高水頭閘門水封的型式和材質(zhì)的探討.doc

高水頭閘門水封的型式和材質(zhì)的探討目前國內(nèi)正建和待建的水利水電工程大多涉及到高水頭閘門水封問題。止水方式的選擇直接影響到工程金屬結(jié)構(gòu)的造價(jià)，進(jìn)而關(guān)系到樞紐水工建筑的造價(jià)，以及閘門運(yùn)行的安全可靠問題。好的止水方式應(yīng)該具有相對造價(jià)低、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行操作簡便、止水效果好、安全、適用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)此效果，首先應(yīng)解決的問題是止水水封的型式及于之相適應(yīng)的材質(zhì)。水封的材質(zhì)分別為橡膠、橡塑、塑料、銅板及合金等五大類，采用得最普遍的是橡膠水封和近二十年發(fā)展起來的橡塑水封。以下就橡膠水封及橡塑水封的情況談一點(diǎn)體會和看法：一、建國后在一些低水頭、小孔口的閘門水封中采用過木質(zhì)、麻織物材質(zhì)。隨著孔口的增大、水頭的增高，特別是六十年代初，則普遍采用了橡膠水封。橡膠水封當(dāng)時(shí)分兩類：一類是天然橡膠；一類是合成橡膠，通過近十年的實(shí)踐，證明合成橡膠比天然橡膠有以下弱點(diǎn)：耐水性能差；老化周期短；彈性差；生產(chǎn)難度相對大；國內(nèi)氯丁橡膠生產(chǎn)量小而價(jià)格高。因此，逐步地轉(zhuǎn)為全面采用在上述五個(gè)方面都具有優(yōu)勢的天然橡膠水封。七十年代為了解決當(dāng)時(shí)新建水電站中高水頭閘門的止水問題，由南京橡膠廠研制了夾帆布水封，該復(fù)合材質(zhì)的水封也運(yùn)用于大孔口的中水頭閘門。進(jìn)入八十年代，由于需要通過降低啟閉機(jī)容量而降低造價(jià)，提高運(yùn)行安全系數(shù)，引進(jìn)了F4橡塑復(fù)合水封。由南京橡膠廠與機(jī)械部上海材料研究所合作了約兩年的時(shí)間，完成了F4橡塑復(fù)合水封的研制，但由于兩種材料的線脹系數(shù)不一致，F(xiàn)4分子的惰性，所以F4薄膜之間與橡膠復(fù)合的強(qiáng)度總是較低。為解決這些弱點(diǎn)，蜀都水利水電工程配件總廠采取了兩個(gè)措施，第一是將傳統(tǒng)橡膠水封配方中的有機(jī)防老劑更換成無機(jī)防老劑，大幅度地增加了F4薄膜與橡膠的粘接強(qiáng)度。使該指標(biāo)達(dá)到了0.8MPa以上，超過了GB10706國標(biāo)0.6MPa的要求。第二是將短節(jié)的F4薄膜生產(chǎn)工藝改成了隨水封長度而定的長薄膜生產(chǎn)工藝，消除了側(cè)水封薄膜多節(jié)引起的摩擦系數(shù)不準(zhǔn)確和易于剝離的缺陷，提高了F4復(fù)合水封的使用壽命。雖然如此，F(xiàn)4復(fù)合不能隨意彎折還使長途發(fā)運(yùn)和短距離搬運(yùn)較為困難，以致消耗較多的運(yùn)輸費(fèi)用，加之安裝單位對這種復(fù)合材料的橡塑水封沒有足夠的認(rèn)識和充分地重視，常出現(xiàn)人為地?fù)p壞水封事例，再加之若需對水封分面或大面積復(fù)合，工藝難度更大。