高水头闸门水封的型式与材质的探讨.doc

高水头闸门水封的型式和材质的探讨 目前国内正建和待建的水利水电工程大多涉及到高水头闸门水封问题。止水方式的选择直接影响到工程金属结构的造价，进而关系到枢纽水工建筑的造价，以及闸门运行的安全可靠问题。好的止水方式应该具有相对造价低、结构简单、运行操作简便、止水效果好、安全、适用寿命长等优点，要实现此效果，首先应解决的问题是止水水封的型式及于之相适应的材质。水封的材质分别为橡胶、橡塑、塑料、铜板及合金等五大类，采用得最普遍的是橡胶水封和近二十年发展起来的橡塑水封。以下就橡胶水封及橡塑水封的情况谈一点体会和看法： 一、建国后在一些低水头、小孔口的闸门水封中采用过木质、麻织物材质。随着孔口的增大、水头的增高，特别是六十年代初，则普遍采用了橡胶水封。橡胶水封当时分两类：一类是天然橡胶；一类是合成橡胶，通过近十年的实践，证明合成橡胶比天然橡胶有以下弱点：耐水性能差；老化周期短；弹性差；生产难度相对大；国内氯丁橡胶生产量小而价格高。因此，逐步地转为全面采用在上述五个方面都具有优势的天然橡胶水封。 七十年代为了解决当时新建水电站中高水头闸门的止水问题，由南京橡胶厂研制了夹帆布水封，该复合材质的水封也运用于大孔口的中水头闸门。进入八十年代，由于需要通过降低启闭机容量而降低造价，提高运行安全系数，引进了F4橡塑复合水封。由南京橡胶厂与机械部上海材料研究所合作了约两年的时间，完成了F4橡塑复合水封的研制，但由于两种材料的线胀系数不一致，F4分子的惰性，所以F4薄膜之间与橡胶复合的强度总是较低。为解决这些弱点，蜀都水利水电工程配件总厂采取了两个措施，第一是将传统橡胶水封配方中的有机防老剂更换成无机防老剂，大幅度地增加了F4薄膜与橡胶的粘接强度。使该指标达到了0.8MPa以上，超过了GB10706国标0.6MPa的要求。第二是将短节的F4薄膜生产工艺改成了随水封长度而定的长薄膜生产工艺，消除了侧水封薄膜多节引起的摩擦系数不准确和易于剥离的缺陷，提高了F4复合水封的使用寿命。虽然如此，F4复合不能随意弯折还使长途发运和短距离搬运较为困难，以致消耗较多的运输费用，加之安装单位对这种复合材料的橡塑水封没有足够的认识和充分地重视，常出现人为地损坏水封事例，再加之若需对水封分面或大面积复合，工艺难度更大。为此，蜀都水利水电工程配件总厂于九十年代初与相关科研单位及院校，经过三年的努力，研制成功了涂层型F4橡塑复合水封，通过水电部成勘院科研所、武汉大学实验室的检测，其摩擦、磨损性能指标均达到模压F4橡塑复合水封的性能指标。由此，较理想的止水元件投入了电站闸门止水的运行，涂层复合层的工艺，既适用于常规水封，也适用于高水头的闸门止水水封，此先进工艺解决了框型整体模压F4复合水封的搬运难题，涂层工作可于工地现场进行。 二、液压伸缩式水封 目前采用最多的水封型式是液压伸缩式，这可能是因其对降低造价有利和更能适应高水头弧形闸门的全开闭、局开局闭的工况。但通过对西北院、成勘院所进行的《高水头闸门止水结构型式及其材质试验研究》工作过程中几十个断面试件的制作，和对试验观察及成果资料的学习，加之漫湾底孔弧门，宝珠寺底孔弧门液压伸缩式水封的生产，二滩中孔、贵州东风底孔天生桥底孔弧门水封试件的制作，小湾底孔弧门水封试件的制作，以及原型测试、原型运行情况的反应，有如下一些体会和看法：在低于140m水头的液压伸缩式水封，其橡胶材质的常规物理机械性能指标如表1，满足该表所列指材质的橡胶在断面型式，压板形式以及压板与面板间隙，冲水袋形式，水封表面处理等较充分地试验和精心制作的条件下。根据已在全国所作的静水、动水、切片、整体等试验中的模拟库压、背压数据情况，是很可能实现更高水封闸门止水的。 表1 扯断强度MPa 22～26.5 压缩永久变形% ≤20 定伸强度300%MPa 10～14.5 硬度邵氏（度） 65±5 扯断伸长率% 450～550 热空气老化率% -10～-7 扯断永久变形% ≤24 适用温度℃ -40～+60 水封被腔内保压冲水袋橡胶材质常规物理机械性能指标见表2 表2 扯断强度MPa ≥22.1 压缩永久变形% ≤15 定伸强度300%MPa ≥4.2 硬度邵氏（度） 50±5 扯断伸长率% ≥700 热空气老化率% -12～-10 扯断永久变形% ≤16 适用温度℃ -40～+60 2. 由于有了如表1所列物理机械性能的橡胶，则为避免夹帆布水封的不足创造了理想条件，因为七、八十年代多采用的夹帆布水封经几年使用的观察，均表现出其的帆布与橡胶之间产生剥离，失去联合工作的作用，这是由于棉织物经橡胶硫化过程中的高温、高压后出现脆化现象所致。 由于加帆布，造成耐曲绕性能差、弹性差，而其所具有的相对较高的压缩强度可通过无机补强剂或有机胶联剂在不降低扯断强度的前提下提高材质