錦屏一級水電站中孔充壓水封破裂原因分析及防范措施

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

(錦屏水力發電廠， 四川 西昌 615000)

1 概 述

錦屏一級水電站大壩壩高305 m，拱壩壩身布置有4個表孔、5個中孔和2個底孔。其中，中孔采用單吊點弧形工作閘門，設計水頭為91 m，工作閘門采用充壓水封作為主止水。4號中孔工作閘門及其液壓啟閉機在定期維護工作結束后，進行中孔工作閘門無水啟閉試驗時，充壓水封發生了破裂。筆者詳細分析了中孔充壓水封破裂的原因，并介紹針對性的防范措施。

2 中孔充壓水封的結構原理、系統組成及工作流程

2.1 中孔充壓水封的結構原理

中孔充壓水封結構主要包括水封橡膠、壓板、水封充壓腔及水封金屬底座。當閘門處于關閉狀態時，充壓水封系統向水封充壓腔充壓，讓充壓水封頭部伸出并緊貼在閘門面板上，達到封水的目的[1]。閘門開啟前，充壓水封系統對水封充壓腔泄壓并抽真空，充壓水封頭部縮回時與閘門面板脫離，避免閘門在動作過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見圖1。

中孔充壓水封為“山”型組合材質橡膠水封。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較高的SD006材料，以提高水封頭部與閘門門葉面板的接觸應力，減小水封偏頭，水封肢體采用硬度和壓縮模量相對較低的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適中的SD005材料，水封頭部的兩側面粘貼一層聚四氟乙烯材料，用于降低頭部運動過程中與壓板的摩擦系數[4]。水封不同部位采用不同特性的橡膠，能較好的適應變形，在相同背壓作用下其變形量比單一的橡膠材質大[5]。

圖1 充壓水封泄壓(左)與充壓(右)狀態圖

2.2 中孔充壓水封系統的組成及工作流程

中孔充壓水封系統采用集中布置方式，空壓機、儲氣罐、水環式真空泵、濾水器等設備由5孔閘門充壓水封共用，布置在3～4號中孔工作閘門啟閉機平臺之間。同時在每孔閘門啟閉機平臺上各布置一套充壓系統管路，包括充水管路、充氣管路、排水管路及抽真空管路等，管路上分別設置電動充水閥DQFi-1、電動充氣閥DQFi-2、電動排氣閥DQFi-3、電動抽氣閥DQFi-4、電動排水閥DQFi-5、電動排水閥DQFi-6(i=1、2、3、4、5、6，代表6孔閘門)水封壓力變送器PTi以及相應的檢修手動球閥、止回閥。充壓系統由水提供壓力，由壓縮空氣輔助保壓，正常閘門全關時充壓水封壓力在0.73 MPa左右，中孔充壓水封系統正常為全自動運行，工作流程分為閘門全關投入水封流程、閘門開啟退水封流程和閘門關閉退水封流程。

3 中孔充壓水封破裂原因分析

3.1 中孔工作閘門無水啟閉試驗及充壓水封破裂現象

錦屏一級水電站4號中孔工作閘門及液壓啟閉機在定期維護工作結束后，進行中孔工作閘門無水啟閉試驗。當發送“啟門”命令后，充壓水封系統執行退水封流程正常，中孔工作閘門緩慢開啟，但閘門開度檢測值一直為0 mm，于是停止啟動。4號中孔工作閘門停止后，程序便根據閘門開度值自動判斷閘門是否全關，并在閘門全關狀態下投入水封流程，但在投入過程中，充壓水封壓力一直無法達到正常值0.7 MPa以上，因此投入水封流程失敗。通過長按復歸按鈕重置閘門開度零點值，閘門開度檢測值變為575 mm。經檢查，閘門實際開度約573 mm與開度檢測值對應，充壓水封底邊脫離了閘門門葉面板的約束并且發生了破裂，破裂處為強度較低的水封肢體。

