高水头闸门水封的型式和材质的探讨.doc

高水头闸门水封的型式和材质的探讨目前国内正建和待建的水利水电工程大多涉及到高水头闸门水封问题。止水方式的选择直接影响到工程金属结构的造价，进而关系到枢纽水工建筑的造价，以及闸门运行的安全可靠问题。好的止水方式应该具有相对造价低、结构简单、运行操作简便、止水效果好、安全、适用寿命长等优点，要实现此效果，首先应解决的问题是止水水封的型式及于之相适应的材质。水封的材质分别为橡胶、橡塑、塑料、铜板及合金等五大类，采用得最普遍的是橡胶水封和近二十年发展起来的橡塑水封。以下就橡胶水封及橡塑水封的情况谈一点体会和看法：一、建国后在一些低水头、小孔口的闸门水封中采用过木质、麻织物材质。随着孔口的增大、水头的增高，特别是六十年代初，则普遍采用了橡胶水封。橡胶水封当时分两类：一类是天然橡胶；一类是合成橡胶，通过近十年的实践，证明合成橡胶比天然橡胶有以下弱点：耐水性能差；老化周期短；弹性差；生产难度相对大；国内氯丁橡胶生产量小而价格高。因此，逐步地转为全面采用在上述五个方面都具有优势的天然橡胶水封。七十年代为了解决当时新建水电站中高水头闸门的止水问题，由南京橡胶厂研制了夹帆布水封，该复合材质的水封也运用于大孔口的中水头闸门。进入八十年代，由于需要通过降低启闭机容量而降低造价，提高运行安全系数，引进了F4橡塑复合水封。由南京橡胶厂与机械部上海材料研究所合作了约两年的时间，完成了F4橡塑复合水封的研制，但由于两种材料的线胀系数不一致，F4分子的惰性，所以F4薄膜之间与橡胶复合的强度总是较低。为解决这些弱点，蜀都水利水电工程配件总厂采取了两个措施，第一是将传统橡胶水封配方中的有机防老剂更换成无机防老剂，大幅度地增加了F4薄膜与橡胶的粘接强度。使该指标达到了0.8MPa以上，超过了GB10706国标0.6MPa的要求。第二是将短节的F4薄膜生产工艺改成了随水封长度而定的长薄膜生产工艺，消除了侧水封薄膜多节引起的摩擦系数不准确和易于剥离的缺陷，提高了F4复合水封的使用寿命。虽然如此，F4复合不能随意弯折还使长途发运和短距离搬运较为困难，以致消耗较多的运输费用，加之安装单位对这种复合材料的橡塑水封没有足够的认识和充分地重视，常出现人为地损坏水封事例，再加之若需对水封分面或大面积复合，工艺难度更大。为此，蜀都水利水电工程配件总厂于九十年代初与相关科研单位及院校，经过三年的努力，研制成功了涂层型F4橡塑复合水封，通过水电部成勘院科研所、武汉大学实验室的检测，其摩擦、磨损性能指标均达到模压F4橡塑复合水封的性能指标。由此，较理想的止水元件投入了电站闸门止水的运行，涂层复合层的工艺，既适用于常规水封，也适用于高水头的闸门止水水封，此先进工艺解决了框型整体模压F4复合水封的搬运难题，涂层工作可于工地现场进行。二、液压伸缩式水封目前采用最多的水封型式是液压伸缩式，这可能是因其对降低造价有利和更能适应高水头弧形闸门的全开闭、局开局闭的工况。但通过对西北院、成勘院所进行的高水头闸门止水结构型式及其材质试验研究工作过程中几十个断面试件的制作，和对试验观察及成果资料的学习，加之漫湾底孔弧门，宝珠寺底孔弧门液压伸缩式水封的生产，二滩中孔、贵州东风底孔天生桥底孔弧门水封试件的制作，小湾底孔弧门水封试件的制作，以及原型测试、原型运行情况的反应，有如下一些体会和看法：在低于140m水头的液压伸缩式水封，其橡胶材质的常规物理机械性能指标如表1，满足该表所列指材质的橡胶在断面型式，压板形式以及压板与面板间隙，冲水袋形式，水封表面处理等较充分地试验和精心制作的条件下。根据已在全国所作的静水、动水、切片、整体等试验中的模拟库压、背压数据情况，是很可能实现更高水封闸门止水的。