梁 小 飛， 楊 維 平， 廣 波， 何 晨 陽(yáng)， 朱 生 學(xué)， 楊 光 波

(錦屏水力發(fā)電廠， 四川 西昌 615000)

1 概 述

錦屏一級(jí)水電站大壩壩高305 m，拱壩壩身布置有4個(gè)表孔、5個(gè)中孔和2個(gè)底孔。其中，中孔采用單吊點(diǎn)弧形工作閘門(mén)，設(shè)計(jì)水頭為91 m，工作閘門(mén)采用充壓水封作為主止水。4號(hào)中孔工作閘門(mén)及其液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在定期維護(hù)工作結(jié)束后，進(jìn)行中孔工作閘門(mén)無(wú)水啟閉試驗(yàn)時(shí)，充壓水封發(fā)生了破裂。筆者詳細(xì)分析了中孔充壓水封破裂的原因，并介紹針對(duì)性的防范措施。

2 中孔充壓水封的結(jié)構(gòu)原理、系統(tǒng)組成及工作流程

2.1 中孔充壓水封的結(jié)構(gòu)原理

中孔充壓水封結(jié)構(gòu)主要包括水封橡膠、壓板、水封充壓腔及水封金屬底座。當(dāng)閘門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，充壓水封系統(tǒng)向水封充壓腔充壓，讓充壓水封頭部伸出并緊貼在閘門(mén)面板上，達(dá)到封水的目的[1]。閘門(mén)開(kāi)啟前，充壓水封系統(tǒng)對(duì)水封充壓腔泄壓并抽真空，充壓水封頭部縮回時(shí)與閘門(mén)面板脫離，避免閘門(mén)在動(dòng)作過(guò)程中由于摩擦引起的充壓水封損壞[2]。水封充壓與泄壓狀態(tài)見(jiàn)圖1。

中孔充壓水封為“山”型組合材質(zhì)橡膠水封。水封斷面由三種不同硬度的橡膠材料組合而成，其中水封頭部采用硬度和壓縮模量相對(duì)較高的SD006材料，以提高水封頭部與閘門(mén)門(mén)葉面板的接觸應(yīng)力，減小水封偏頭，水封肢體采用硬度和壓縮模量相對(duì)較低的SD007材料，有利水封外伸，降低水封止水所需的背壓[3]，水封翼頭采用硬度和壓縮模量相對(duì)適中的SD005材料，水封頭部的兩側(cè)面粘貼一層聚四氟乙烯材料，用于降低頭部運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與壓板的摩擦系數(shù)[4]。水封不同部位采用不同特性的橡膠，能較好的適應(yīng)變形，在相同背壓作用下其變形量比單一的橡膠材質(zhì)大[5]。

圖1 充壓水封泄壓(左)與充壓(右)狀態(tài)圖

2.2 中孔充壓水封系統(tǒng)的組成及工作流程

中孔充壓水封系統(tǒng)采用集中布置方式，空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、水環(huán)式真空泵、濾水器等設(shè)備由5孔閘門(mén)充壓水封共用，布置在3～4號(hào)中孔工作閘門(mén)啟閉機(jī)平臺(tái)之間。同時(shí)在每孔閘門(mén)啟閉機(jī)平臺(tái)上各布置一套充壓系統(tǒng)管路，包括充水管路、充氣管路、排水管路及抽真空管路等，管路上分別設(shè)置電動(dòng)充水閥DQFi-1、電動(dòng)充氣閥DQFi-2、電動(dòng)排氣閥DQFi-3、電動(dòng)抽氣閥DQFi-4、電動(dòng)排水閥DQFi-5、電動(dòng)排水閥DQFi-6(i=1、2、3、4、5、6，代表6孔閘門(mén))水封壓力變送器PTi以及相應(yīng)的檢修手動(dòng)球閥、止回閥。充壓系統(tǒng)由水提供壓力，由壓縮空氣輔助保壓，正常閘門(mén)全關(guān)時(shí)充壓水封壓力在0.73 MPa左右，中孔充壓水封系統(tǒng)正常為全自動(dòng)運(yùn)行，工作流程分為閘門(mén)全關(guān)投入水封流程、閘門(mén)開(kāi)啟退水封流程和閘門(mén)關(guān)閉退水封流程。

