深孔弧門充壓止水系統降壓失效分析與處理

楊 峰，黃少奇

（中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 310004）

1 概述

灘坑水電站泄洪洞弧形閘門，孔口形式為潛孔，孔口凈寬7.0 m、高度7.0 m，設計水頭102 m，總水壓力89 000 kN，為超大型弧形閘門，閘門采用凸擴式門槽，主水封為充壓式止水水封，常規緊壓式止水水封作為充壓式止水的輔助止水。該泄洪洞弧形閘門經多年運行，止水水封橡皮出現磨損、老化現象，水封多處漏水嚴重，需對整套止水水封進行更換。我公司承擔了弧門的充壓止水水封更換及充壓止水系統檢修工作。

2 充壓系統工作原理

在水電站高水頭弧形閘門設計中，通常采用凸擴式門槽充壓止水水封（如圖1），當弧門面板受到高水頭水壓力作用下，通過弧門支臂產生壓縮變形，加之加工精度、安裝精度及溫度變化等影響，使弧門半徑小于設計值，導致止水橡膠與弧門面板脫離，發生縫隙溢流。凸擴式門槽充壓止水裝置可以適應弧門變形，充壓止水水封可以利用加壓系統充壓使門槽內水封變形而頂緊壓在弧門面板上，從而起到良好的止水效果。另外，采用充壓止水水封，在弧門開啟前，可以取消所加背壓，縮回止水橡膠而脫離弧門面板，從而減小水封橡皮摩擦，同時減少閘門啟閉力，延長水封橡膠的使用壽命。

圖1 凸擴式門槽充壓止水水封示意圖

為滿足凸擴式門槽充壓止水水封工作，需配套設置充壓系統，滿足在迎水壓力情況下充壓水封橡皮外凸出與弧門面板緊密接觸，在深孔弧門全關閉狀態時啟動，利用上游庫區水通過過濾器，經增壓水泵增壓注入凸擴式門槽充壓腔體內，使門槽內水封變形而頂緊壓在弧門面板上，增壓水泵采用一備一用共設置兩套，并設置儲能罐使門槽充壓腔體保持設定壓力，當壓力低于設定值時系統自動啟動增壓水泵進行增壓并儲能。當深孔弧門需要開啟時，關閉門槽充壓腔體進水口閥門，開啟排水閥降壓排水，門槽充壓腔體水壓力低于0.1 MPa時開啟深孔弧門。充壓止水系統原理見圖2。

圖2 充壓止水系統原理圖

充壓工作流程：弧門關閉后，閘閥9關閉，閘閥7開啟。啟動增壓水泵，往門槽水封和蓄能罐充水，水壓推出山形水封頭部達到封水效果后，壓力升至1.2 MPa時增壓水泵停止，儲能罐用于維持壓力，當系統壓力低于1 MPa，增壓水泵會自動啟動，往門槽水封和蓄能罐增壓。程序設定只有弧門在全關位置狀態充壓系統才能啟動。

泄壓工作流程：閘門開啟前，關閉閘閥7，打開閘閥9排水。系統壓力低于0.1 MPa時，充壓止水水封恢復自然狀態，程序解鎖閘門開啟控制開關。

3 充壓止水系統檢修效果檢查

通過對弧形閘門的檢修作業，更換了閘門所有水封橡皮，將弧形閘門處于關閉狀態。進行了無壓狀態和有壓狀態充壓止水系統檢查。

無壓狀態充壓止水系統檢查：保持泄洪洞檢修閘門關閉狀態，使泄洪洞檢修閘門與弧形閘門之間閘室無水狀態，此時弧形閘門無水壓。在閘閥9關閉狀態下，打開閘閥7，往充壓水封充壓腔體注水加壓，壓力表3顯示壓力由0 MPa升壓至1 MPa，表示系統加壓工作正常。在閘閥7關閉狀態，打開閘閥9，對充壓水封充壓腔體排水降壓，壓力表3顯示壓力由1 MPa降壓至0 MPa，表示系統降壓工作正常。

有壓狀態充壓止水系統檢查：為減少泄洪洞檢修閘門提升次數，減少對其水封的磨損，充壓止水系統試驗期間僅開啟泄洪洞檢修閘門的充水閥，對檢修閘門與弧形閘門之間閘室進行充水，使弧形閘門處于正常水壓狀態。閘室充水完成后，在閘閥9關閉狀態下，打開閘閥7，往充壓水封充壓腔體注水加壓，壓力表3顯示壓力由0 MPa升壓至1 MPa，表示系統加壓工作正常。隨即檢查人員進入弧形閘門下游目視檢查弧門止水情況，經檢查弧形閘門止水良好，無漏水現象。檢查人員撤離后，在閘閥7關閉狀態，打開閘閥9，對充壓水封充壓腔體排水降壓，壓力表3顯示壓力只由1 MPa降壓至0.4 MPa，并未降壓至0 MPa，系統降壓出現了異常。