3.2 中孔充壓水封破裂原因分析

錦屏一級水電站4號中孔工作閘門及液壓啟閉機在定期維護工作前，充壓水封保壓及密封良好無漏水，而在定期維護工作時未進行充壓水封投退工作，因此，判斷充壓水封是在無水啟閉試驗時破裂。通過分析中孔工作閘門無水啟閉試驗的閘門開度及充壓水封壓力曲線圖(圖2)，發現在閘門開度檢測值故障并停止啟門后，在執行投入水封流程時，充壓水封壓力最高達到了0.456 MPa，隨后在2秒內壓力下降至0.425 MPa，并且一直保持在0.425 MPa直到停止充水。分析認為，在充壓水封壓力達到0.456 MPa時，充壓水封開始破裂，并導致壓力突降。根據充壓水封性能，設計要求在無閘門門葉面板約束的情況下，充壓水封各部位壓力不能超過0.14 MPa，以免損壞充壓水封，而充壓水封破裂時壓力高達0.456 MPa，遠超設計壓力。充壓水封破損部位在底邊，正是充壓時壓力最高的部位(考慮水柱壓力)，同樣印證了充壓水封破損是充壓導致的。綜上所述，分析認為4號中孔充壓水封破裂原因為：啟門時閘門開度檢測值異常(一直為0 mm)，導致充壓水封局部在無閘門門葉面板約束的情況下充壓超過設計壓力，水封肢體發生較大形變超過其性能極限，從而破裂。

圖2 4號中孔工作閘門開度及充壓水封壓力曲線圖

3.3 中孔工作閘門開度檢測值異常分析

結合中孔工作閘門定期檢查經驗，發現中孔工作閘門控制系統偶爾出現上電后閘門開度不為零的情況，是通過長按觸摸屏上清零按鈕8 s將閘門全關，開度設為閘門零點值，或長按復歸按鈕8 s將調試時設定的零點值設為閘門零點值，即可使閘門在全關時開度顯示為零。此時，4號中孔工作閘門控制系統上電后開度顯示為零，則不易發現閘門開度可能存在的異常問題。

由于中孔工作閘門開度傳感器為絕對型編碼器，在后續多次上電后，4號中孔工作閘門開度傳感器均未出現異常，由此判斷，4號中孔工作閘門開度傳感器未出現故障。通過分析程序發現，4號中孔工作閘門控制程序中閘門開度碼值等于零點值減去當前碼值，使其為負值時，則將開度碼值設置為0。進一步檢查發現，閘門零點值存儲變量未配置寄存器地址，為非定位變量，當PLC出現冷啟動時會將非定位變量復位，導致閘門零點值清零，從而導致閘門開度計算值為負值，控制程序將閘門開度設置為0。因此，4號中孔工作閘門開度顯示異常的原因是在工作閘門控制系統斷電檢修時，PLC出現冷啟動導致零點值清零，使閘門開度一直顯示為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全關時充壓壓力約為0.73 MPa，遠超0.14 MPa的標準。因此，為防止充壓水封破裂，必須避免在閘門有開度的情況下執行投入水封流程。應對措施如下：

(1)對中孔工作閘門控制系統程序進行優化。第一，存儲閘門零點值存儲變量配置寄存器地址，并改為定位變量，確保PLC冷啟動時不會清零。第二，在程序中增加在PLC冷啟動、熱啟動時自動將閘門零點值記憶值賦值重新給零點值，確保零點值正常。第三，在中孔工作閘門控制系統觸摸屏上增加“閘門開度零點值異常”報警功能，以提醒操作人員注意中孔工作閘門控制系統異常。第四，當中孔工作閘門開啟動作超過3 s后，閉鎖閘門全關信號輸出至水封控制系統，必須有閘門關閉動作后才能解除閉鎖，防止中孔工作閘門控制系統誤開出閘門全關信號。

(2)在中孔工作閘門及液壓啟閉機定期維護后，自動化元件及程序可能出現不可預知故障，首次閘門無水啟閉試驗風險較高。可在首次無水啟門前，關閉水封電動充水閥前的手動充水閥(切斷水源)和水封電動充氣閥前的手動充氣閥(切斷氣源)，防止閘門開啟時誤投入水封。在閘門啟閉試驗成功后，再將手動充水閥和手動充氣閥打開。

(3)在中孔工作閘門正常開啟過程中，若發現閘門實際在開啟而開度值一直為0 mm時，立即使用手動充水閥和手動充氣閥，再停止啟門進行處理，以避免誤投入水封。

5 結 語

充壓水封因其良好的封水效果，廣泛應用于各高水頭電站泄洪閘門，其正常工作對泄洪閘門安全運行有重大意義。充壓水封涉及的設備多，工作流程復雜，對自動化元件及程序可靠性要求較高，若自動化元件及程序發生故障，可能導致閘門啟閉時誤投充壓水封，從而造成充壓水封破裂。筆者介紹的錦屏一級水電站中孔充壓水封破裂原因及防范措施對其他水電站預防充壓水封破裂有一定的借鑒意義。