3 中孔充壓水封破裂原因分析

3.1 中孔工作閘門(mén)無(wú)水啟閉試驗(yàn)及充壓水封破裂現(xiàn)象

錦屏一級(jí)水電站4號(hào)中孔工作閘門(mén)及液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在定期維護(hù)工作結(jié)束后，進(jìn)行中孔工作閘門(mén)無(wú)水啟閉試驗(yàn)。當(dāng)發(fā)送“啟門(mén)”命令后，充壓水封系統(tǒng)執(zhí)行退水封流程正常，中孔工作閘門(mén)緩慢開(kāi)啟，但閘門(mén)開(kāi)度檢測(cè)值一直為0 mm，于是停止啟動(dòng)。4號(hào)中孔工作閘門(mén)停止后，程序便根據(jù)閘門(mén)開(kāi)度值自動(dòng)判斷閘門(mén)是否全關(guān)，并在閘門(mén)全關(guān)狀態(tài)下投入水封流程，但在投入過(guò)程中，充壓水封壓力一直無(wú)法達(dá)到正常值0.7 MPa以上，因此投入水封流程失敗。通過(guò)長(zhǎng)按復(fù)歸按鈕重置閘門(mén)開(kāi)度零點(diǎn)值，閘門(mén)開(kāi)度檢測(cè)值變?yōu)?75 mm。經(jīng)檢查，閘門(mén)實(shí)際開(kāi)度約573 mm與開(kāi)度檢測(cè)值對(duì)應(yīng)，充壓水封底邊脫離了閘門(mén)門(mén)葉面板的約束并且發(fā)生了破裂，破裂處為強(qiáng)度較低的水封肢體。

3.2 中孔充壓水封破裂原因分析

錦屏一級(jí)水電站4號(hào)中孔工作閘門(mén)及液壓?jiǎn)㈤]機(jī)在定期維護(hù)工作前，充壓水封保壓及密封良好無(wú)漏水，而在定期維護(hù)工作時(shí)未進(jìn)行充壓水封投退工作，因此，判斷充壓水封是在無(wú)水啟閉試驗(yàn)時(shí)破裂。通過(guò)分析中孔工作閘門(mén)無(wú)水啟閉試驗(yàn)的閘門(mén)開(kāi)度及充壓水封壓力曲線圖(圖2)，發(fā)現(xiàn)在閘門(mén)開(kāi)度檢測(cè)值故障并停止啟門(mén)后，在執(zhí)行投入水封流程時(shí)，充壓水封壓力最高達(dá)到了0.456 MPa，隨后在2秒內(nèi)壓力下降至0.425 MPa，并且一直保持在0.425 MPa直到停止充水。分析認(rèn)為，在充壓水封壓力達(dá)到0.456 MPa時(shí)，充壓水封開(kāi)始破裂，并導(dǎo)致壓力突降。根據(jù)充壓水封性能，設(shè)計(jì)要求在無(wú)閘門(mén)門(mén)葉面板約束的情況下，充壓水封各部位壓力不能超過(guò)0.14 MPa，以免損壞充壓水封，而充壓水封破裂時(shí)壓力高達(dá)0.456 MPa，遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)壓力。充壓水封破損部位在底邊，正是充壓時(shí)壓力最高的部位(考慮水柱壓力)，同樣印證了充壓水封破損是充壓導(dǎo)致的。綜上所述，分析認(rèn)為4號(hào)中孔充壓水封破裂原因?yàn)椋簡(jiǎn)㈤T(mén)時(shí)閘門(mén)開(kāi)度檢測(cè)值異常(一直為0 mm)，導(dǎo)致充壓水封局部在無(wú)閘門(mén)門(mén)葉面板約束的情況下充壓超過(guò)設(shè)計(jì)壓力，水封肢體發(fā)生較大形變超過(guò)其性能極限，從而破裂。

圖2 4號(hào)中孔工作閘門(mén)開(kāi)度及充壓水封壓力曲線圖

3.3 中孔工作閘門(mén)開(kāi)度檢測(cè)值異常分析

結(jié)合中孔工作閘門(mén)定期檢查經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)中孔工作閘門(mén)控制系統(tǒng)偶爾出現(xiàn)上電后閘門(mén)開(kāi)度不為零的情況，是通過(guò)長(zhǎng)按觸摸屏上清零按鈕8 s將閘門(mén)全關(guān)，開(kāi)度設(shè)為閘門(mén)零點(diǎn)值，或長(zhǎng)按復(fù)歸按鈕8 s將調(diào)試時(shí)設(shè)定的零點(diǎn)值設(shè)為閘門(mén)零點(diǎn)值，即可使閘門(mén)在全關(guān)時(shí)開(kāi)度顯示為零。此時(shí)，4號(hào)中孔工作閘門(mén)控制系統(tǒng)上電后開(kāi)度顯示為零，則不易發(fā)現(xiàn)閘門(mén)開(kāi)度可能存在的異常問(wèn)題。

