某弧形工作閘門啟閉異常故障診斷及處理措施

張懷仁，洪 偉，涂從剛，吳 松

(1.水利部水工金屬結構質量檢驗測試中心，河南 鄭州 450044；2.水利部綜合事業局，北京 100053)

水工金屬結構通常包括閘門、啟閉機及其他附屬設施，其功能主要是攔截水流、控制流量、調節水位、排放漂浮物等，是水利工程安全可靠運行的重要組成部分[1- 5]。我國是世界上已建水利工程最多的國家，很多水利工程修建于20世紀50—70年代，由于當時資金、技術、施工工藝等因素的限制，建設質量參差不齊，特別是水工金屬結構包括閘門、啟閉機與控制設備，目前多數已陳舊老化，存有較大安全隱患，很大程度上威脅著下游人民的生命財產安全[5- 11]。

2018年汛前，河南某大型水利樞紐工程在檢修中發現溢洪道1號弧形閘門不能有效開閉，水庫安全度汛存在重大隱患。為快速找出故障原因，消除故障隱患保證工程安全，技術人員對該溢洪道弧形閘門、液壓啟閉機及其附屬設施進行了故障檢測，并根據檢測數據進行故障診斷與分析，提出針對性的整改建議，建設單位依據整改建議進行整改，有效保證了該水利樞紐安全可靠運行。

1 故障檢測數據

1.1 外觀巡視檢查情況

通過對該溢洪道水工金屬結構進行外觀巡視檢查，主要故障情況包括：閘門運行不穩定，在1m以下開度有卡阻停機現象，閘門在小于1m開度的位置曾連續發生3次自動停機現象；支鉸潤滑不充分，在運轉時啟閉機2個油缸上支鉸部位有間斷性異常響聲。

1.2 外觀檢測情況

在外觀巡視檢查了解了基本故障情況下，對該溢洪道水工金屬結構進行了外觀檢測，主要檢測結果如下。

(1) 閘門運行狀況檢測。閘門在全閉狀態下自動啟升時，左側正常啟升，右側未啟升；復位后重試仍是左側正常啟升，右側未啟升；采用手動糾偏啟動右側油缸，閘門全行程啟閉正常，閉門后再啟閉未見異常。

(2) 側向支撐。閘門全閉狀態時，左側頂部、中間部位、底部3個滑塊與側軌的間隙分別為：8、4、0mm；右側頂部、中間部位、底部滑塊與側軌的間隙從上往下分別是：0、1、1mm；左上滑塊工作面整體拉傷，溝槽深度2mm，如圖1所示。

圖1 左上滑塊嚴重拉傷

(3) 止水裝置。左側止水橡皮相對面板邊緣外移10～15mm(如圖2所示)，且在面板邊緣加焊一根φ12mm鋼筋，但現場檢查鋼筋支撐部位的橡皮(背面)龜裂嚴重，有明顯的擦痕(如圖3所示)；右側止水橡皮相對面板邊緣外移5～8mm，閘門最大開度時，在可見范圍內沿止水壓板邊緣止水橡皮已經全部開裂(如圖4所示)。

圖2 側止水橡皮與面板邊緣間隙

圖3 弧門左側止水橡皮裂紋

圖4 右側止水橡皮撕裂

(4)與弧形閘門配套的液壓啟閉機設計系統壓力為20MPa，實測系統壓力為22.6MPa；有桿腔計算油壓為18.96MPa，實測有桿腔油壓達到21.8MPa；左右油缸上支鉸部位在運行時有輕微響聲；液壓油污染度等級為NAS12級，嚴重超標。

1.3 空間位置及形態測量結果

利用工業測量系統(SMN系統)建立支鉸空間坐標系(如圖5所示)，A、B、C、D分別是左、右支鉸軸各端面的圓心，O1、O2分別是左、右支鉸軸的中心，O點是O1O2連線的中心。以O點為坐標原點，以O1O2在水平面內的投影為x軸，水流方向為y軸，z軸鉛垂向上。