檢查結果顯示系統在弧形閘門無壓狀態和有壓狀態下，充壓止水系統充壓、保壓工作正常，弧形閘門在有壓狀態下通過目視檢查，弧形閘門止水工作正常，無漏水情況，但在弧形閘門有壓狀態下卸壓試驗過程中，系統壓力從1 MPa降至0.4 MPa，并維持在0.4 MPa，未達到設計低于0.1 MPa的要求。

如果系統壓力未能降至0.1 MPa，說明充壓水封在背壓狀態下水封頭任與弧門面板接觸，如強制啟門，勢必造成啟閉力增大，磨損充壓水封，無法滿足運行要求，存在充壓止水系統降壓失效問題。

4 原因排查與分析

正常運行時，當充壓止水系統進行卸壓操作，閘閥7關閉狀態，閘閥9開啟狀態，自動進排氣閥自動開啟，門槽充壓腔體內的水從閘閥9排出，壓力表3回位顯示壓力為0 MPa。

根據充壓止水系統原理圖分析，造成泄壓失效產生的區域應該在閘閥7與閘閥9之間的系統內。采用排除法對各個零部件是否損壞進行排查分析。

（1）閘閥9排查分析：閘閥9為電磁閥，設在弧門門槽底部位置，作為充壓止水系統末端的卸壓排水閥門，如果閘閥9不能正常開啟排水，那么系統壓力將會下降并維持在1 MPa左右，通過泄壓時對閘閥9觀察，有水排出，系統壓力降至0.4 MPa后水流停止，判斷排水閥工作正常。

（2）自動進排氣閥排查分析：自動進排氣閥設在弧門檢修平臺位置，當充壓止水系統加壓時排出管路內空氣，當水進入閥內，浮筒隨水位一起上升，關閉排氣口，反之當系統泄壓時，壓力減少，閥內水位下降，浮筒隨水位一起下降，打開排氣口。通過泄壓時對排氣閥觀察，系統泄壓時排氣閥有吸入氣體的聲音，系統壓力降至0.4 MPa后排氣孔關閉，判斷自動進排氣閥工作正常。

（3）閘閥7排查分析：閘閥7為電磁閥，設在設備層，是充壓止水系統加壓時入口閥門，同時也是卸壓時起到阻隔庫區、蓄能罐的水壓，為了避免拆除閘閥7繁瑣工作量，在關閉閘閥7并卸壓后，在壓力表3接口位置增設臨時卸壓閥門（如圖3）。安裝完畢后進行充壓止水系統加壓、卸壓操作步驟，卸壓后在壓力維持0.4 MPa無法繼續下降，打開臨時泄壓閥門時，泄壓閥排出約5 L水后，排水停止，系統壓力顯示0，如果閘閥7損壞無法閉合，庫區水及儲能罐中的水將通過管路從臨時泄壓閥源源不斷排出。從結果分析，臨時泄壓閥僅排出約5 L水，系統壓力降至0 MPa，閘閥7工作是正常的。

圖3 充壓止水系統泄壓檢修示意圖

（4）弧形閘門充壓止水水封排查分析：弧形閘門充壓止水水封通過門槽壓板與門槽座壓緊，對充壓腔體形成密閉空間，如果充壓止水水封有漏水情況，那么系統壓力將無法保持，加壓水泵會頻繁啟動，從試驗結果分析，充壓止水水封充壓腔體無漏水情況。通過各個部件排查，均工作正常，唯一造成系統壓力無法下降原因，最大可能性是管路被堵，由于充壓水封腔體試驗時無法觀察，水封壓板拆除檢查工作量過大，從設計圖紙充壓止水系統水封結構分析（如圖4），可能性最大為泄壓孔位置，當充壓止水系統進行泄壓工作時，初始時閘室水壓小于系統壓力，閘閥9排水后，系統壓力小于閘室水壓，充壓止水水封橡皮受閘室水壓貼緊門槽座上，并封堵了泄水孔，使充壓止水系統壓力無法下降，并且維持小于閘室的壓力0.4 MPa。也就說明了弧形閘門在無壓狀態下，閘室無水壓，充壓止水系統卸壓工作正常，反而在弧形閘門在有壓狀態下，閘室內有水壓，充壓止水系統卸壓工作實效。

圖4 充壓水封結構分析

5 處理方案

針對充壓止水水封橡膠封堵排水口情況，處理首先解決泄壓時排水流暢問題，我們采用直徑4 mm不銹鋼圓鋼焊接制作了一個簡易十字形導水架（如圖5），為防止使用過程中十字形導水架產生位移，十字形導水架中心位置設防位移桿。將弧形閘門開啟，拆除泄水孔位置水封壓板，抬起充壓止水水封，將導水架插入泄水孔，并重新安裝水封及水封壓板。

圖5 十字形導水架結構示意圖

通過重新對充壓止水系統進行充壓、泄壓試驗，系統泄壓后壓力下降至0，泄壓恢復工作正常，達到了運行要求。

6 結語

灘坑水電站泄洪洞弧形閘門充壓止水系統檢修，最終通過以上處理方案，簡單有效，滿足了設備運行目的，但檢修過程中對各個可疑部位的排查，進行了多次分析會議，反復試驗，消耗了較長的時間。本文通過總結經驗，為以后類似閘門檢修提供借鑒。