由于中孔工作閘門(mén)開(kāi)度傳感器為絕對(duì)型編碼器，在后續(xù)多次上電后，4號(hào)中孔工作閘門(mén)開(kāi)度傳感器均未出現(xiàn)異常，由此判斷，4號(hào)中孔工作閘門(mén)開(kāi)度傳感器未出現(xiàn)故障。通過(guò)分析程序發(fā)現(xiàn)，4號(hào)中孔工作閘門(mén)控制程序中閘門(mén)開(kāi)度碼值等于零點(diǎn)值減去當(dāng)前碼值，使其為負(fù)值時(shí)，則將開(kāi)度碼值設(shè)置為0。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，閘門(mén)零點(diǎn)值存儲(chǔ)變量未配置寄存器地址，為非定位變量，當(dāng)PLC出現(xiàn)冷啟動(dòng)時(shí)會(huì)將非定位變量復(fù)位，導(dǎo)致閘門(mén)零點(diǎn)值清零，從而導(dǎo)致閘門(mén)開(kāi)度計(jì)算值為負(fù)值，控制程序?qū)㈤l門(mén)開(kāi)度設(shè)置為0。因此，4號(hào)中孔工作閘門(mén)開(kāi)度顯示異常的原因是在工作閘門(mén)控制系統(tǒng)斷電檢修時(shí)，PLC出現(xiàn)冷啟動(dòng)導(dǎo)致零點(diǎn)值清零，使閘門(mén)開(kāi)度一直顯示為0。

4 中孔充壓水封破裂防范措施

中孔充壓水封在工作閘門(mén)全關(guān)時(shí)充壓壓力約為0.73 MPa，遠(yuǎn)超0.14 MPa的標(biāo)準(zhǔn)。因此，為防止充壓水封破裂，必須避免在閘門(mén)有開(kāi)度的情況下執(zhí)行投入水封流程。應(yīng)對(duì)措施如下：

(1)對(duì)中孔工作閘門(mén)控制系統(tǒng)程序進(jìn)行優(yōu)化。第一，存儲(chǔ)閘門(mén)零點(diǎn)值存儲(chǔ)變量配置寄存器地址，并改為定位變量，確保PLC冷啟動(dòng)時(shí)不會(huì)清零。第二，在程序中增加在PLC冷啟動(dòng)、熱啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)將閘門(mén)零點(diǎn)值記憶值賦值重新給零點(diǎn)值，確保零點(diǎn)值正常。第三，在中孔工作閘門(mén)控制系統(tǒng)觸摸屏上增加“閘門(mén)開(kāi)度零點(diǎn)值異?！眻?bào)警功能，以提醒操作人員注意中孔工作閘門(mén)控制系統(tǒng)異常。第四，當(dāng)中孔工作閘門(mén)開(kāi)啟動(dòng)作超過(guò)3 s后，閉鎖閘門(mén)全關(guān)信號(hào)輸出至水封控制系統(tǒng)，必須有閘門(mén)關(guān)閉動(dòng)作后才能解除閉鎖，防止中孔工作閘門(mén)控制系統(tǒng)誤開(kāi)出閘門(mén)全關(guān)信號(hào)。

(2)在中孔工作閘門(mén)及液壓?jiǎn)㈤]機(jī)定期維護(hù)后，自動(dòng)化元件及程序可能出現(xiàn)不可預(yù)知故障，首次閘門(mén)無(wú)水啟閉試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)較高?？稍谑状螣o(wú)水啟門(mén)前，關(guān)閉水封電動(dòng)充水閥前的手動(dòng)充水閥(切斷水源)和水封電動(dòng)充氣閥前的手動(dòng)充氣閥(切斷氣源)，防止閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)誤投入水封。在閘門(mén)啟閉試驗(yàn)成功后，再將手動(dòng)充水閥和手動(dòng)充氣閥打開(kāi)。

(3)在中孔工作閘門(mén)正常開(kāi)啟過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)閘門(mén)實(shí)際在開(kāi)啟而開(kāi)度值一直為0 mm時(shí)，立即使用手動(dòng)充水閥和手動(dòng)充氣閥，再停止啟門(mén)進(jìn)行處理，以避免誤投入水封。

5 結(jié) 語(yǔ)

充壓水封因其良好的封水效果，廣泛應(yīng)用于各高水頭電站泄洪閘門(mén)，其正常工作對(duì)泄洪閘門(mén)安全運(yùn)行有重大意義。充壓水封涉及的設(shè)備多，工作流程復(fù)雜，對(duì)自動(dòng)化元件及程序可靠性要求較高，若自動(dòng)化元件及程序發(fā)生故障，可能導(dǎo)致閘門(mén)啟閉時(shí)誤投充壓水封，從而造成充壓水封破裂。筆者介紹的錦屏一級(jí)水電站中孔充壓水封破裂原因及防范措施對(duì)其他水電站預(yù)防充壓水封破裂有一定的借鑒意義。