高水头放空底孔工作闸门刚性止水修复研究与应用.pdf

第4 6 卷第11期2023年11 月水电站机电技术Mechanical&Electrical Technique of Hydropower StationVol.46 No.11Nov.202367高水头放空底孔工作闸门刚性止水修复研究与应用龙见颖，王涛，王志辉（雅碧江流域水电开发有限公司，四川成都6 10 0 5 1）摘要：高水头闸门刚性止水方式在水工金属结构行业内较为少见，刚性止水型式对设计、制造与加工均有较高要求。通过研究分析刚性止水型式闸门的门槽与门叶的特殊几何形状，成功进行止水修复，使工作闸门恢复正常运行，为同类型闸门的设计及运行修复提供了很好的借鉴经验。关键词：高水头；底孔；刚性止水；修复中图分类号：TV663DOl:10.13599/ki.11-5130.2023.11.020文献标识码：B文章编号：16 7 2-5 3 8 7(2 0 2 3)11-0 0 6 7-0 5底孔工作闸门置于关闭状态，而使用检修闸门用于0引言挡水。某大型水电站共设4 个放空底孔，每孔进出口针对底孔工作闸门刚止水存在的问题，通过对均设有1套工作闸门(3 5.5-12 0(8 0)m平板闸门）比研究国内高水头闸门各种止水型式及止水材料的及1套事故检修闸门(3 9.19-12 0(8 0)m平板闸门)。选择与应用，最终选定采用修复门槽底坎止水、研磨放空底孔主要用于大坝尚未建成而又需要蓄水发电门槽止水面的止水修复方法，以及刚性止水与预压期间泄洪及控制水库初期水位，以及后期检修大坝式止水联合使用的止水改进方法对底孔工作闸门刚或有人防要求时降低水库水位使用。止水进行修复。底孔工作闸门设计时基于充分满足12 0 m超高水头下闸门的止水效果和8 0 m水头下动水启闭可靠性的双重要求，闸门常规止水方式已难以满足要求。故最初设计时，充分结合了国内外高压滑动平面闸门的实践经验，在国内首次选定刚性止水、窄门槽的滑动闸门型式,该结构型式闸门具有结构紧凑、门叶刚度大、门槽尺寸小（窄门槽）高速水流下门槽易空化空蚀、制造与安装精度高、检修难度大、止水难度大、启门力大、闸门振动大等特点。工作闸门顶、侧止水与支承设计合二为一。门叶顶、侧止水支承材料采用铝青铜(ZCuAl10Fe3),门槽顶、侧止水材料为不锈钢(2 Cr13)。门叶底止水材料为不锈钢(2 Cr13),门槽底坎止水材料为巴氏合金，止水面的接触间隙设计要求在0.0 3 mm以内,对工艺要求十分严苛。工作闸门在竣工投入使用后,历经两个汛期的泄洪，泄洪高速射流对门槽底坎止水面产生了严重冲刷，汽蚀也较为严重，已不能彻底的封水，随即将1工作闸门刚性止水运行状况1.1门槽流道状况底孔工作闸门在电站投运初期作为水库泄洪控流设备使用后，门槽底坎巴氏合金止水面出现了被高速水流严重冲刷和空蚀的情况，导致闸门密封面漏水量急剧增大。期间,实验性地采用贝尔佐纳复合抗磨涂料进行了修复填充和找平处理，处理完成后带水试验闸门漏水情况，较未处理前漏水情况略有改观，但并不能彻底的封水,并在试验期间,抗磨材料同样因为高速水流冲刷，导致止水面被严重破坏。又经长时间放置，门槽底坎止水面原贝尔佐纳复合抗磨涂料已出现了老化、脱空现象，止水面局部甚至出现爆口、鼓包、脱落及整体不光滑等现象，侧止水面也出现局部锈蚀小坑。收稿日期：2 0 2 3-0 8-2 4作者简介：龙见颖（19 9 1-)，男，工程师，从事水电站检修维护工作。68水电站机电技术88第4 6 卷2073685330元B122231底止水烟皮底坎止水爆裂图1门槽底坎磨损情况1.2工作闸门止水面状况由于前期现场施工条件限制，对1号、3 号底孔工作闸门进行了抽检。将工作闸门提至全开位置，对门槽止水面进行清扫，门槽及闸门底止水面清扫完毕后，将工作门落至全关，在工作闸门背后钢衬2.8m高位置处焊接支点，用千斤顶模仿水推力对闸门加压，测量止水面配合间隙，测点间距为200mm，根据设计要求，合格标准为闸门止水面配合间隙0.0 3 mm。