機運行與水利工程進行整體把關，確保水利工程質量安全”等方面加強事中事后監(jiān)管工作。

按照國務院的相關要求，結合水行政管理工作實際，水利部及時開展了水利水電工程啟閉機事中、事后監(jiān)督管理政策研究工作，并分別于2017年和2018年實施了“水利工程啟閉機事中、事后監(jiān)管對策研究”和“水利工程產品質量監(jiān)督”財政預算項目，研究制定了《水利水電工程啟閉機事中事后監(jiān)督檢查“雙隨機一公開”工作實施細則》(草案)和《取消水利工程啟閉機使用許可證核發(fā)行政審批后的事中事后監(jiān)管措施》(草案)，提出了水利水電工程啟閉機事中事后監(jiān)管的方法和手段，并著手建立水利工程啟閉機信息管理平臺等數(shù)據(jù)庫。

1.3 特種設備許可管理

根據(jù)《特種設備安全監(jiān)察條例》，并經國務院批準，原國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局于2004年1月19日發(fā)布了《關于公布<特種設備目錄>的通知》(國質檢鍋〔2004〕31號)，將水利水電工程中的電站橋式起重機、水電站門式起重機、電站門座起重機、纜索起重機和升船機1個種類4個類別5個品種的起重機械納入特種設備目錄管理。

經國務院批準，原國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局于2014年10月30日發(fā)布《關于修訂<特種設備目錄>的公告》(2014年第114號)，并于2014年12月29日發(fā)布《關于實施新修訂的<特種設備目錄>若干問題的意見》(國質檢特〔2014〕679號)，明確了新目錄與原目錄中特種設備的類別和品種名稱變化的對應關系，指出了新目錄中橋式起重機類別的通用橋式起重機品種、門式起重機類別的通用門式起重機品種和門座式起重機類別的門座起重機品種分別合并了原目錄的電站橋式起重機品種、水電站門式起重機品種和電站門座起重機品種；纜索起重機類別修訂為纜索式起重機類別，不再細分品種；在新目錄升降機類別中刪除了升船機品種。

2 技術標準制定修訂狀況

水利部于2014年發(fā)布了新版《水利技術標準體系表》，共收錄了788項水利技術標準[5]，其中水工金屬結構技術標準在原51項的基礎上合并修訂為34項。自新版《水利技術標準體系表》發(fā)布至今，水利部已對原水工金屬結構技術標準進行了大量的合并修訂工作。目前，已完成合并修訂并正式發(fā)布的有《水工金屬結構焊接通用技術條件》(SL 36—2016)、《水工金屬結構聲發(fā)射檢測技術規(guī)程》(SL 751—2017)和《水工金屬結構振動時效及效果評定》(SL 749—2017)等；正在合并修訂的有《水工鋼閘門和啟閉機安全運行規(guī)程》、《水工金屬結構制造安裝質量檢驗通則》、《水工金屬結構安全檢測與評價技術規(guī)程》、《水工金屬結構T形接頭角焊縫和組合焊縫超聲檢測方法和質量分級》和《水工金屬結構殘余應力測試方法》等。

按照水利技術標準制定修訂規(guī)劃，新《水工金屬結構焊接通用技術條件》合并了原擬制的《水利工程高強鋼焊接技術規(guī)程》部分內容，新《水工金屬結構振動時效及效果評定》合并了原《水工金屬結構振動時效效果評定方法》和《水工金屬結構振動時效工藝參數(shù)選擇及技術要求》，新《水工鋼閘門和啟閉機安全運行規(guī)程》將合并原《水工金屬結構報廢標準》的部分內容，新《水工金屬結構制造安裝質量檢驗通則》將合并原《水工金屬結構三維坐標測量技術規(guī)程》，新《水工金屬結構安全檢測與評價技術規(guī)程》將合并原制定的《水工金屬結構振動測試技術規(guī)程》和《水工金屬結構應力測試技術規(guī)程》、原擬制的《水工金屬結構原型觀測技術規(guī)程》和《水利工程啟閉機安全監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范》以及原《水工金屬結構報廢標準》的部分內容；新《水工金屬結構殘余應力測試方法》將合并原《鉆孔應變法測量殘余應力的標準測試方法》、《水工金屬結構殘余應力測試方法-X射線衍射法》和《水工金屬結構殘余應力測試方法—磁彈法》。