表1扯断强度MPa2226.5压缩永久变形%20定伸强度300%MPa1014.5硬度邵氏（度）655扯断伸长率%450550热空气老化率%-10-7扯断永久变形%24适用温度-40+60水封被腔内保压冲水袋橡胶材质常规物理机械性能指标见表2表2扯断强度MPa22.1压缩永久变形%15定伸强度300%MPa4.2硬度邵氏（度）505扯断伸长率%700热空气老化率%-12-10扯断永久变形%16适用温度-40+602. 由于有了如表1所列物理机械性能的橡胶，则为避免夹帆布水封的不足创造了理想条件，因为七、八十年代多采用的夹帆布水封经几年使用的观察，均表现出其的帆布与橡胶之间产生剥离，失去联合工作的作用，这是由于棉织物经橡胶硫化过程中的高温、高压后出现脆化现象所致。由于加帆布，造成耐曲绕性能差、弹性差，而其所具有的相对较高的压缩强度可通过无机补强剂或有机胶联剂在不降低扯断强度的前提下提高材质硬度指标而取得，并可采取实心型式。几年来运用表1材质生产的高水头常规水封，其止水寿命效果均优于夹棉织帆布水封。3. 根据蜀都水利水电工程配件总厂在各设计、科研、试验、制造、安装、运行管理单位的支持与协助下，对生产近三十个断面的高水头闸门橡胶水封；特别是液压伸缩式水封、冲水袋的切片、框形、模拟及原型整体试验，原型运行观察，对于橡胶液压伸缩式水封。有以下几点设想：适宜采用双翼向上的断面型式，如图1，目前是尽量避免使水封两翼支臂在水封头外伸时表现为拉伸变形，使其在伸缩过程中表现成几何变形，大幅度降低水封工作背压，增加水封正常运行的保险系数，也降低充压装置造价。图1水封头止水面在未加背压时不宜高出压板，以避免在非工作时间闸门启闭，其下沿将上、下两方的水封头剪坏。水封头部圆弧的矢高与半径一致，半径的大小，约为压板与面板的间隙加闸门工作时水封压缩量的1.2倍。水封头部在动水闭门的情况下，为避免偏头长期压缩造成的永变而使水封头难以退入水封槽，可使水封头在背库水侧成主、副头型式。如图二，主头止水、副头既可起到支撑作用，又可留出主头偏头位置，还可于副头侧边施F4涂层。如此既能帮助减小封水背压，又使水封背压泄去后，水封主头顺利退回。图2为了进一步降低水封背压，使之接近库压，达到降低充压装置造价的目的，可考虑采用不同部位，不同橡胶材质的合成水封，即将伸缩部分材质在保持扯断强度大于22Mpa的前提下尽量降低其定伸强度，提高扯断伸长率至650%以上，如表2材质指标。采用冲水袋的伸缩水封优点是可形防泄压的双保险，即在冲水袋泄漏时启动直接冲水阀，目前采用的冲水袋由于壁厚及水咀的设计还不很成熟，给生产造成一些不必要的困难。主要问题是影响冲水袋的正常运行。因此，需要探究冲水袋的截面积、袋壁厚度、水咀与袋壁的连接形式，在此，提供一点初步 看法：第一：如图三，伸缩腔的截面积，等于水封头止水完成时水封头所产生的压缩高度与水封头的宽度的积乘以约1.25的系数。此系数是考虑到橡胶偏头后期受压的压缩永变量，防止运行后期对封水背压的影响。图3第二，目前采用的冲水袋其截面积小于水封止水后被腔的截面积。因此，在封水过程中冲水袋壁一直处在拉伸状态下。这种工作状态时造成目前结构的水嘴泄漏的主要因素。同时由于袋壁较薄，拉伸工作过程中极易被背腔槽内的金属毛刺或压板与压板间的接缝尖角划破造成失压。为避免这些情况可将冲水袋的截面确定为经对水封止水后背腔截面积的计算值再乘上1.25系数的截面积。增加袋壁厚度至68mm。再将水嘴结构向倒钩式水嘴结构发展。如图四，该式水嘴是在水嘴与袋壁连接处采用高扯断强度、高定伸强度、高硬度的橡胶、加高强度粘接剂、再加外配压环。而形成比较可靠的水嘴结构。图4综上所诉：如果我们对液压伸缩式橡胶水封的材质断面型式、及槽型、压板型式进一步试验，研究是能够适应