為此，蜀都水利水電工程配件總廠于九十年代初與相關(guān)科研單位及院校，經(jīng)過三年的努力，研制成功了涂層型F4橡塑復(fù)合水封，通過水電部成勘院科研所、武漢大學(xué)實(shí)驗(yàn)室的檢測，其摩擦、磨損性能指標(biāo)均達(dá)到模壓F4橡塑復(fù)合水封的性能指標(biāo)。由此，較理想的止水元件投入了電站閘門止水的運(yùn)行，涂層復(fù)合層的工藝，既適用于常規(guī)水封，也適用于高水頭的閘門止水水封，此先進(jìn)工藝解決了框型整體模壓F4復(fù)合水封的搬運(yùn)難題，涂層工作可于工地現(xiàn)場進(jìn)行。二、液壓伸縮式水封目前采用最多的水封型式是液壓伸縮式，這可能是因其對降低造價(jià)有利和更能適應(yīng)高水頭弧形閘門的全開閉、局開局閉的工況。但通過對西北院、成勘院所進(jìn)行的高水頭閘門止水結(jié)構(gòu)型式及其材質(zhì)試驗(yàn)研究工作過程中幾十個(gè)斷面試件的制作，和對試驗(yàn)觀察及成果資料的學(xué)習(xí)，加之漫灣底孔弧門，寶珠寺底孔弧門液壓伸縮式水封的生產(chǎn)，二灘中孔、貴州東風(fēng)底孔天生橋底孔弧門水封試件的制作，小灣底孔弧門水封試件的制作，以及原型測試、原型運(yùn)行情況的反應(yīng)，有如下一些體會和看法：在低于140m水頭的液壓伸縮式水封，其橡膠材質(zhì)的常規(guī)物理機(jī)械性能指標(biāo)如表1，滿足該表所列指材質(zhì)的橡膠在斷面型式，壓板形式以及壓板與面板間隙，沖水袋形式，水封表面處理等較充分地試驗(yàn)和精心制作的條件下。根據(jù)已在全國所作的靜水、動水、切片、整體等試驗(yàn)中的模擬庫壓、背壓數(shù)據(jù)情況，是很可能實(shí)現(xiàn)更高水封閘門止水的。表1扯斷強(qiáng)度MPa2226.5壓縮永久變形%20定伸強(qiáng)度300%MPa1014.5硬度邵氏（度）655扯斷伸長率%450550熱空氣老化率%-10-7扯斷永久變形%24適用溫度-40+60水封被腔內(nèi)保壓沖水袋橡膠材質(zhì)常規(guī)物理機(jī)械性能指標(biāo)見表2表2扯斷強(qiáng)度MPa22.1壓縮永久變形%15定伸強(qiáng)度300%MPa4.2硬度邵氏（度）505扯斷伸長率%700熱空氣老化率%-12-10扯斷永久變形%16適用溫度-40+602. 由于有了如表1所列物理機(jī)械性能的橡膠，則為避免夾帆布水封的不足創(chuàng)造了理想條件，因?yàn)槠摺耸甏嗖捎玫膴A帆布水封經(jīng)幾年使用的觀察，均表現(xiàn)出其的帆布與橡膠之間產(chǎn)生剝離，失去聯(lián)合工作的作用，這是由于棉織物經(jīng)橡膠硫化過程中的高溫、高壓后出現(xiàn)脆化現(xiàn)象所致。由于加帆布，造成耐曲繞性能差、彈性差，而其所具有的相對較高的壓縮強(qiáng)度可通過無機(jī)補(bǔ)強(qiáng)劑或有機(jī)膠聯(lián)劑在不降低扯斷強(qiáng)度的前提下提高材質(zhì)硬度指標(biāo)而取得，并可采取實(shí)心型式。幾年來運(yùn)用表1材質(zhì)生產(chǎn)的高水頭常規(guī)水封，其止水壽命效果均優(yōu)于夾棉織帆布水封。3. 