3 檢測技術進展

3.1 檢測分類

水工金屬結構檢測的分類方法很多，按照檢測目的，水工金屬結構檢測可簡單分為行政許可檢測、出廠檢測、安全檢測和專項檢測四類。由于專項檢測的目的、范圍和依據(jù)各不相同，本文不再贅述。

3.1.1 行政許可檢測

行政許可檢測是指在實施水工金屬結構行政審批過程中，負責檢驗的專業(yè)機構及其工作人員按照法律、法規(guī)、規(guī)章以及標準、技術規(guī)范的規(guī)定開展的工作。水工金屬結構行政許可檢測的依據(jù)為《水工金屬結構產品生產許可證實施細則》以及該細則規(guī)定的產品標準和相關標準。

需要指出的是，按照《水工金屬結構產品生產許可證實施細則》的規(guī)定，水工金屬結構閘門單元的產品標準為《水利水電工程鋼閘門制造、安裝及驗收規(guī)范》GB/T 14173—2008，閥門單元的產品標準為《大中型水輪機進水閥門基本技術條件》(GB/T 14478—2012)和《錐形閥參數(shù)、型式與技術條件》(SL 498—2010)，壓力鋼管單元的產品標準為《水電水利工程壓力鋼管制作安裝及驗收規(guī)范》(GB 50766—2012)、《水利工程壓力鋼管制造安裝及驗收規(guī)范》(SL 432—2008)和《金屬波紋管膨脹節(jié)通用技術條件》(GB/T 12777—2008)，清污機單元的產品標準為《水利水電工程清污機型式基本參數(shù)技術條件》(SL 382—2007)。

3.1.2 出廠檢測

出廠檢測包括制造質量檢測和安裝質量檢測。制造質量檢測是指產品在出廠之前，為保證出貨產品滿足客戶品質要求所進行的檢驗。同理，安裝質量檢測是指產品在安裝完成后，投入使用前，為保證安裝質量滿足客戶品質要求所進行的檢驗。出廠檢測的依據(jù)是合同文件和產品標準。

雖然在實施工地安裝質量檢測的同時可檢驗部分制造質量檢測項目，但由于工地現(xiàn)場條件的限制，以及產品制造安裝的工序要求，部分檢測項目在安裝工況時不具備復現(xiàn)性，所以，水工金屬結構的制造質量檢測和工地安裝質量檢測是兩個獨立的檢驗階段，不可混淆。

3.1.3 安全檢測

安全檢測是指利用儀器設備，對在役設備進行檢驗或測定，判別其運行狀態(tài)的活動。當前，水工金屬結構安全檢測的主要依據(jù)有《水工鋼閘門和啟閉機安全檢測技術規(guī)程》(SL 101—2014或DL/T 835—2003)和《壓力鋼管安全檢測技術規(guī)程》(DL/T 709—1999)以及特定工程使用的《三峽船閘設施安全檢測技術規(guī)程》(JTS 196—5—2009)等技術標準規(guī)范。

3.2 檢測技術進展

近年來，水工金屬結構的檢測儀器向著高精度、智能化、快速敏捷及實用化的方向飛速發(fā)展，在材料檢測、幾何尺寸與形位公差檢測、無損檢測、應力檢測和振動檢測等方面的檢測技術手段有了極大提高。

3.2.1 材料檢測

如果材料質量不符合要求，可能會造成水工金屬結構構件的過早失效，將會帶來嚴重的工程事故。作為制造質量控制的一個關鍵環(huán)節(jié)，生產前對原材料進行檢測是非常必要的。材料檢測涉及對材料的力學性能試驗、化學成分分析、金相分析、無損探傷和環(huán)境模擬測試等方面的內容。