使用3 0 0 mm塞尺对闸门止水面间隙进行测量,0.0 2 mm塞尺不能通过即认定间隙为 0 mm。测量数据结果为：1号工作闸门门槽顶止水与左侧止水密封面有0.18 mm的高差，闸门顶止水、底止水间隙均认定为0 mm，但底止水有一段2 0 0 mm长透光，侧止水最大间隙为0.5 0 mm;3号工作闸门底止水密封处有两处0.0 2 mm、0.0 3 m m 间隙，测量过程中还发现,流道内的水渗出到了工作闸门下游,左侧止水有一处间隙为0.0 3 mm,右侧止水有一段13 0 mm长间隙为0.0 2 mm,其余间隙均认定为0 mm。2工作闸门辅助止水修复2.1工作闸门顶止水修复将原顶止水方式改进为预压式橡胶与刚止水相结合的止水方式。预压式橡胶止水为辅助止水，水封形式为实心P型圆头橡胶，保留原铝青铜刚止水结构。在门铝青铜支撑止水面上部闸门不锈钢门叶本体上，加工切削出安装预压式橡胶止水安装位置。305604050图2 闸门顶水封改造图50(a)加工前图3 闸门顶水封改造前后对比详图顶水封装置由垫板、水封和压板组成。其中垫板厚5 mm，水封厚12 mm,压板厚10 mm，采用沉头螺钉固定。垫板和压板的材质为1Cr18Ni9Ti。水封材质为LD19，密度1.2 1.5 g/cm，含（新）胶量60%,拉伸强度达到2 2 MPa,邵氏硬度7 0 5，延伸率4 0 0%。沉头螺钉采用M12不锈钢螺钉，材质为0 Cr18Ni9,螺栓间距为6 0 mm。2.2工作闸门侧水封修复侧止水同样采取预压式橡胶与刚止水相结合的止水方式，水封形式为实心P型圆头橡胶。侧辅助止水装置采用与顶水封同样材质的垫板、水封和压板组成,因原门叶侧止水宽度仅为10 0 mm,加之原侧止水平面铝青铜刚止水位置限制，无法在闸门背水密封平面上安装预压式橡胶止水,故在闸门背水密封面侧面安装辅助橡胶止水密封固定压板。水流100230150j2Cr132cf137098图4 闸门侧水封改造图在闸门背水密封面铝青铜刚止水靠侧面位置闸40门顶部至底部车削出侧辅助水封安装位置，水封安3025B9装螺栓孔布置在闸门侧面，水封压板、螺栓孔现场配钻安装，螺栓安装位置避开铝青铜刚止部分结构,完青钢饭全保留原铝青铜刚止水部分。OOSS#R0099#501610(b)加工后80360552f顶、侧水封安装结构相同，如图2 所示。顶、侧辅助橡胶水封转角处采用转角水封，转角水封尺寸506(c)改造后第11期为2 0 0 mm200mm,现场用冷粘剂将顶、侧水封、转角水封粘接，把顶部、侧面辅助橡胶水封连接成整体。701Cr18Ni9M2450灌铝刮平100(a)加工前图5 闸门侧水封改造前后对比详图731252图6 闸门顶、侧辅助水封安装详图2.3顶、侧辅助水封对应门槽止水座板5龙见颖，等：高水头放空底孔工作闸门刚性止水修复研究与应用802510N701245098(b)加工后5T6910N80林氧垫层(a)加工前图9 门槽侧密封座板改造前后对比详图221925/(b)加工后(c)改造后原门槽侧止水及支撑滑道主轨的止水面宽度仅5098(c)）改造后10X45为7 0 mm，不能作为预压式辅助止水的止水面,故在主轨侧面新增加一段宽度为4 5 mm厚度为15 mm的不锈钢(1Cr18Ni9Ti)止水面，与闸门预压式橡胶止水配合使用。2.4工作闸门底水封修复闸门底水封原止水材料为不锈钢材质(2 Cr13),底水封修复后，在底水封处加装辅助橡胶止水水封，橡胶止水与钢制止水互为补充，共同作用。辅助橡胶水封形式为条形水封,止水橡胶厚12 mm,水封压板厚10 mm，压板材质为1Cr18Ni9Ti不锈钢，水封及水封压板采用沉头螺钉固定。控制闸门底水封安装尺寸结构，保证闸门落至底坎位置时橡胶止水2 mm压缩量。