根據(jù)蜀都水利水電工程配件總廠在各設(shè)計(jì)、科研、試驗(yàn)、制造、安裝、運(yùn)行管理單位的支持與協(xié)助下，對生產(chǎn)近三十個(gè)斷面的高水頭閘門橡膠水封；特別是液壓伸縮式水封、沖水袋的切片、框形、模擬及原型整體試驗(yàn)，原型運(yùn)行觀察，對于橡膠液壓伸縮式水封。有以下幾點(diǎn)設(shè)想：適宜采用雙翼向上的斷面型式，如圖1，目前是盡量避免使水封兩翼支臂在水封頭外伸時(shí)表現(xiàn)為拉伸變形，使其在伸縮過程中表現(xiàn)成幾何變形，大幅度降低水封工作背壓，增加水封正常運(yùn)行的保險(xiǎn)系數(shù)，也降低充壓裝置造價(jià)。圖1水封頭止水面在未加背壓時(shí)不宜高出壓板，以避免在非工作時(shí)間閘門啟閉，其下沿將上、下兩方的水封頭剪壞。水封頭部圓弧的矢高與半徑一致，半徑的大小，約為壓板與面板的間隙加閘門工作時(shí)水封壓縮量的1.2倍。水封頭部在動水閉門的情況下，為避免偏頭長期壓縮造成的永變而使水封頭難以退入水封槽，可使水封頭在背庫水側(cè)成主、副頭型式。如圖二，主頭止水、副頭既可起到支撐作用，又可留出主頭偏頭位置，還可于副頭側(cè)邊施F4涂層。如此既能幫助減小封水背壓，又使水封背壓泄去后，水封主頭順利退回。圖2為了進(jìn)一步降低水封背壓，使之接近庫壓，達(dá)到降低充壓裝置造價(jià)的目的，可考慮采用不同部位，不同橡膠材質(zhì)的合成水封，即將伸縮部分材質(zhì)在保持扯斷強(qiáng)度大于22Mpa的前提下盡量降低其定伸強(qiáng)度，提高扯斷伸長率至650%以上，如表2材質(zhì)指標(biāo)。采用沖水袋的伸縮水封優(yōu)點(diǎn)是可形防泄壓的雙保險(xiǎn)，即在沖水袋泄漏時(shí)啟動直接沖水閥，目前采用的沖水袋由于壁厚及水咀的設(shè)計(jì)還不很成熟，給生產(chǎn)造成一些不必要的困難。主要問題是影響沖水袋的正常運(yùn)行。因此，需要探究沖水袋的截面積、袋壁厚度、水咀與袋壁的連接形式，在此，提供一點(diǎn)初步 看法：第一：如圖三，伸縮腔的截面積，等于水封頭止水完成時(shí)水封頭所產(chǎn)生的壓縮高度與水封頭的寬度的積乘以約1.25的系數(shù)。此系數(shù)是考慮到橡膠偏頭后期受壓的壓縮永變量，防止運(yùn)行后期對封水背壓的影響。圖3第二，目前采用的沖水袋其截面積小于水封止水后被腔的截面積。因此，在封水過程中沖水袋壁一直處在拉伸狀態(tài)下。這種工作狀態(tài)時(shí)造成目前結(jié)構(gòu)的水嘴泄漏的主要因素。同時(shí)由于袋壁較薄，拉伸工作過程中極易被背腔槽內(nèi)的金屬毛刺或壓板與壓板間的接縫尖角劃破造成失壓。為避免這些情況可將沖水袋的截面確定為經(jīng)對水封止水后背腔截面積的計(jì)算值再乘上1.25系數(shù)的截面積。增加袋壁厚度至68mm。再將水嘴結(jié)構(gòu)向倒鉤式水嘴結(jié)構(gòu)發(fā)展。如圖四，該式水嘴是在水嘴與袋壁連接處采用高扯斷強(qiáng)度、高定伸強(qiáng)度、高硬度的橡膠、加高強(qiáng)度粘接劑、再加外配壓環(huán)。而形成比較可靠的水嘴結(jié)構(gòu)。圖4綜上所訴：如果我們對液壓伸縮式橡膠水封的材質(zhì)斷面型式、及槽型、壓板型式進(jìn)一步試驗(yàn)，研究是能夠適應(yīng)