材料的力學性能是指材料在不同環(huán)境下，承受各種外加載荷時所表現(xiàn)出的力學特征，常見的力學性能試驗有拉伸、沖擊、彎曲、布、洛、維硬度、耐磨、疲勞等。材料的化學元素種類和配比的不同直接決定了材料是否能通過后續(xù)的處理而達到要求，常見的化學成分分析有電感耦合等離子體發(fā)光光譜分析、直讀光譜分析、手工化學分析等。材料的金相分析包括各種相的組成及分布、相關的鑄造和焊接缺陷等，常用的分析設備有體視顯微鏡和金相顯微鏡等。無損探傷是檢驗原材料完整性的必備手段，是避免不合格的原材料用到工程的最有效手段之一，常見的檢測項目有視覺和光學檢測、X射線檢查、磁粉探傷、超聲檢測、滲透檢測等。環(huán)境模擬測試主要是通過加快暴露周期或模仿環(huán)境條件，按照潛在壽命、外觀、相關應力、材料相互作用等來評估材料的反應，常見的有鹽霧試驗、循環(huán)試驗、耐候性試驗等。

3.2.2 幾何尺寸與形位公差檢測

正確檢測幾何形狀與形位公差的特征值，是正確描述水工金屬機構表面狀態(tài)的基本方法依據(jù)，也是衡量水工金屬結構制造安裝質量的最基本指標之一。隨著我國高壩大庫的不斷興建，水工金屬結構制造安裝水平的不斷提高[6]，其幾何尺寸與形位公差的檢測難度也越來越大。

水工金屬結構的幾何尺寸與形位公差檢測，已從傳統(tǒng)的鋼卷尺、千分尺和百分表等，逐步過渡到基于坐標和圖像技術，面向任務的高精度、自動化測量的三維坐標測量技術發(fā)展。三維坐標測量技術首先將檢測對象的各種幾何元素的測量轉化為對這些元素的點集坐標位置的測量，在測得這些點集的坐標位置后，再由軟件按一定的評定準則算出這些幾何元素的尺寸、形狀、相對位置等[7]。這一工作原理，使三維坐標測量技術具有很強的通用性與靈活性，從原理上說，它可以測量任何工件的任何幾何元素的任何參數(shù)。三維坐標測量技術在水工金屬機構制造安裝、原型觀測、故障診斷和變形測量中有著廣泛的應用，如新疆雅瑪渡電站壓力鋼管變形測量、蜀河電站閘門原型觀測試驗變形測量等。目前，成熟的三維坐標測量儀器有工業(yè)大尺寸三坐標測量系統(tǒng)、便攜式三維攝影測量系統(tǒng)、大尺度激光跟蹤測量系統(tǒng)、激光掃描測量系統(tǒng)和高精度三坐標測量機、關節(jié)臂測量系統(tǒng)等。

3.2.3 無損檢測

無損檢測是指在不損害或不影響被測對象使用性能，不傷害被檢測對象內部組織的前提下，對試件內部缺陷和表面缺陷進行檢查和測試的方法。常見的無損檢測方法有目視檢測(VT)、超聲波檢測(UT)、射線檢測(RT)、磁粉檢測(MT)、滲透檢測(PT)、渦流檢測(ECT)、聲發(fā)射檢測(AE)、超聲波衍射時差法(TOFD)、相控陣檢測(PAUT)和導波檢測等。