2032(a)加工前2032(b)加工后20.H32(c)改造后8图7 门槽顶密封座板改造前后对比详图A4原门槽顶止水面有效宽度仅为7 0 mm，与顶止水面上部相连处有一段宽度5 0 mm的斜面，此段斜面无法作为预压式止水的止水面,故特殊加工了一处高度19 mm、宽度约7 0 mm、闸门面板长度方向长度3 2 2 6 mm的止水密封座板与顶部橡胶辅助止水相配合。顶辅助水封安装时超出轨道面3 mm，与增设止水座板后的门槽配合形成2 mm预压缩量。图10 闸门底水封改造图为避免闸门启闭过程新增的底辅助止水与门槽磨碰，新增辅助水封及压板整体宽度尺寸控制在22mm。底水封与侧水封在现场使用冷粘剂粘接。侧、顶、底预压式止水通过门叶上的沟槽连成一个整230体，最大程度保证止水线的完整性。150金2452C132Cr13/6050(a)加工前图8 门槽侧水封密封座板改造图图111闸门底水封改造前后对比详图2Cr13R5K(b)加工后B5(c)改造后703门槽及闸门刚止水修复3.1门槽底坎改进修复门槽底坎原密封截面结构为“T”字形,材质为巴氏合金,是一种具有减摩特性的锡基和铅基轴承合金，巴氏合金软基体上分布着硬颗粒相的低熔点轴承合金，特点是在软相基体上均匀分布有硬相质点,软相基体使合金具有非常好的嵌藏性、顺应性和抗咬合性,并在磨合后,软基体内凹,硬质点外凸 2-,上凸的硬质点起支承作用。因重载闸门坐落在巴氏合金上就会使其软基体内凹，一旦过流就容易使其表面产生汽蚀，待闸门再关闭后汽蚀处就容易形成高压缝隙流，极易使止水面被严重破坏，故将门槽底坎止水更换为不锈钢2 Cr13材质，2 Cr13为马氏体不锈钢，具有优良的耐磨、耐蚀性。巴氏合金图12 门槽原底坎密封截面图200.2012010 x835#环氧垫层图13 门槽底坎密封截面改造后具体工艺流程为：将原门槽底坎密封面巴氏合金扣出，制作“T”形2 Cr13条块进行嵌装，嵌块宽120mm，总长3.4 6 m，分3 段，现场拼焊成整体，拼装时保证节间错牙不超过0.5 mm、高差小于1mm。安装完成后整体灌浆，以保证“T”形块与底坎基座充分接触，确保整体强度。在将新制作“T”形块放2号底孔项目充水高程/m整体漏水量单点漏水量整体漏水量单点漏水量整体漏水量单点漏水量整体漏水量单点漏水量/ml/s/ml/s11 14221155311654117551185水电站机电技术人密封槽前先将两段的端头进行单边15 的倒角处理,坡口深度8 10 mm,将不锈钢紧贴在槽内后点焊，每段点焊长度控制在2 0 3 0 mm以保证焊接变形量。3.2刚止水研磨修复采用研磨门槽、闸门刚止水的方法处理门槽、闸门高点及相互配合间隙，用0.0 3 mm塞尺每隔100mm做一个测点，测量点不得贯穿,以保证改造后的闸门与门槽刚性止水面密封性符合设计要求。具体施工流程为：在清洗干净的刚止水表面涂抹红丹粉，将闸门下落离门槽底坎约5 mm停止,利用千斤顶从上游门叶左右两侧施加2 0 t的荷载，强迫门叶刚止水表面紧靠门槽的水封面，减少千斤顶荷载，使门叶继续降至底坎。记录并测量过程中门槽及门叶配合高点及配合间隙，研磨处理上述过程中200120321号底孔10.8无明显漏水20.3无明显漏水32.5无明显漏水32.84.0251.5第4 6 卷不合格的位置，并重复以上过程，最终达到闸门门叶与门槽在止水配合面每10 0 mm范围内间隙小于0.03mm的合格标准。研磨过程中采用分多层多道方式进行，同时为避免研磨过量，预留0.0 5 0.0 8 mm不打磨，改用细砂纸研磨直至合格，采用塞尺、透光性来检查配合间隙。4刚止水修复效果评估闸门及门槽刚止水修复完成后，尚未安装辅助水封前，进行刚止水静水密闭试验，验证刚止水修复效果。在充水高程大于原设定高程状态下，测量1号、2 号、3 号、4 号底孔工作闸门刚止水闸门漏水量，每次测量3 次取平均值，最终闸门漏水量见表1。按照NB/T35045-2014水电工程钢闸门制造安装及验收规范要求，闸门在承受设计水头压力下，通过任意1m长止水范围内漏水量不应超过10 0 ml/sl,由表1可以看出，经修复过的1号4号底孔工作闸门刚止水密封性远高于标准要求。