圖5 支鉸空間坐標系

在上述測量坐標系中，x軸代表理想支鉸軸線，y軸代表孔口中心線，任意一點的三維坐標值分別代表下述含義：x坐標值代表該點至孔口中心線的水平距離，正值表示該點位于孔口中心的右側，負值表示該點位于孔口中心的左側；y坐標值代表該點在里程方向上至弧門支鉸理想軸線的水平距離，正值表示該點位于弧門支鉸理想軸線的下游方向，負值表示該點位于弧門支鉸理想軸線的上游方向；z坐標值代表該點在高程方向上至弧門支鉸理想軸線的鉛垂距離，正值表示該點高于弧門支鉸理想軸線，負值表示該點低于弧門支鉸理想軸線。

通過工業測量系統(SMN系統)對該溢洪道金屬結構相對空間位置及形態進行測量，包括弧門支鉸空間位置及形態測量(結果見表1)、弧門側軌上各測點至孔口中心的距離偏差(結果如圖6所示)、弧門側軌至孔口中心的距離偏差(結果如圖7所示)、弧門上、中、下主橫梁啟閉過程的高差變化(如圖8所示)、弧門不同開度時門體扭曲(結果見表2)、液壓啟閉機油缸支鉸位置測量(結果見表3)。

2 故障診斷與分析

根據該溢洪道水工金屬結構外觀巡視檢查、外觀檢測、空間位置及形態測量結果，進行故障診斷與分析。

(1) 由于閘門(含埋件)和啟閉機的安裝空間位置和形態多個關鍵項超標，如弧門支鉸的位置和形態、啟閉機油缸上支鉸位置、門體組裝和安裝偏差、側軌的位置和形態、門體側滑塊與側軌的間隙、側止水橡皮的預壓縮量等，導致閘門在啟閉過程中存在卡阻、附加應力以及變形情況，額外增加了啟閉閘門的啟閉力，啟閉機處于超負荷運行狀態。

(2) 閘門側滑塊跨距大于或接近于局部側軌跨距以及側軌表面有異物(已嚴重拉傷側滑塊)，是該溢洪道水工金屬結構啟閉過程中卡阻的主要原因。

(3)啟閉機液壓油污染度嚴重超標，易產生因閥組卡阻導致的啟閉機不能正常運行。

表1 3#孔弧門支鉸空間位置及形態測量數據 單位：mm

圖6 弧門側軌上各測點至孔口中心的距離偏差

圖7 弧門側軌至孔口中心距離偏差示意圖

圖8 弧門上、中、下主橫梁啟閉過程的高差變化

表2 弧門不同開度時門體扭曲檢測數據

表3 液壓啟閉機油缸支鉸位置測量數據 單位：mm

3 建議整改措施與結果

根據該溢洪道水工金屬結構故障診斷與分析，建議整改措施包括：按設計值合理調整側滑塊與側軌的間隙，避免閘門因卡阻造成啟閉異常；按設計值合理調整側止水橡皮的預壓縮量，減小閘門啟閉摩阻力；調試合適的閘門自動糾偏參數；啟閉機自動停機的開度差值設定為25mm；過濾或更換液壓油，避免液壓啟閉機因閥組卡阻不能正常運行；檢查清理弧門側軌表面異物，保持工作面平整光滑；更換被弧形閘門拉傷的側向滑塊；更換弧形閘門側止水橡皮；改善液壓啟閉機左、右兩側油缸上支鉸的潤滑狀況；閘門側滑塊和側止水橡皮按設計值合理調整后，應復驗閘門在啟閉機設計系統壓力下能否正常啟閉；根據液壓啟閉機運行頻率，確定液壓油污染度檢測周期；所有檢修措施應征得設計部門審查同意；制定溢洪道應急防洪預案，確保設備運行安全。

管理單位依據建議整改措施在汛前進行了針對性整改，消除了該溢洪道水工金屬結構故障，保證了該水利樞紐行洪安全與安全可靠運行。