VT主要用于材料表面缺陷和焊縫外觀質量檢測。四大常規(guī)檢測中的UT、RT適用于內部缺陷檢測，MT和PT適用于表面缺陷檢測。ECT不需與被測物直接接觸，可進行導電材料表面和近表面缺陷的高速自動化檢測。AE主要用于檢測在用設備的缺陷發(fā)展情況，已被廣泛應用于水利水電工程壓力鋼(岔)管的水壓試驗安全監(jiān)控。TOFD的檢測圖像直觀、缺陷檢出能力極強，有逐漸取代RT的趨勢。PAUT解決了立體、厚板和復雜結構焊縫檢驗的難題，是目前對形狀不規(guī)則的T、K、Y型焊縫檢測的最好手段。導波檢測利用機械應力波沿著延伸結構傳播的特性，可對規(guī)則管道進行快速高效的檢查，已成功應用于云南漫灣電站技術供水管道檢查。

3.2.4 腐蝕檢測

腐蝕檢測是指以檢測金屬損失為目的的在役設備的安全檢測，可以了解水工金屬結構在工作環(huán)境中受到的損傷情況，評價現(xiàn)有腐蝕防護措施的效果，預測其使用壽命，以期在發(fā)生嚴重問題前檢測出缺陷和損傷的基本方法。腐蝕檢測常用的檢測項目為金屬的蝕余厚度。

近年來，對水利水電工程壓力鋼管，已逐步采用漏磁技術和超聲波技術研發(fā)的腐蝕檢測器進行管道安全檢測，可高效檢測出壓力鋼管的腐蝕坑、應力腐蝕裂紋、疲勞裂紋等損傷的尺寸和位置。智能化高分辨率的漏磁和超聲波腐蝕檢測器除了準確性、可靠性高以外，還可區(qū)別壓力鋼管管壁的內外缺損。

3.2.5 應力檢測

應力檢測分為殘余應力測試和工作應力測試。殘余應力是指構件在制造過程中殘留在構件內的作用與影響。工作應力是指構件在工作時，由荷載引起的應力。

殘余應力的測試方法分為有損和無損兩大類。有損測試方法指應力釋放法，也稱為機械的方法，主要有盲孔法、環(huán)芯法和壓痕法等，應用最成熟的是盲孔法；無損測試方法指物理的方法，主要有X射線衍射法、中子衍射法、磁性法和超聲法等；X射線衍射法由于理論完善，對被測對象無損傷，測試精度較高，并且可重復測量，近年來已被廣泛應用于水工金屬結構尤其是對表面缺陷特別敏感的高強鋼的殘余應力測試。

工作應力的測試方法主要有應變片電測法、光纖Bragg光柵測試法、光彈性法和雙目立體視覺測量方法等。根據(jù)水利水電工程的特點，并且為降低或消除導線電阻、接觸電阻等帶來的應變測試誤差，水工金屬結構的工作應力測試多采用防水三線電阻四線接法的應變片電測法。

3.2.6 振動檢測

水工金屬機構的振動檢測分為動力特性測試和動力響應分析。動力特性測試主要包括自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等基本參數(shù)的測試，動力響應分析是指對結構在動載荷作用下所引起的結構運動、變形和應力進行的分析。

動力特性測試獲得結構的自振頻率、阻尼系數(shù)和振型等參數(shù)，可為安全運行提供參數(shù)依據(jù)。動力特性測試方法多采用人工激振法和環(huán)境隨機振動法。人工激振法又分為自由振動法和強迫振動法。由于水工金屬結構在工作位置不易實現(xiàn)自由振動，故多采用強迫振動法，即采用機械裝置作為激振器，對其實現(xiàn)周期型的變諧振動，產生強迫振動，獲得共振時的基頻、高階頻率和振型，以及計算阻尼比。

動力響應分析獲得結構的動應力變化規(guī)律和振幅、頻率、加速度等參數(shù)，可為合理選擇運行方式、避開激流影響造成的水流脈動高能區(qū)、實現(xiàn)安全操作管理等提供技術依據(jù)。由于水工金屬結構的結構參數(shù)、工作水頭等邊界條件不盡相同，動力響應的函數(shù)特征也不相同，因此，對每一個位置類型的水工金屬結構動力響應分析的結果和判定結論會存在差異，但現(xiàn)場測試的技術路線和研究分析的思路是一致的，即在運行過程中，采用振動傳感器，對其構件的振動特性進行測試，查找振源，確定振動量級，評估運行的安全性[8]。