表1刚止水静水密闭试验闸门漏水状况列表3号底孔/ml/s/ml/s14.8无明显漏水16.5无明显漏水23.3无明显漏水27.6无明显漏水27无明显漏水4号底孔/ml/s/ml/s一无明显漏水无明显漏水无明显漏水10.8无明显漏水无明显漏水无明显漏水13.0无明显漏水无明显漏水无明显漏水16.3无明显漏水无明显漏水无明显漏水16.6无明显漏水/ml/s0.09/ml/s无明显漏水第11期龙见颖，等：高水头放空底孔工作闸门刚性止水修复研究与应用715结语参考文献：本文介绍了行业内首例对高水头钢闸门刚止水的改造修复研究与应用，通过研究分析刚性止水型式闸门的门槽与门叶的特殊几何形状，刚止水形式水流出流不平顺性、高水头闸门水密封水力学设计复杂性的特点，同时也考虑在窄门槽内安装和修复止水密封、更换滑道的可行性,结合底孔工作闸门现场实际情况，研究后提出了修复门槽底坎止水、研磨门槽止水面的止水修复方法，以及刚性止水与预压式止水联合使用的止水改进方法。通过闸门修复后的试验数据，证明国内首次实施高水头窄门槽刚性止水改造修复设计和实践探索是成功的，这一成功经验为同类型闸门的设计及运行修复都提供了很好的借鉴经验。1马东伟.二滩水电站放空底孔平板工作门的特点和制作J.水电站设计,2 0 0 5(3):4 1-4 3.2南飞艳,耿建成,马晓琴，等.十字头滑块端面锡基合金浇注研究D)热加工工艺，2 0 13,4 2(15)：6 0-6 2.3李长生,王芬,胡志立,等。磁控溅射Sn-Sb-Cu薄膜的制备及摩擦学性能研究.润滑与密封,2 0 13,3 8(9)：1-5,41.4孙建荣,李长生,唐华，等.磁控溅射MoS_2/W复合薄膜的微结构与摩擦学性能研究.真空科学与技术学报，2013,33(2):171-175.5高秉阳,郭华琪，曹志强.Sn-15Cu-xNi合金组织及油润滑磨损行为.中国有色金属学报，2 0 2 2,3 2(7)：19 6 6-1974.6中华人民共和国电力工业部.水利水电工程钢闸门制造安装及验收规范:DL/T 5018-1994S.(上接第 16 页)(3)陶瓷环密封面的平整度，粗糙度满足运行6结语需要，平整度不高于0.0 5 mm/m。粗糙度不大于Ra0.1 m,接缝小于 0.0 2 mm。5主轴密封陶瓷环国产化改造施工工艺(1)根据三维CAD图纸加工制作陶瓷块。(2)清除主轴密封陶瓷环底座中原镶嵌的所有陶瓷块，并使用有机溶剂去除原黏接剂。(3)将清空陶瓷块的钢质密封环底座表面进行喷砂处理，去除残余的黏接剂和表面锈迹，确保表面粗糙度7 5 m。(4)将加工制作好的陶瓷块镶嵌在已喷砂好的密封环底座中，使用贝尔佐纳13 9 1T进行黏接填充，要求黏接剂填充密实，无气泡和中空情况(5)黏接剂彻底固结后，先处理分半组合部位，确保组装后密封面的间隙达标。再将密封环组装后进行整体修磨，使陶瓷环密封面的平整度、粗糙度满足技术要求。(6)主轴密封陶瓷环国产化改造后效果图见图3。图3 陶瓷环国产化改造后效果大源渡水电站灯泡贯流式水轮机工作密封陶瓷环国产化改造从2 0 19 年11月开始策划并进行改造，2020年9 月在2 号机组C级检修中替换原陶瓷环并正式投入运行，现已正常运转两年半，未发现有任何问题。大源渡水电站2 号机工作密封陶瓷环国产化改造,其处理技术及工艺是成功的,达到了原装进口产品技术规范的要求，提高了机组运行的可靠性、稳定性和可用率，降低了设备的故障率,陶瓷环国产化改造的费用仅为原装进口产品配件的四分之一，大大节省了费用。工作密封陶瓷环国产化改造的成功为解决进口灯泡贯流式水轮机工作密封类似问题提供有益的参考，也为国内主机厂设计主轴密封结构时提供了借鉴，在设计时还可进行优化以便于陶瓷块损坏时更换。参考文献：1马彪.某灯泡贯流式水轮机转轮室振因研究.水电站机电技术,2 0 2 3(1):8-11.2彭育斌.贯流式水轮发电机主轴密封改造.水电站机电技术,2 0 2 2(3):2 8-3 0.