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構的造價，進而關系到樞紐水工建筑的造價，以及閘門運行的安全可靠問題。好的止水方式應該具有相對造價低、結構簡單、運行操作簡便、止水效果好、安全、適用壽命長等優(yōu)點，要實現(xiàn)此效果，首先應解決的問題是止水水封的型式及于之相適應的材質(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。橡膠水封當時分兩類：一類是天然橡膠；一類是合成橡膠，通過近十年的實踐，證明合成橡膠比天然橡膠有以下弱點：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)量小而價格高。因此，逐步地轉(zhuǎn)為全面采用在上述五個方面都具有優(yōu)勢的天然橡膠水封。七十年代為了解決當時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，該復合材質(zhì)的水封也運用于大孔口的中水頭閘門。進入八十年代，由于需要通過降低啟閉機容量而降低造價，提高運行安全系數(shù)，引進了F4橡塑復合水封。由南京橡膠廠與機械部上海材料研究所合作了約兩年的時間，完成了F4橡塑復合水封的研制，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薄膜之間與橡膠復合的強度總是較低。為解決這些弱點，蜀都水利水電工程配件總廠采取了兩個措施，第一是將傳統(tǒng)橡膠水封配方中的有機防老劑更換成無機防老劑，大幅度地增加了F4薄膜與橡膠的粘接強度。使該指標達到了0.8MPa以上，超過了GB10706國標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，消除了側水封薄膜多節(jié)引起的摩擦系數(shù)不準確和易于剝離的缺陷，提高了F4復合水封的使用壽命。雖然如此，F(xiàn)4復合不能隨意彎折還使長途發(fā)運和短距離搬運較為困難，以致消耗較多的運輸費用，加之安裝單位對這種復合材料的橡塑水封沒有足夠的認識和充分地重視，常出現(xiàn)人為地損壞水封事例，再加之若需對水封分面或大面積復合，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橡塑復合水封，通過水電部成勘院科研所、武漢大學實驗室的檢測，其摩擦、磨損性能指標均達到模壓F4橡塑復合水封的性能指標。由此，較理想的止水元件投入了電站閘門止水的運行，涂層復合層的工藝，既適用于常規(guī)水封，也適用于高水頭的閘門止水水封，此先進工藝解決了框型整體模壓F4復合水封的搬運難題，涂層工作可于工地現(xiàn)場進行。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有利和更能適應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、成勘院所進行的高水頭閘門止水結構型式及其材質(zhì)試驗研究工作過程中幾十個斷面試件的制作，和對試驗觀察及成果資料的學習，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、原型運行情況的反應，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)物理機械性能指標如表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、整體等試驗中的模擬庫壓、背壓數(shù)據(jù)情況，是很可能實現(xiàn)更高水封閘門止水的。表1扯斷強度MPa2226.5壓縮永久變形%20定伸強度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)物理機械性能指標見表2表2扯斷強度MPa22.1壓縮永久變形%15定伸強度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，因為七、八十年代多采用的夾帆布水封經(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度可通過無機補強劑或有機膠聯(lián)劑在不降低扯斷強度的前提下提高材質(zhì)硬度指標而取得，并可采取實心型式。幾年來運用表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計、科研、試驗、制造、安裝、運行管理單位的支持與協(xié)助下，對生產(chǎn)近三十個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，原型運行觀察，對于橡膠液壓伸縮式水封。有以下幾點設想：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，增加水封正常運行的保險系數(shù)，也降低充壓裝置造價。圖1水封頭止水面在未加背壓時不宜高出壓板，以避免在非工作時間閘門啟閉，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為了進一步降低水封背壓，使之接近庫壓，達到降低充壓裝置造價的目的，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)在保持扯斷強度大于22Mpa的前提下盡量降低其定伸強度，提高扯斷伸長率至650%以上，如表2材質(zhì)指標。采用沖水袋的伸縮水封優(yōu)點是可形防泄壓的雙保險，即在沖水袋泄漏時啟動直接沖水閥，目前采用的沖水袋由于壁厚及水咀的設計還不很成熟，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)時造成目前結構的水嘴泄漏的主要因素。同時由于袋壁較薄，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。再將水嘴結構向倒鉤式水嘴結構發(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度、高定伸強度、高硬度的橡膠、加高強度粘接劑、再加外配壓環(huán)。而形成比較可靠的水嘴結構。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、壓板型式進一步試驗，研究是能夠適應