4 實時在線監(jiān)測技術進展

據(jù)統(tǒng)計，在病險水庫大壩和水電站的不安全問題中，水工金屬結構的問題占比達40%，在病險水閘中占比更高達76.7%。水工金屬結構的故障問題主要有腐蝕、應力超標、振動問題、焊縫問題、啟閉力問題等，影響其安全運行的因素主要有運行環(huán)境、結構應力、動力響應、運行姿態(tài)、門槽水力學參數(shù)、啟閉機運行狀態(tài)、運行操作管理人員素質等等。針對以上影響水工金屬結構安全運行的關鍵性因素，如果沒有合適的裝備來采集數(shù)據(jù)進行分析，對存在的安全隱患不能及時發(fā)現(xiàn)，則會嚴重影響水利水電工程的運行安全。所以，應用成熟的科學技術手段和理論與實踐相結合的技術路線，建立水工金屬結構設備實時在線監(jiān)測及運行安全管理系統(tǒng)，可減輕水利水電工程給人們“如臨深淵，如履薄冰”的擔憂，做到“有測報、有預警、有對策、有保障”，真正實現(xiàn)水利水電工程建設、運行管理的“百年大計、萬無一失”安全目標。

由水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心自主研發(fā)并獲得國家專利的金屬結構設備實時在線監(jiān)測及運行安全管理系統(tǒng)已在多個工程成功應用，該系統(tǒng)首次實現(xiàn)了對水工金屬結構主要構件的受力狀態(tài)、動力響應、運行姿態(tài)、門槽水力學參數(shù)、啟閉機運行狀態(tài)和環(huán)境參數(shù)的綜合在線監(jiān)測，并對其可靠性和安全性進行實時在線評估以及安全預警，填補了水工金屬結構實時在線監(jiān)測的空白，必將極大提高我國水工金屬結構的安全運行管理水平。

5 結 語

水工金屬機構雖然在水利水電工程建設投資中所占比重并不大，但其設備的可靠性、安全性往往是工程安全運行的決定因素，其運行質量直接關系到水利水電工程建筑物和下游城鎮(zhèn)的安危，關系到水利水電工程綜合效益的發(fā)揮，關系到庫區(qū)人民群眾生命財產安全和社會穩(wěn)定。水工金屬結構的行政審批制度隨著我國行政體制改革必將發(fā)生較大變化，日益需要行業(yè)自律組織發(fā)揮充分作用。并且，隨著高壩大庫的建設與發(fā)展，大量的結構復雜的水工金屬結構投入運行，使用條件也日趨復雜，水工金屬結構的技術標準和檢測技術等保障手段也需要不同程度的提高。

參考文獻：

[1] 水工金屬結構術語:SL 543—2011[S].北京:中國水利水電出版社, 2012.

[2] 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.水工金屬結構產品生產許可證實施細則:XK07-001[Z].2016-09-30.

[3] 中華人民共和國水利部.水利工程啟閉機使用許可管理辦法:水利部部長令第41號[Z].2010-10-10.

[4] 朱文珍,王巖峰.標準化在基于工業(yè)產品生產許可證管理的水工金屬結構產品中的運用[J].標準科學,2017(12):126-129.

[5] 汪 露,李建國,朱泰峰,等.中國水利學會標準的發(fā)展與思考[J].水利技術監(jiān)督,2017(6):2-3.

[6] 王正中,張雪才,劉計良.大型水工鋼閘門的研究進展及發(fā)展趨勢[J].水力發(fā)電學報,2017,36(10):1-18.

[7] 胡木生,楊志澤,張 兵,等.蜀河水電站弧形閘門原型觀測試驗研究[J].水力發(fā)電學報,2016,35(2):90-100.

[8] 金曉華.水工金屬結構安全檢測綜述[J].大壩與安全,2016(3):39-43.